El reloj circadiano de Arabidopsis thaliana: ¡las plantas siguen el ritmo!

Artículo publicado en junio de 2015

DOI: http://dx.doi.org/10.18567/sebbmdiv_ANC.2015.06.1

Paloma Mas 

Centro de Investigación en AgriGenómica (CRAG, CSIC)
paloma.masemailcragenomica.es

 

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El reloj circadiano percibe los cambios medioambientales y mide el paso del tiempo para generar ritmos en múltiples procesos biológicos. El reloj juega un papel particularmente importante en plantas, pues al ser organismos sésiles necesitan responder y adaptarse a los cambios medioambientales de forma muy precisa y eficiente.

El reloj circadiano es un mecanismo celular presente en prácticamente todos los organismos. Una función clave del reloj es la sincronización del metabolismo, fisiología y desarrollo con los cambios medioambientales diurnos y estacionales generados por la rotación de la tierra sobre su propio eje (Young and Kay, 2001). Se ha propuesto que las oscilaciones circadianas proporcionan una ventaja adaptativa al permitir que los organismos anticipen las transiciones durante el ciclo diurno/nocturno y coordinen procesos simultáneos, secuenciales o temporalmente incompatibles (Wijnen and Young, 2006).
En los últimos años, numerosos estudios bioquímicos, moleculares y genéticos han proporcionado una visión más completa de la función y organización circadiana. Los ritmos circadianos se generan en primera instancia mediante las regulaciones recíprocas entre componentes centrales del reloj que producen una ritmicidad en expresión génica, procesamiento de mRNA, abundancia de proteína y actividad (Harmer, 2009). Otro mecanismo importante para la oscilación rítmica incluye los cambios en la estructura de la cromatina y su control sobre la expresión de genes del reloj (Seo and Mas, 2014).
Los estudios clásicos circadianos establecen que el funcionamiento del reloj recae en tres principales módulos funcionales: (1) rutas de entrada, (2) el oscilador central, y (3) rutas de salida. Hoy en día sabemos que esta visión es demasiado simplificada y que en realidad el reloj funciona mediante una red muy compleja de componentes y actividades interconectadas entre sí y con otras vías biológicas relevantes (Harmer, 2009). En cualquier caso, la visión clásica del reloj es útil para entender cómo funciona, y hoy en día se sigue utilizando para posicionar componentes del reloj dentro de la entramada red circadiana. De forma muy simplificada se podría decir que la ruta de entrada al reloj hace referencia a todos los componentes que son capaces de percibir las señales medioambientales externas (fundamentalmente luz y temperatura) y de transmitir esta información temporal para sincronizar el oscilador. Este oscilador central funciona como un auténtico marcapasos que genera y mantiene los ritmos de su propia actividad, transmitiendo esta ritmicidad a los procesos biológicos controlados por el reloj, que componen las rutas de salida.

La investigación circadiana ha avanzado de forma notable en los últimos años sobre todo en la planta modeloArabidopsis thaliana. Respecto a la ruta de entrada, los efectos de la luz en el reloj están mediados por receptores específicos que incluyen fitocromos, criptocromos y los miembros de la familia de proteínas ZEITLUPE. Es interesante que aunque los criptocromos y fitocromos no son esenciales para las oscilaciones circadianas en Arabidopsis, la regulación circadiana de las rutas de foto-transducción genera fuerte vínculos entre estas dos redes de señalización. Se trata de un proceso conocido como "gating" mediante el cual un mismo proceso o respuesta de la planta se regula de manera diferente dependiendo de si es de día o de noche (Mas and Yanovsky, 2009). La importancia del reloj para la planta también queda reflejada en las rutas de salida o procesos regulados por el reloj (de Montaigu et al., 2010). De hecho, casi todas las etapas del desarrollo de la planta están controladas por el reloj, por ejemplo la germinación, crecimiento y la regulación fotoperiódica del inicio de la floración. Otros procesos como la apertura estomática, la regulación y señalización de hormonas, las respuestas a los ataques bióticos y abióticos también están modulados por el reloj.

En Arabidopsis, de forma similar a otros organismos, la generación de la ritmicidad recae en una serie de regulaciones recíprocas entre componentes del oscilador central. Dos factores de transcripción tipo MYB, denominados CCA1 (CIRCADIAN CLOCK ASSOCIATED 1) y LHY (LATE ELONGATED HYPOCOTYL) participan como componentes represores de un regulador de respuesta atípico denominado TIMING OF CAB EXPRESSION 1 (TOC1). TOC1 directa e indirectamente también reprime la transcripción de CCA1 y LHY. Esta regulación genera la expresión rítmica y antifásica de TOC1 y CCA1/LHY. Mientras que el pico de expresión de CCA1 y LHY se observa al principio del día, TOC1 tiene su máximo de expresión en las primeras horas de la noche. Miembros adicionales de la familia PRR (PRR5, PRR7 y PRR9) también se unen a los promotores de CCA1 y LHY para reprimir su expresión. CCA1 y LHY forman un bucle de realimentación negativa mediante la promoción de la expresión de PRR7 y PRR9. Dentro de este entramado de regulaciones recíprocas, TOC1 aparece como un represor global de los genes del oscilador, tanto de los que se expresan durante el día como los que lo hacen durante la noche.

Aunque nuestro conocimiento del reloj circadiano en Arabidopsis ha avanzado mucho en los últimos años, aún estamos lejos de entender los mecanismos del funcionamiento y regulación del reloj, así como de los componentes que lo integran y la compleja red de regulación entre ellos y con otros componentes de rutas relevantes en la planta.

reloj circadiano arabidopsis

Figura. El reloj circadiano regula la ritmicidad de numerosos procesos fisiológicos, y metabólicos en la planta.

REFERENCIAS

1. de Montaigu, A., Tóth, R., and Coupland, G. (2010). Plant development goes like clockwork. Trends in Genetics 26, 296-306.
2. Harmer, S.L. (2009). The circadian system in higher plants. Annu Rev Plant Biol 60, 357-377.
3. Mas, P., and Yanovsky, M.J. (2009). Time for circadian rhythms: plants get synchronized. Curr Opin Plant Biol 12, 574-579.
4. Seo, P.J., and Mas, P. (2014). Multiple Layers of Posttranslational Regulation Refine Circadian Clock Activity in Arabidopsis. The Plant Cell Online 26, 79-87.
5. Wijnen, H., and Young, M.W. (2006). Interplay of circadian clocks and metabolic rhythms. Annu Rev Genet 40, 409-448.
6. Young, M.W., and Kay, S.A. (2001). Time zones: a comparative genetics of circadian clocks. Nat Rev Gen 2, 702-715.

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Entrevista

Paloma Mas 
Centro de Investigación en AgriGenómica (CRAG, CSIC)

paloma.masemailcragenomica.es

P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica?

R.- Creo que desde muy joven ya sentía curiosidad por saber cómo funcionaba la naturaleza, los seres vivos. A esta curiosidad también se le unían unas ganas tremendas de aprender. Curiosidad y ganas de aprender y saber son ingredientes básicos de un científico, así que tengo la impresión que desde siempre he querido ser científica. Con los años, y una vez sumergida plenamente en el mundo de la Ciencia, ya ha sido imposible salir de ella: ¡la Ciencia engancha!

P.- ¿Podría resumirnos brevemente su trayectoria profesional

R.- Inicié mis estudios en Ciencias Biológicas en la Universidad de Murcia y los continué en la Universidad de Valencia (especialidad Bioquímica). La Tesis Doctoral la realicé en el Centro de Edafología y Biología Aplicada del Segura (CEBAS-CSIC) sobre la caracterización molecular de un virus que infecta plantas. Como investigadora post-doctoral continué investigando en el área de la virología de plantas en The Scripps Research Institute (La Jolla, CA, EEUU) bajo la dirección del Prof. Roger Beachy. A continuación cambié de temática y pasé a estudiar el reloj biológico y los ritmos circadianos en el Institute for Childhood and Neglected Diseases (ICND) (La Jolla, CA, EEUU) bajo la dirección del Prof. Steve Kay. Tras unos años de intensa actividad en los que quedé fascinada por la complejidad e importancia del reloj circadiano en todos los seres vivos, me trasladé al Centro de Regulación en AgriGenómica (CRAG, Barcelona) tras obtener una plaza de Científico Titular del CSIC para continuar mis estudios centrados en los mecanismos moleculares y celulares responsables de la ritmicidad circadiana en plantas. A lo largo de estos años, nuestro grupo se ha centrado en diversos aspectos relacionados con los mecanismos de funcionamiento y regulación del reloj, como por ejemplo, su regulación epigenética, los mecanismos transcripcionales que controlan la ritmicidad, y los procesos fisiológicos y metabólicos regulados por el reloj.

P.- ¿Cuáles son desde su punto de vista las características que definen a un buen investigador?

R.- Como he mencionado anteriormente, la curiosidad y ganas de aprender y saber son ingredientes esenciales de un buen científico. Si a esto le añadimos motivación, dedicación y mucho esfuerzo, entonces tendremos la combinación perfecta de un buen científico. Esta receta básica puede ser aderezada con otros ingredientes importantes como el ser capaz de reponerse cuando después de mucho esfuerzo los resultados no son positivos, estar dispuesto a colaborar con otros científicos y mantener siempre una mente abierta para nuevos descubrimientos que se alejan de los dogmas establecidos.

P.- ¿Podría describirnos brevemente en qué consiste su línea de investigación actual y cuál es su trascendencia?

R.- Una gran variedad de procesos biológicos exhiben un patrón rítmico de actividad con un período de exactamente 24 horas. La coordinación temporal de estos ritmos está regulada por un mecanismo endógeno celular denominado reloj circadiano. Desde bacterias hasta los seres humanos, la presencia del reloj circadiano ha proporcionado una notable ventaja adaptativa a lo largo de la evolución. En las plantas, la sincronización temporal de la fisiología con el medio ambiente es esencial para su correcto desarrollo y crecimiento. La conexión entre las vías de señalización de la luz con las rutas del oscilador circadiano permite la anticipación de las transiciones medioambientales y la medición de la duración del día como un indicador de cambio de las estaciones. 
La investigación que realizamos en nuestro grupo se centra en la identificación de nuevos componentes y mecanismos de progresión del reloj circadiano, utilizando como modelo experimental una pequeña planta conocida como Arabidopsis thaliana. Se trata esencialmente de investigación básica, de generación de conocimiento. Estamos interesados en esclarecer las redes reguladoras y los módulos funcionales subyacentes a la función del reloj circadiano. Para ello, aplicamos a nuestros estudios una combinación de enfoques genéticos, bioquímicos, celulares y moleculares. Estudiamos aspectos muy diferentes del reloj como por ejemplo la remodelación de la cromatina, la especificidad celular y los determinantes moleculares responsables de la actividad circadiana. Estamos también interesados en entender cómo se sincroniza la ritmicidad en células individuales para dar lugar a ritmos coordinados en toda la planta.  

P.- ¿Cuál ha sido su mayor sorpresa en el área de investigación en que trabaja?

R.- Desde un punto de vista general, mi mayor sorpresa es la celeridad y a la vez la lentitud en la que avanzamos. La rapidez porque resulta increíble la cantidad de nueva información que disponemos si la comparamos con la que sabíamos hace sólo algunos años atrás. La lentitud, porque me doy cuenta de lo lejos que estamos aún de entender verdaderamente el funcionamiento del reloj circadiano.
Desde un punto de vista de experimentos específicos, me llamó la atención una publicación en la que se mezclaron algunos componentes del reloj de cianobacterias y voilá! como por arte de magia se consiguió generar ritmicidad en un tubo. Yo había pensado en una idea similar con los componentes del reloj de plantas pero la había descartado porque pensaba que sería muy difícil o casi imposible obtener resultados. A veces no hay que descartar ideas que parecen muy difíciles o descabelladas.  

P.- ¿Qué camino queda por recorrer en Ciencia e Innovación en nuestro país?

R.- Por desgracia, creo que nos queda aún mucho camino por recorrer. De hecho, necesitaríamos escoger una ruta diferente. Aunque parezcan frases hechas, no hay camino que sirva, si no hay concienciación por parte de los políticos, de la sociedad e incluso por parte de los mismos científicos de la importancia de la Ciencia. Esta concienciación quedaría reflejada no sólo en un necesario incremento del presupuesto destinado a la investigación, sino también en un nuevo modelo organizativo y funcional de la Ciencia en España. Un buen balance entre investigación básica y aplicada es también esencial. Ahora mismo en toda Europa parece que la investigación básica es una pérdida de tiempo, no sirve para nada. Personalmente, creo que es un tremendo error. Somos lo que sabemos, y sin saber, no queda mucho para aplicar. Se debe primar ante todo la calidad en la investigación y agilizar los sistemas de gestión, reducir la burocracia y papeleo innecesario - todo aquello que "distrae" al investigador de lo que realmente debe hacer, investigar.  

 

Perfil biográfico

Paloma Mas
Centro de Investigación en AgriGenómica (CRAG, CSIC)
paloma.masemailcragenomica.es

Paloma Mas es Profesora de Investigación del CSIC en el Centro de Investigación en AgriGenómica (CRAG, CSIC) en Barcelona. Doctora en Ciencias Biológicas (1997) por la Universidad de Murcia, realizó una primera etapa post-doctoral (1997-1999) en The Scripps Research Institute (La Jolla, CA, EEUU) en el estudio de virus de plantas. Posteriormente, en el Institute for Childhood and Neglected Diseases (ICND) (La Jolla, CA, EEUU) (2000-2003), estudió la ritmicidad circadiana en plantas. Actualmente dirige un grupo que se centra en los mecanismos de progresión del reloj circadiano en Arabidopsis. Es adjunta de la ANEP del área de plantas, ha sido Directora del Departamento de Genética Molecular, miembro de la comisión científica interna del CRAG y vocal de la comisión de admisiones de la SEBBM. Ha recibido el premio EURYI y el premio de la Fundación Carmen y Severo Ochoa. Ha sido miembro del programa EMBO YIP y más recientemente ha sido elegida EMBO Member.

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