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El ritmo circadiano depende de una serie de factores ambientales, pero no solamente de ellos, sino también de aquellos que se encuentran bajo un fuerte control

Fotoperiodo, melatonina y estacionalidad reproductiva

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genético. Los genes reloj o genes clock (clock genes) constituyen una parte importante del ritmo circadiano y el estudio de estos ritmos internos han demostrado que su expresión rítmica es general para varias familias de genes, tanto en plantas como en animales (Ripperger y Schibler, 2001). A partir de técnicas de laboratorio, la identificación de los genes reloj parte de la asociación de la pérdida de un ritmo circadiano y una mutación natural o provocada (Chang y Reppert, 2001). Estos genes se expresan de forma cíclica y su número, así como su tiempo de inducción y estabilidad, son los que regulan el tiempo necesario para que se produzca la expresión de un ciclo del gen, que ajustado a un ritmo circadiano, sería de 24 horas (Ko y Takahashi, 2006).

Los primeros genes reloj en ser identificados y clonados fueron el gen Period (Per) en la mosca Drosophila, y el Frequency (Frq) en el hongo Neurospora (Reddy et

al., 1984; McClung et al., 1989). Su identificación en los mamíferos podría decirse que

ocurrió de forma fortuita, a partir de observaciones realizadas en hámsteres, en donde se descubrió la presencia de un periodo endógeno, temperatura corporal y actividad motriz mucho más corto de los que se había observado hasta el momento (Ralph y Menaker, 1988). Al llevarlo a una situación de homocigosis, este periodo endógeno resultó ser de 20 horas en lugar de 24 horas. Trabajos posteriores con este gen, en ratones, demostraron que era posible alargar el periodo circadiano, dándosele el nombre de gen

clock.

Posteriores trabajos, realizados en ratones, descubrieron la existencia de otros genes que podrían estar involucrados en la regulación de los ritmos circadianos. Así, en los NSQ del ratón, se han logrado identificar los siguientes genes: Bmal1, Periodo o

PER (que son tres genes: Per1, Per2 y Per3) y Criptocromo o CRY (dos genes: Cry1 y Cry2), que muestran una relación muy estrecha con el gen Clock. La proteína Clock

interactúa con Bmal1, y juntos regulan a las proteínas Per y Cry, lo cual ha permitido la identificación de otros genes, hasta ahora alrededor de 12 genes han sido identificados (Lincoln et al., 2003). Estas interacciones, que ocurren a nivel de los NSQ de los mamíferos, las podemos observar en la figura 11.

La generación de este ritmo involucra dos bucles o feedback de control, que son del tipo hélice-bucle-hélice, constituyendo un factor de transcripción de señales. El primer bucle de retrocontrol implica a los elementos activadores que son las proteínas

Clock y Bmal1 y que forman un heterodímero llamado Clock/Bmal1. Una vez formado,

Revisión bibliográfica

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Cryptocromo (Cry1 y Cry2), los cuales envían una señal feedback negativa que detiene

la acción de Clock/Bmal1 para completar el ciclo circadiano (Shearman et al., 2000; Borjigin et al., 2012).

Figura 11. Feedback de autorregulación negativa del reloj circadiano de los mamíferos (Ko y Takahashi,

2006).

El segundo bucle de regulación es inducido igualmente por el heterodímero

Clock/Bmal1 que va activar la transcripción de los receptores nucleares relacionados

con el ácido retinoico Rev-erbα y Rorα. Estos receptores entran en competición para unirse con el elemento de respuesta relacionado con el ácido retinoico, ROREs, que se encuentra en el promotor Bmal1. Ha sido demostrado que los componentes de la familia de receptores ROR (α, β y γ) y REV-ERBα (α y β) son capaces de regular Bmal1 a través del elemento de respuesta ROREs. Los receptores RORs activan la transcripción de

Bmal1 mientras que REV-ERBα detiene el proceso de transcripción. La duración de

estos feedbacks de autorregulación es de aproximadamente 24 horas y constituye el reloj molecular circadiano. Este reloj circadiano está dirigido por modificaciones post-

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transcripcionales, como son las fosforilaciones (fosforilación oxidativa) y la ubiquitinaciones (la ubiquitina es una pequeña proteína que dirige el reciclaje de proteínas puesto que las marca para su destrucción o reciclaje). Por otro lado, la Caseína

kinasa 1 epsilon (CK1ε) y Caseina kinasa 1 delta (CK1δ) son factores críticos que van a

regular la regeneración de las proteínas del reloj (Ko y Takahashi, 2006).

Está totalmente aceptado que muchos tipos de células poseen su propio ritmo y reloj circadiano, ya que células aisladas en placas petri de diferentes tipos celulares mostraron oscilaciones de los genes Clock, incluyendo a Per1 (Shinomura et al., 2010; Welsh et al., 2010). Ciertamente, la glándula pineal no es la excepción ya que la expresión de los genes Clock a nivel de los NSQ es más fuerte debido a su funcionamiento en red (Yoshikawa et al., 2005; Maronde y Stehle, 2007). In vivo, los ritmos pineales son abolidos en ausencia del controlador de entradas en el NSQ, sugiriendo que los genes Clock locales no son suficientes para el funcionamiento normal de los ritmos pineales de melatonina y que es necesario algo más que ese gen

Clock local para el control central del NSQ. Por otro lado, a pesar de que los NSQ son

reconocidos como el sitio principal del reloj interno, estos genes reloj también se expresan rítmicamente en los tejidos periféricos y en las estructuras centrales diferenciadas (por ejemplo: pars tuberalis), indicando que estos sitios son susceptibles de contener sus propios osciladores del reloj interno. Estudios realizados en la oveja han descubierto que la expresión del gen Per1, en los NSQ y en la pars tuberalis de la hipófisis, tiene relación en cuanto a la producción de melatonina; así, la amplitud y el momento en que se observan las concentraciones más elevadas del ARNm de Per1, coinciden con las menores concentraciones de melatonina (Morgan et al., 1998).

2.3.4. SÍNTESIS Y CATABOLISMO DE MELATONINA