Desde el origen de la vida en nuestro planeta, los organis­mos se han visto expuestos a un ambiente caracterizado por la existencia de numerosos ciclos ambientales, siendo la alternan­cia luz-oscuridad, con una periodicidad de 24 horas, uno de los más importantes.

La presencia de mecanismos endógenos que permiten la anticipación a estos cambios cíclicos del ambiente supone, sin duda, una ventaja adaptativa para los individuos. Así, no es de extrañar que la selección natural haya favorecido que todos los organismos a lo largo de la escala evolutiva posean relojes biológicos. De esta manera, las distintas especies pueden explotar determinados nichos temporales y coordinar los procesos fisiológicos para optimizar la eficiencia metabólica.

El sistema que se encarga en nuestro organismo de generar y coordinar los ritmos de 24 horas se conoce como sistema circadiano. La estructura básica está integrada por un marcapasos o reloj central que oscila de manera autónoma pero que ha de ponerse en hora cada día sincronizándose a las señales periódicas del ambiente (ej. luz). En mamíferos este marcapasos o reloj central se ubica en una región del cerebro conocida como núcleo supraquiasmático (NSQ). Una vez que la actividad de las neuronas del NSQ ha sido sincronizada, éste comunica la señal temporal mediante proyecciones nerviosas y a través de señales humorales al resto del cerebro y del organismo.

La maquinaria molecular que subyace a la generación de los ritmos circadianos se basa en bucles de retroalimentación positivos y negativos y su funcionamiento se traduce en un perfil de expresión de distintos genes que se va repitiendo día tras día. Entre los principales componentes del reloj de mamíferos se encuentran los genes reloj Period (Per1 y Per2). Recientemente, se ha descrito que la expresión de estos genes no solo ocurre en el reloj central sino que también se expresan en diferentes áreas cerebrales (ej. hipocampo, implicado en los procesos de aprendizaje y memoria) y en múltiples tejidos periféricos (ej. hígado, pulmón). Estas regiones, a pesar de ser capaces de oscilar de manera autónoma, reciben información temporal  desde el marcapasos central. De esta manera se consigue una sincronización interna de todo el sistema estableciéndose un orden temporal entre ritmos circadianos manifiestos. Entre estos ritmos tenemos, por ejemplo, el ritmo de actividad y reposo, el ritmo de temperatura corporal, el ciclo sueño-vigilia, ritmos hormonales, etc.

Tradicionalmente las especies se han clasificado como diurnas o nocturnas en función del momento del día en el que están activas: diurnas cuando su periodo de actividad ocurre durante las horas de luz, o nocturnas cuando realizan su actividad durante la noche. En el contexto de los ritmos biológicos, nos podemos preguntar cómo funciona el sistema circadiano de las distintas especies para determinar que éstas exploten un nicho temporal u otro. Curiosamente existen especies capaces de invertir sus patrones de actividad (diurno a nocturno) bajo determinadas condiciones. Estas especies constituyen modelos muy interesantes para responder a esta pregunta ya que permiten comparar individuos con distintos patrones de actividad dentro de la misma especie.

En este artículo utilizamos como modelo animal el Octodon degus (Fig. 1). En condiciones naturales, esta especie es principalmente diurna; sin embargo, en el laboratorio algunos animales son capaces de invertir su fase de actividad de diurna a nocturna cuando tienen libre acceso a la rueda (Fig. 2).

Figura 1: Fotografía de un degu adulto en nuestro laboratorio de Cronobiología de la Universidad de Murcia.

Figura 2: Ritmo de actividad en rueda de un degu diurno (izquierda) y de uno nocturno (derecha). En estas gráficas conocidas como actogramas se representan los valores de actividad (mediante rayas negras) a lo largo de los distintos días (eje de ordenadas) frente a las horas del día (eje de abscisas).

Para ello, obtuvimos cerebros de degus diurnos y nocturnos en dos momentos del día: durante la fase de luz y la fase de oscuridad. Posteriormente, mediante una técnica conocida como hibridación in situ, analizamos los niveles de ARN de Per1 y Per2 en el reloj central y  en otras regiones cerebrales en la que sabemos que existen osciladores, como es el hipocampo.

A nivel del reloj central (NSQ), la expresión de Per1 y Per2 fue mayor durante la fase de luz independientemente del cronotipo diurno o nocturno del animal. Sin embargo, fuera del reloj central,  la expresión de Per2 en el hipocampo y en la corteza cerebral estaba en fase con los ritmos actividad de los animales. Así, los degus diurnos mostraron mayores niveles de Per2 durante el día, mientras que en los degus nocturnos, la expresión de Per2 fue máxima durante la noche. Así pues, a nivel del NSQ, el patrón de expresión de estos genes es similar, mientras que en regiones externas al NSQ, como el hipocampo, los niveles de expresión son mayores coincidiendo con el periodo de actividad del animal.

En resumen, este estudio apoya las evidencias que indican que los mecanismos que determinan el nicho temporal diurno o nocturno de los mamíferos se encuentran “aguas abajo” del NSQ. En estudios futuros queremos investigar cómo se establece el acoplamiento entre el NSQ y el resto de osciladores y cómo la inversión de los patrones de expresión de los genes entre nocturnos y diurnos fuera del NSQ afecta a la fisiología del organismo. Responder a estas preguntas es de gran importancia a la hora de identificar las posibles consecuencias asociadas a las inversiones del patrón de actividad que ocurren en el caso de humanos que trabajan en turnos nocturnos.

Autora y correo:

Beatriz Baño Otálora;  beabano@um.es

Enlace:

http://jbr.sagepub.com/content/28/4/249.abstract

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