Dissecando o relógio circadiano em tempo real

À medida que essas discussões continuam, cientistas da Universidade da Califórnia em San Diego e seus colegas fizeram progressos na compreensão do relógio circadiano, o ciclo de 24 horas que sincroniza com a exposição claro-escuro e como ele funciona (cientistas em pesquisa circadiana e do sono recomendam o tempo padrão permanente como a opção mais saudável ao considerar a exposição à luz e à escuridão).

Relógios biológicos internos existem em toda a árvore da vida, influenciando ritmicamente as atividades e o comportamento diários. Dois anos atrás, uma equipe multi-institucional de pesquisadores montou um relógio circadiano em um tubo de ensaio pela primeira vez para sondar os componentes dos ritmos e interações do relógio.

O “Relógio In Vitro” ajudou os pesquisadores a analisar como os componentes do relógio interagem em diferentes momentos do ciclo circadiano diário para controlar a expressão gênica.

Um novo estudo liderado por pesquisadores da UC San Diego e da UC Merced expandiu essa base com o desenvolvimento de um método para estudar como o relógio circadiano se sincroniza com o ambiente em tempo real. Conforme descrito na revista Proceedings of the National Academy of Sciences, a capacidade em tempo real permitiu que eles explorassem mais profundamente as funções internas anteriormente desconhecidas do relógio, incluindo como os sinais de ajuste de tempo são transmitidos de seu núcleo – conhecido como oscilador – para a expressão de genes que garantem um relógio funcionando adequadamente.

O pós-doutorando Mingxu Fang e a professora Susan Golden na Escola de Ciências Biológicas, juntamente com seus colegas, estudaram um organismo unicelular aquático chamado cianobactéria, que apresenta um relógio circadiano com funções semelhantes às de um ser humano. Seu objetivo era usar o Relógio In Vitro para examinar o que acontece quando o relógio da cianobactéria é redefinido no nível molecular, semelhante a como nossos relógios circadianos sofrem mudanças de fuso horário durante a viagem. Em vez de coletar amostras de reações in vitro continuamente por três a quatro dias sob o sistema anterior, seu novo método de alto rendimento permitiu que eles rastreassem imediatamente os resultados.

Uma das descobertas em tempo real mais importantes centrou-se nos componentes do relógio circadiano que são responsáveis por transmitir o ritmo circadiano do oscilador central para a expressão gênica. Os pesquisadores descobriram que os elementos que modificam ritmicamente um regulador para gerar expressão gênica circadiana – catalisando enzimas chamadas quinases – também desempenham um papel crucial no funcionamento do relógio.

“Nas primeiras duas décadas após sua descoberta, a maior parte da pesquisa foi centrada no oscilador central”, disse Fang. “Agora descobrimos que as quinases, anteriormente pensadas para serem apenas componentes de saída, são na verdade parte de todo o relógio.”

Fang disse que a descoberta é semelhante a um conceito enraizado na física chamado efeito observador, no qual o ato de observação também influencia o sistema observado. Neste caso, a fim de obter a informação de tempo (o ato de observação) mantida pelo oscilador do núcleo, as quinases trazem perturbação ao núcleo (o sistema observado).

“As quinases precisam perguntar ao oscilador central que horas são por interação física e, portanto, estão afetando o núcleo de maneiras perceptíveis”, disse Golden, professor e diretor do Centro de Biologia Circadiana da UC San Diego. “Isso faz parte de sua função natural e agora vemos que eles se tornaram parte da máquina.”

De fato, duas quinases são necessárias para um relógio circadiano funcionando corretamente. Os pesquisadores que estudam a biologia circadiana muitas vezes se referem ao oscilador central como as “engrenagens” do relógio e as duas quinases como os “ponteiros” do relógio, ambos necessários para dizer corretamente o tempo.

“Agora sabemos que os ponteiros do relógio são, na verdade, parte do mecanismo de cronometragem”, disse Golden. “Se você não tem as duas mãos, elas não definem o tempo corretamente porque uma delas é um estabilizador e outra um perturbador para o sinal de reinicialização, e você precisa de ambas.”

Os autores do estudo PNAS incluem: Mingxu Fang, Archana Chavan, Andy LiWang e Susan Golden.