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¿Cómo sabe el cuerpo qué hora es? El descubrimiento del reloj biológico que ganó el Nobel de 2017

Categoría: El cuerpo

Por la mañana te despiertas y por la noche sientes sueño. Parece que hay algo dentro de tu cuerpo que funciona como un reloj. Sin embargo, no se encuentran manecillas ni engranajes en ningún lugar. ¿Cómo se cuentan las aproximadamente 24 horas dentro de un cuerpo donde no parece haber nada?

En este artículo seguimos el trabajo de los investigadores que estudiaron a la mosca de la fruta. Desde el hallazgo en 1971 de una mosca con un ciclo extraño, pasando por la extracción del gen en 1984 y el descubrimiento de un "bucle" donde una proteína detiene a su propio gen, hasta llegar al premio Nobel de 2017 [2].

1. Qué descubrieron Hall, Rosbash y Young: el Nobel de 2017 y el reloj biológico

El premio Nobel de Fisiología o Medicina de 2017 fue otorgado a tres científicos: Jeffrey Hall, Michael Rosbash y Michael Young. La razón fue el "descubrimiento de los mecanismos moleculares que controlan el ritmo circadiano". El ritmo circadiano es el ritmo del cuerpo que se repite en un ciclo de aproximadamente 24 horas [2].

El comité del Nobel presentó este logro como la explicación del mecanismo por el cual las plantas, los animales y los humanos ajustan sus ritmos biológicos a la rotación de la Tierra [2]. Cuando hablamos de un reloj, solemos imaginar engranajes o resortes. ¿Existe algo equivalente dentro del cuerpo? La pista estaba en las moscas.

2. 1971: las moscas de la fruta mutantes que mostraron un gen del ritmo circadiano

En 1971, Ronald Konopka y Seymour Benzer encontraron tres cepas de moscas de la fruta con mutaciones. Una de ellas había perdido el ritmo circadiano, otra tenía un ciclo acortado a aproximadamente 19 horas y la tercera tenía un ciclo alargado a aproximadamente 28 horas [2]. Como el ciclo normal de la mosca es de unas 24 horas, esto significaba que había moscas que iban "adelantadas" y otras que iban "retrasadas".

Las tres mutaciones se encontraban en el mismo lugar del cromosoma X. Este gen fue nombrado period (período) [2]. Las mutaciones en ese gen se asociaron con que el reloj se detuviera, avanzara rápido o avanzara lento. La mosca demostró que las piezas del reloj están escritas en los genes. Sin embargo, en aquella época, la idea de la "homeostasis" (mantener el estado del cuerpo constante) era la predominante, y se dice que el estudio del ritmo circadiano no recibió atención durante mucho tiempo [2].

3. 1984: cómo dos laboratorios lograron aislar el gen period

Trece años después de 1971, en 1984, hubo científicos que lograron extraer (aislar) el gen period. Hall y Rosbash lo hicieron en la Universidad de Brandeis, en Boston, Estados Unidos. Young lo hizo en la Universidad Rockefeller, en Nueva York. No fue una colaboración conjunta, sino un éxito en laboratorios separados [2].

Una vez que se tiene el gen, se puede investigar qué produce y cuándo actúa. A partir de aquí, avanzaron las investigaciones para conocer el interior del reloj.

4. Cómo la proteína PER frena a su propio gen: el bucle de retroalimentación

La proteína que produce el gen period se llama PER. PER se acumula dentro de las células durante la noche y se degrada y disminuye durante el día. Su cantidad aumenta y disminuye en un ciclo de aproximadamente 24 horas [2].

El punto clave es lo que ocurre después. Cuando PER aumenta, se detiene la actividad del gen que lo produce [2]. En 1990, Hardin, Hall y Rosbash mostraron que la cantidad de ARN copiado del gen aumenta y disminuye cíclicamente, y que la acción de PER regula esto. Cuando aumenta lo que se produce, se detiene la fuente de producción. Si se detiene, disminuye; si disminuye, vuelve a activarse. Este "bucle" genera el aumento y la disminución cíclicos [2].

Para explicarlo con algo cercano, piensa en el tanque del inodoro. Cuando el agua se llena, un flotador sube y corta el paso del agua; cuando tiras de la cadena, el agua vuelve a entrar. Pero en realidad, PER no es agua ni tiene un flotador como pieza. Es una proteína que actúa sobre su propio gen. Sin embargo, para que este bucle gire en "exactamente 24 horas", se necesita un retraso en el tiempo. ¿Quién lo produce?

5. Los genes timeless y doubletime: las piezas que retrasan el ciclo del reloj

En 1994, Young encontró un segundo gen del reloj, timeless. La proteína TIM que produce este gen era necesaria para un ritmo normal [2].

Young también encontró un gen llamado doubletime. La proteína DBT que produce retrasa la acumulación de PER. Se explica que este retraso es una de las pistas para entender el mecanismo que acerca el ciclo a las 24 horas [2].

Si ajustas un poco la entrada de agua del tanque del inodoro, tarda más en llenarse. El trabajo de DBT es similar a eso. Pero en realidad, no está ajustando una entrada, sino cambiando la velocidad a la que se acumula PER. Hasta ahora, esta historia ha sido sobre el interior del cuerpo de la mosca. ¿Se relaciona con los humanos?

6. El reloj biológico en el cuerpo humano: qué procesos influye además del sueño

Se explica que los mecanismos descubiertos en la mosca tienen partes en común con el cuerpo humano [2]. El reloj biológico influye no solo en el sueño, sino también en el apetito, las hormonas, la presión arterial y la temperatura corporal. Se dice que un reloj central en el hipotálamo del cerebro coordina todo esto [2].

Se dice que si el reloj y el ritmo de la vida se desincronizan, está relacionado con una mayor facilidad para contraer diversas enfermedades. Sin embargo, esto es una historia de "relación", no se puede afirmar que la desincronización sea la causa directa de la enfermedad [2].

La relación con la luz y los genes del reloj humano son temas para tratar en otra ocasión. Ese es un tema que quizá quieras investigar más adelante.

7. Experimento para ti: anota durante 3 días cuándo te da sueño y cuándo te despiertas

Intenta anotar durante 3 días la hora en que te dio sueño por la noche y la hora en que te despertaste por la mañana. Si los ordenas, quizás puedas ver tu propio ritmo diario. No es necesario comparar con otras personas para decidir si está bien o mal.

Busca libros sobre "reloj biológico" en la biblioteca y compara la analogía del tanque del inodoro de este artículo con las explicaciones de los libros. ¿Dónde son iguales y dónde son diferentes?

Fuentes

  1. Agencia de Ciencia y Tecnología de Japón (JST), Portal de Ciencia https://scienceportal.jst.go.jp/newsflash/20171002_02/index.html (Explica el motivo del premio y los nombres de los tres ganadores.)
  2. ScienceDaily (2 de octubre de 2017, republicación del comunicado del Comité Nobel) https://www.sciencedaily.com/releases/2017/10/171002092603.htm (Aborda el motivo del premio, las variaciones de PER y el gen timeless.)
  3. Artículo y revisión que conmemora el 50 aniversario del artículo de PNAS de 1971 (PMC) https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6138759/ (Se refiere a las tres cepas mutantes de 1971.)
  4. National Geographic edición japonesa (artículo sobre ciencia del sueño) https://natgeo.nikkeibp.co.jp/atcl/web/15/403964/110100077/ (Trata sobre cómo fue recibida la investigación en esa época.)
  5. Company of Biologists (explicación del Nobel de 2017 sobre el ritmo circadiano) https://www.biologists.com/nobel_circadian_rhythm/ (Se refiere al aislamiento del gen period en 1984.)
  6. Hardin PE, Hall JC, Rosbash M (1990) Nature 343:536-540 (bibliografía en PubMed sobre el bucle de retroalimentación) https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/2105471/ (Trata sobre el bucle de retroalimentación de los productos del gen period.)
  7. Lindau Nobel Laureate Meetings (blog explicativo del Nobel de Fisiología o Medicina de 2017) https://www.lindau-nobel.org/blog-the-workings-of-our-inner-clock-nobel-prize-in-physiology-or-medicine-2017/ (Se refiere a doubletime y al reloj biológico humano.)