Criptocromo - Cryptochrome

Criptocromo-1
CRY1Pretty.png
Estructura cristalográfica del criptocromo-1
Identificadores
Símbolo CRY1
Gen NCBI 1407
HGNC 2384
OMIM 601933
PDB 5T5X
RefSeq NP_004066
UniProt Q16526
Otros datos
Lugar Chr. 12 q23.3
Criptocromo-2
Identificadores
Símbolo CRY2
Gen NCBI 1408
HGNC 2385
OMIM 603732
PDB 4MLP
RefSeq NP_066940
UniProt Q49AN0
Otros datos
Lugar Chr. 11 p11.2

Los criptocromos (del griego κρυπτός χρώμα, "color oculto") son una clase de flavoproteínas que se encuentran en plantas y animales que son sensibles a la luz azul . Están involucrados en los ritmos circadianos y la detección de campos magnéticos en varias especies. El nombre criptocromo se propuso como un acrónimo que combina la naturaleza cromática del fotorreceptor y los organismos criptogámicos en los que se llevaron a cabo muchos estudios de luz azul.

Los dos genes Cry1 y Cry2 codifican las dos proteínas criptocromo CRY1 y CRY2. En insectos y plantas, CRY1 regula el reloj circadiano de forma dependiente de la luz, mientras que en los mamíferos , CRY1 y CRY2 actúan como inhibidores independientes de la luz de los componentes CLOCK - BMAL1 del reloj circadiano. En las plantas, la fotorrecepción de luz azul se puede utilizar para indicar señales de desarrollo. Además de las clorofilas , los criptocromos son las únicas proteínas que se sabe que forman pares de radicales fotoinducidos in vivo .

Los criptocromos han sido el foco de varios esfuerzos actuales en optogenética . Mediante el empleo de la transfección , los estudios iniciales sobre levaduras han aprovechado el potencial de la heterodimerización de Cry2 para controlar los procesos celulares, incluida la expresión génica , mediante la luz.

Descubrimiento

Aunque Charles Darwin documentó por primera vez las respuestas de las plantas a la luz azul en la década de 1880, no fue hasta la década de 1980 que la investigación comenzó a identificar el pigmento responsable. En 1980, los investigadores descubrieron que el gen HY4 de la planta Arabidopsis thaliana era necesario para la sensibilidad a la luz azul de la planta y, cuando el gen se secuenció en 1993, mostró una alta homología de secuencia con la fotoliasa , una proteína reparadora del ADN activada por la luz azul. En 1995, quedó claro que los productos del gen HY4 y sus dos homólogos humanos no exhibían actividad fotoliasa y, en cambio, eran una nueva clase de fotorreceptores de luz azul que se suponía que eran fotopigmentos circadianos . En 1996 y 1998, se identificaron homólogos de Cry en Drosophila y ratones , respectivamente.

Historia y estructura evolutiva

Los criptocromos (CRY1, CRY2) son proteínas evolutivamente antiguas y altamente conservadas que pertenecen a la superfamilia de flavoproteínas que existe en todos los reinos de la vida. Todos los miembros de esta superfamilia tienen las características de un dominio de homología de fotoliasa N-terminal (PHR). El dominio PHR puede unirse al dinucleótido flavina adenina (FAD) cofactor y un captador de luz cromóforo . Los criptocromos se derivan de las fotoliasas y están estrechamente relacionadas con ellas , que son enzimas bacterianas que se activan con la luz y participan en la reparación del daño del ADN inducido por los rayos UV. En eucariotas, los criptocromos ya no retienen esta actividad enzimática original. La estructura del criptocromo implica un pliegue muy similar al de la fotoliasa, con una sola molécula de FAD unida no covalentemente a la proteína. Estas proteínas tienen longitudes y superficies variables en el extremo C-terminal, debido a los cambios en el genoma y la apariencia que resultan de la falta de enzimas reparadoras del ADN. El gráfico de Ramachandran muestra que la estructura secundaria de la proteína CRY1 es principalmente una hélice alfa derecha con poca o ninguna superposición estérica. La estructura de CRY1 está formada casi en su totalidad por hélices alfa, con varios bucles y pocas hojas beta . La molécula está dispuesta como un haz ortogonal.

Función

Fototropismo

En las plantas, los criptocromos median el fototropismo , o crecimiento direccional hacia una fuente de luz, en respuesta a la luz azul. Ahora se sabe que esta respuesta tiene su propio conjunto de fotorreceptores, las fototropinas .

A diferencia de los fitocromos y las fototropinas, los criptocromos no son quinasas . Su cromóforo de flavina se reduce por la luz y se transporta al núcleo de la célula , donde afecta la presión de turgencia y provoca el alargamiento posterior del tallo. Para ser específicos, Cry2 es responsable de la expansión de cotiledones y hojas mediada por luz azul . La sobreexpresión de Cry2 en plantas transgénicas aumenta la expansión del cotiledón estimulada por la luz azul, lo que da como resultado muchas hojas anchas y ausencia de flores en lugar de unas pocas hojas primarias con una flor. Una doble mutación con pérdida de función en los genes de Arabidopsis thaliana Early Flowering 3 (elf3) y Cry2 retrasa la floración bajo luz continua y se ha demostrado que la acelera durante días largos y cortos, lo que sugiere que Arabidopsis CRY2 puede desempeñar un papel en la aceleración del tiempo de floración. durante la luz continua.

Fotomorfogénesis

Los receptores de criptocromos hacen que las plantas respondan a la luz azul a través de la fotomorfogénesis . Ayudan a controlar el desarrollo de semillas y plántulas, así como el cambio de la etapa de desarrollo vegetativa a la de floración. En Arabidopsis , se ha demostrado que los criptocromos controlan el crecimiento de las plantas durante condiciones de luz azul subóptimas.

Captura de luz

A pesar de mucha investigación sobre el tema, la fotorrecepción y fototransducción de criptocromos en Drosophila y Arabidopsis thaliana aún no se conocen bien. Se sabe que los criptocromos poseen dos cromóforos: pterina (en forma de ácido 5,10-meteniltetrahidrofólico (MTHF)) y flavina (en forma de FAD). Ambos pueden absorber un fotón y, en Arabidopsis , la pterina parece absorber a una longitud de onda de 380 nm y la flavina a 450 nm. Estudios anteriores han apoyado un modelo mediante el cual la energía capturada por la pterina se transfiere a la flavina. Bajo este modelo de fototransducción, FAD y luego se reduce a FADH, lo que probablemente media la fosforilación de un determinado dominio en criptocromo. Esto podría desencadenar una cadena de transducción de señales , posiblemente afectando la regulación de genes en el núcleo celular.

Una nueva hipótesis propone que en los criptocromos vegetales, la transducción de la señal de luz en una señal química que podría ser detectada por moléculas asociadas podría ser desencadenada por una carga negativa fotoinducida dentro de la proteína, en el cofactor FAD o en el ácido aspártico vecino. . Esta carga negativa repelería electrostáticamente la molécula de ATP unida a proteína y, por lo tanto, también el dominio terminal C de la proteína, que cubre el bolsillo de unión de ATP antes de la absorción de fotones. El cambio resultante en la conformación de la proteína podría conducir a la fosforilación de sitios de fosforilación previamente inaccesibles en el extremo C-terminal y el segmento fosforilado dado podría liberar el factor de transcripción HY5 compitiendo por el mismo sitio de unión en el regulador negativo de fotomorfogénesis COP1 .

Un mecanismo diferente puede funcionar en Drosophila . El verdadero estado fundamental del cofactor de flavina en Drosophila CRY todavía se debate, con algunos modelos que indican que el FAD está en forma oxidada, mientras que otros apoyan un modelo en el que el cofactor de flavina existe en forma de radical aniónico , FAD-
•. Recientemente, los investigadores han observado que el FAD oxidado se reduce fácilmente a FAD-
• por la luz. Además, las mutaciones que bloquearon la fotorreducción no tuvieron efecto sobre la degradación inducida por la luz de CRY, mientras que las mutaciones que alteraron la estabilidad de FAD-
• Función del fotorreceptor CRY destruida. Estas observaciones proporcionan apoyo para un estado fundamental de FAD-
•. Los investigadores también han propuesto recientemente un modelo en el que FAD-
se excita a su estado de doblete o cuarteto por absorción de un fotón, que luego conduce a un cambio conformacional en la proteína CRY.

En los ojos esponjosos , también se expresa el criptocromo receptivo a la luz azul. La mayoría de los ojos de los animales utilizan proteínas de opsina fotosensibles expresadas en neuronas para comunicar información del entorno de luz al sistema nervioso, mientras que las larvas de esponja utilizan ojos de anillo de pigmento para mediar la natación fototáctica. Sin embargo, a pesar de poseer muchos otros receptores acoplados a proteína G (GPCR), el genoma completamente secuenciado de Amphimedon queenslandica , una larva de demosponja , aparentemente carece de un gen para un pigmento de opsina sensible a la luz, lo que sugiere que los ojos únicos de la esponja podrían haber evolucionado un novedoso mecanismo de detección de luz. La investigación que utilizó sondas de ARN indicó que uno de los dos criptocromos, Aq-Cry2, se produjo cerca de las células oculares simples de la esponja. Aq-Cry2 carece de actividad fotoliasa y contiene un cofactor basado en flavina que responde a las longitudes de onda de la luz que también median el comportamiento fótico de las larvas. Definido como un GPCR de clado de opsina, posee una lisina base Shiff conservada que es fundamental para la función de la opsina. Como otras esponjas, A. queenslandica carece de sistema nervioso. Esto indica que los ojos de esponja sin opsina utilizan el criptocromo, junto con otras proteínas, para dirigir o actuar en el comportamiento fototáctico mediado por los ojos.

Ritmo circadiano

Los estudios en animales y plantas sugieren que los criptocromos juegan un papel fundamental en la generación y mantenimiento de los ritmos circadianos. De manera similar, los criptocromos juegan un papel importante en el arrastre de los ritmos circadianos en las plantas. En Drosophila , el criptocromo (dCRY) actúa como un fotorreceptor de luz azul que modula directamente la entrada de luz en el reloj circadiano, mientras que en los mamíferos, los criptocromos (CRY1 y CRY2) actúan como represores de la transcripción dentro del reloj circadiano. Algunos insectos, incluida la mariposa monarca , tienen una versión de criptocromo similar a la de un mamífero y otra similar a la de Drosophila , lo que proporciona evidencia de un mecanismo de reloj ancestral que involucra funciones de detección de luz y represión transcripcional para el criptocromo.

Los mutantes Cry han alterado los ritmos circadianos, lo que demuestra que Cry afecta al marcapasos circadiano. Drosophila con Cry mutado exhibe poco o ningún ciclo de ARNm. Una mutación puntual en cry b , que es necesaria para la asociación de flavina en la proteína CRY, no produce ciclos de proteínas PER o TIM en DD o LD. Además, los ratones que carecen de los genes Cry1 o Cry2 exhiben períodos de funcionamiento libre alterados diferencialmente, pero aún son capaces de fotoentrenamiento . Sin embargo, los ratones que carecen de Cry1 y Cry2 son arrítmicos tanto en LD como en DD y siempre tienen niveles altos de ARNm de Per1 . Estos resultados sugieren que los criptocromos juegan un papel fotorreceptivo, además de actuar como reguladores negativos de la expresión del gen Per en ratones.

En Drosophila

En Drosophila , el criptocromo funciona como un fotorreceptor de luz azul. La exposición a la luz azul induce una conformación similar a la del mutante CRY siempre activo con una deleción C-terminal (CRYΔ). La vida media de esta conformación es de 15 minutos en la oscuridad y facilita la unión de CRY a otros productos del gen reloj, PER y TIM , de una manera dependiente de la luz. Una vez unido por dCRY, dTIM está comprometido con la degradación por el sistema ubiquitina- proteasoma .

Aunque los pulsos de luz no se incorporan, los ciclos de LD fotoperiódicos completos aún pueden impulsar el ciclo en las neuronas ventral - laterales en el cerebro de Drosophila . Estos datos, junto con otros resultados, sugieren que CRY es el fotorreceptor autónomo de células para los relojes corporales en Drosophila y puede desempeñar un papel en el arrastre no paramétrico (arrastre por pulsos de luz discretos cortos). Sin embargo, las neuronas laterales reciben información de luz a través de la vía CRY de la luz azul y la vía de la rodopsina . Por lo tanto, CRY está involucrado en la percepción de la luz y es una entrada al reloj circadiano, sin embargo, no es la única entrada para la información de la luz, ya que se ha demostrado un ritmo sostenido en ausencia de la vía CRY, en la que se cree que el La vía de la rodopsina está proporcionando una entrada de luz. Recientemente, también se ha demostrado que existe una respuesta de luz mediada por CRY que es independiente de la interacción circadiana clásica CRY-TIM. Se cree que este mecanismo requiere un mecanismo basado en flavina redox que depende de la conductancia del canal de potasio. Se ha demostrado que esta respuesta a la luz mediada por CRY aumenta la activación del potencial de acción en segundos de una respuesta a la luz en la opsina- knockout Drosophila .

El criptocromo, como muchos genes involucrados en el ritmo circadiano, muestra el ciclo circadiano en los niveles de ARNm y proteínas. En Drosophila , las concentraciones de ARNm de Cry tienen un ciclo de luz-oscuridad (LD), con niveles altos en la luz y niveles bajos en la oscuridad. Este ciclo persiste en oscuridad constante (DD), pero con amplitud disminuida. La transcripción del gen Cry también tiene un ciclo con una tendencia similar. Los niveles de proteína CRY, sin embargo, tienen un ciclo diferente que los niveles de transcripción y ARNm de Cry . En LD, la proteína CRY tiene niveles bajos en la luz y altos en la oscuridad, y en DD, los niveles de CRY aumentan continuamente durante el día y la noche subjetivos. Por tanto, la expresión de CRY está regulada por el reloj a nivel transcripcional y por la luz a nivel traduccional y postraduccional.

La sobreexpresión de Cry también afecta las respuestas a la luz circadiana. En Drosophila , la sobreexpresión de Cry aumenta la sensibilidad de las moscas a la luz de baja intensidad. Esta ligera regulación de los niveles de proteína CRY sugiere que CRY tiene un papel circadiano corriente arriba de otros genes y componentes del reloj.

En mamíferos

El criptocromo es uno de los cuatro grupos de genes / proteínas de reloj de mamíferos que generan un bucle de retroalimentación negativa de transcripción-traducción (TTFL), junto con Period (PER) , CLOCK y BMAL1. En este bucle, las proteínas CLOCK y BMAL1 son activadores de la transcripción , que juntos se unen a los promotores de los genes Cry y Per y activan su transcripción. Las proteínas CRY y PER luego se unen entre sí, ingresan al núcleo e inhiben la transcripción activada por CLOCK-BMAL1.

En ratones, la expresión de Cry1 muestra ritmos circadianos en el núcleo supraquiasmático , una región del cerebro involucrada en la generación de ritmos circadianos, con niveles de ARNm que alcanzan su punto máximo durante la fase de luz y alcanzan un mínimo en la oscuridad. Estas oscilaciones diarias de expresión se mantienen en una oscuridad constante.

Si bien CRY ha sido bien establecido como un homólogo de TIM en mamíferos, el papel de CRY como fotorreceptor en mamíferos ha sido controvertido. Los primeros artículos indicaron que CRY tiene funciones tanto independientes como dependientes de la luz. Un estudio en 2000 indicó que los ratones sin rodopsina pero con criptocromo todavía responden a la luz; sin embargo, en ratones sin rodopsina ni criptocromo, la transcripción de c-Fos , un mediador de la sensibilidad a la luz, desciende significativamente. En los últimos años, los datos han apoyado a la melanopsina como el principal fotorreceptor circadiano, en particular las células de melanopsina que median el arrastre y la comunicación entre el ojo y el núcleo supraquiasmático (SCN). Una de las principales dificultades para confirmar o negar a CRY como fotorreceptor de mamíferos es que cuando el gen es eliminado, el animal se vuelve arrítmico, por lo que es difícil medir su capacidad como puramente un fotorreceptor. Sin embargo, algunos estudios recientes indican que el CRY humano puede mediar la respuesta a la luz en los tejidos periféricos.

El ritmo circadiano normal de los mamíferos se basa fundamentalmente en la expresión retardada de Cry1 tras la activación del promotor Cry1 . Mientras que los ritmos en la activación del promotor Per2 y los niveles de ARNm de Per2 tienen casi la misma fase, la producción de ARNm de Cry1 se retrasa aproximadamente cuatro horas en relación con la activación del promotor de Cry1 . Este retraso es independiente de los niveles de CRY1 o CRY2 y está mediado por una combinación de elementos E / E'-box y D-box en el promotor y elementos de unión de RevErbA / ROR (RRE) en el primer intrón del gen. La transfección de células arrítmicas Cry1 - / - Cry2 - / - doble knockout con solo el promotor Cry1 (que causa la expresión constitutiva de Cry1 ) no es suficiente para rescatar la ritmicidad. Se requiere la transfección de estas células tanto con el promotor como con el primer intrón para restaurar los ritmos circadianos en estas células.

Magnetorecepción

Artículo principal: Magnetorecepción

La magnetorrecepción es un sentido que permite a un organismo detectar un campo magnético para percibir la dirección, altitud o ubicación. Los datos experimentales sugieren que los criptocromos en las neuronas fotorreceptoras de los ojos de las aves están involucrados en la orientación magnética durante la migración . También se cree que los criptocromos son esenciales para la capacidad de Drosophila, dependiente de la luz, de detectar campos magnéticos . Una vez se informó que los campos magnéticos afectaban a los criptocromos también en las plantas de Arabidopsis thaliana : el comportamiento de crecimiento parecía verse afectado por los campos magnéticos en presencia de luz azul (pero no roja). Sin embargo, estos resultados luego resultaron ser irreproducibles bajo condiciones estrictamente controladas en otro laboratorio, lo que sugiere que los criptocromos de las plantas no responden a los campos magnéticos.

El criptocromo forma un par de radicales con giros correlacionados cuando se expone a la luz azul. Los pares de radicales también se pueden generar mediante la reoxidación oscura independiente de la luz del cofactor de flavina por el oxígeno molecular a través de la formación de pares de radicales superóxido-FADH correlacionados con el espín. Se plantea la hipótesis de que la magnetorrecepción funciona a través del efecto del campo magnético circundante sobre la correlación (paralela o antiparalela) de estos radicales, lo que afecta la vida útil de la forma activada de criptocromo. La activación del criptocromo puede afectar la sensibilidad a la luz de las neuronas de la retina , con el resultado general de que el animal puede sentir el campo magnético. Los criptocromos animales y las fotoliasas animales estrechamente relacionadas (6-4) contienen una cadena más larga de triptófanos que transfieren electrones que otras proteínas de la superfamilia de la criptocromo-fotoliasa (una tétrada de triptófano en lugar de una tríada). La cadena más larga conduce a una mejor separación y vidas 1000 veces más largas de los pares de radicales flavina-triptófano fotoinducidos que en proteínas con una tríada de triptófanos. La ausencia de recombinación selectiva de espín de estos pares de radicales en escalas de tiempo de nanosegundos a microsegundos parece ser incompatible con la sugerencia de que la magnetorrecepción por criptocromos se basa en la reacción de luz directa.

Referencias

enlaces externos