Journal of Circadian Rhythms, 2005; 3: 7-7 (más artículos en esta revista)

Evolución de la orden temporal en los organismos vivos

BioMed Central
Dhanashree A Paranjpe (dap@jncasr.ac.in) [1], Vijay Kumar Sharma (vsharma@jncasr.ac.in) [1]
[1] Laboratorio de Cronobiología, Biología Evolutiva y Organismal Dependencia, Jawaharlal Nehru Centro de Investigación Científica Avanzada, Jakkur, PO Box 6436, Bangalore 560064, Karnataka, India

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Resumen

Relojes circadianos se cree que han evolucionado en paralelo con la historia geológica de la tierra, y desde entonces se han ajustado en virtud de las presiones de selección impuestas por factores cíclicos en el medio ambiente. Estos relojes regulan una amplia variedad de procesos metabólicos y de comportamiento en muchas formas de vida. Mejoran la condición física de los organismos mediante la mejora de su capacidad de anticipar eventos periódicos de manera eficiente en sus ambientes externos, en especial los cambios periódicos en la luz, la temperatura y la humedad. Relojes circadianos proporcionar fitness ventaja incluso a los organismos que viven bajo condiciones constantes, como las que prevalecen en la profundidad de los océanos o en cuevas subterráneas, tal vez mediante la coordinación de varios procesos metabólicos en el medio interno. Aunque la cuestión de significado adaptativo de los ritmos circadianos siempre ha sido central para la biología circadiana de investigación, nunca ha sido objeto de sistemático y riguroso de validación empírica. Algunos estudios realizados en animales de vida libre y en condiciones de campo simuladas periódico y aperiódica de las condiciones de laboratorio sugieren que los ritmos circadianos son de valor adaptativo a sus propietarios. Sin embargo, la mayoría de estos estudios adolecen de una serie de inconvenientes como la falta de población a nivel de replicación, la falta de verdaderos controles y la falta de un control adecuado sobre la composición genética de las poblaciones, que en muchos sentidos limita el potencial de conocimientos obtenidos de los estudios . La presente revisión es un esfuerzo en discutir críticamente los estudios que directa o indirectamente afectan a la cuestión del significado adaptativo de los ritmos circadianos y poner de relieve algunas deficiencias que deben evitarse mientras que el diseño de futuros experimentos.

Introducción

La rotación del planeta alrededor de su eje, causas previsibles cambios en el ambiente geofísico, proporcionando de organismos con opciones adecuadas para ocupar espacio-temporales nichos. La mayoría de los organismos colocarse adecuadamente en esos nichos utilizando momento preciso de mantenimiento de mecanismo (s) que pueden medir el paso del tiempo en una escala de aproximadamente 24 horas (y, por tanto, son conocidos como los relojes circadianos) [1]. Extensos estudios durante los últimos cincuenta años sobre una amplia gama de organismos han puesto de manifiesto algunas de las características únicas de estos dispositivos de cronometraje que los distinguen de otros relojes biológicos. Algunas de ellas se resumen a continuación: circadianos (circa = aproximadamente; muere = un día) relojes (i) tienen un inherente cerca de la periodicidad-24 h, (ii) estén protegidos de los cambios de temperatura, el pH y la nutrición, dentro de los límites permisibles fisiológicamente , Y (iii) se puede ajustar a oscilar con exactamente 24 h período - una propiedad clave de los relojes circadianos conocido como arrastre, que permite a los organismos vivos para realizar un seguimiento del tiempo en su entorno local. Estos relojes son muy abundantes y se encuentran en diversos niveles de organización y complejidad, lo que sugiere que se debe proporcionar ventaja adaptativa a sus propietarios. Relojes circadianos mejorar la innata capacidad de los organismos para sobrevivir en entornos cada vez más cambiantes por lo que les permite anticipar de manera eficiente eventos periódicos tales como disponibilidad de alimentos, la luz y compañeros [1 - 6]. Por tanto, no es demasiado sorprendente que una amplia variedad de organismos, como bacterias, hongos, peces, anfibios, reptiles, insectos, mamíferos, incluidos los seres humanos, así como las plantas son capaces de medir el tiempo en una escala de 24 horas. Se cree que los relojes circadianos se han desarrollado en virtud de las presiones de selección que comprende periódico de los ciclos bióticos y abióticos del medio ambiente, que actúan sobre estos relojes en el marco del estado arrastrado. Como resultado de ello, precisamente, el tiempo de las actividades rítmicas conferir una mayor ventaja de adaptación frente a las actividades que ocurren al azar, y, a su vez, esos relojes que permiten a los organismos el mantenimiento de estas fases (hora del día) son elegidos por [2, 7]. Por lo tanto, el libre funcionamiento de los fenotipos de los relojes circadianos se consideran un resultado evolutivo de la selección natural sobre arrastrado relojes [4]. Aunque los relojes circadianos se cree que han surgido como resultado de la evolución de adaptación bajo entornos periódico, prácticamente no ha habido riguroso y concluyente estudio empírico para apoyar este [2].

De hora en ambientes fluctuantes

Relojes circadianos reglamentar una serie de comportamientos clave en una amplia variedad de organismos. Por ejemplo, la mayoría de los insectos surgen como los adultos de su envoltura pupal (un acto conocido como la eclosión) cerca de "amanecer", cuando la humedad es mayor en el medio ambiente [8 - 10]. Se cree que por el momento la eclosión de las primeras horas del día, los insectos y evitar la desecación, aumentando así su capacidad para sobrevivir [11]. Relojes circadianos también ayudar a los organismos a restringir su actividad a especies específicas de la hora del día, lo que les permite encontrar alimento y compañeros, escapar de los depredadores, y evitar que la competencia entre especies simpátricas. Por ejemplo, en Drosophila parasitoides, los picos de actividad de las diferentes especies se producen en diferentes momentos del día, lo que reduce significativamente intrínsecas de desventaja competitiva para el competidor inferior, y en los temporales de particionado se consigue, al menos parcialmente, con la ayuda de los relojes circadianos [12]. Proximal ventajas de la posesión de relojes circadianos también han sido evaluadas en unos pocos estudios en otros animales. En un estudio sobre araos (Uria lomvia), un mayor porcentaje de volantones de saltar fuera de sus nidos en las especies no-específica veces cayó en manos de las gaviotas frente a los saltos durante especie momentos del día [13]. Así pues, el momento de saltar la actividad de la noche, en sincronía con otros menores dado lugar a una mayor probabilidad de supervivencia en los jóvenes [14]. En las ardillas de tierra que viven en la naturaleza, basada en el hipotálamo reloj circadiano - suprachiasmatic el núcleo (SCN) - Se ha demostrado que desempeñan un papel importante en la supervivencia. En condiciones de laboratorio, SNC-ablated animales sobrevivieron a la misma así como los controles [15], pero el SCN-ablated animales rápidamente cayó en manos de los gatos cuando se libera en un recinto semi-naturales [16] (Figura 1A]. Esto sugiere que los relojes funcional puede no ser esencial para la supervivencia en condiciones controladas, pero podría llegar a ser crucial en virtud de los ambientes naturales. Posteriormente, en una maratón de estudio de campo sobre la vida libre chipmunks, Tamias striatus, DeCoursey y compañeros de trabajo [17] demostraron que la reducción en la supervivencia de la SCN-ablated animales (Figura 1B] se debió al aumento de la depredación, quizás debido a una mayor inquietud la noche.

Relojes circadianos son también importantes para los insectos sociales como las abejas y hormigas. Colonias de insectos sociales normalmente se enfrenta a desafíos como el cambio de tamaño de la colonia, época del año, la disponibilidad de alimentos, la depredación y la presión cambio de las condiciones climáticas. La supervivencia de estas colonias en las exigentes condiciones requiere una serie de tareas que deben realizarse de forma simultanea. Estos insectos parecen haber evolucionado la división del trabajo, un acuerdo que, además de mejorar la eficiencia de la tarea de gestión, promueve la evolución biológica de la complejidad y la diversidad [18]. En una serie de experimentos, Robinson y compañeros de trabajo bastante demostrado de forma convincente que los insectos sociales relojes circadianos uso para la gestión de la división del trabajo [19]. En la colonia de abejas en el de Asia, Apis mellifera, los jóvenes trabajadores (personal de enfermería) para realizar tareas que pueden clasificarse como "enfermería" prácticamente todo el día sin tener ningún resto [20], mientras que las abejas de más edad (forrajeros) visita flores para recoger el polen Y néctar de forma rítmica en un tiempo bien desarrollado por los relojes circadianos [21]. Parece que las abejas uso circadiano plasticidad a la altura de comportamiento dependiente de la edad de desarrollo, un fenómeno conocido comúnmente como la edad politeísmo [22, 23]. En algunas especies de hormigas, los machos y reinas vírgenes mate durante los vuelos nupciales, que se producen en una especie de tiempo de la jornada, durante la temporada de apareamiento [24, 25]. Virgen reinas y los machos a utilizar relojes circadianos tiempo de vuelo de apareamiento con el fin de encontrar socios de apareamiento de las colonias vecinas [24, 25]. En las especies de hormigas Camponotus compressus, reinas vírgenes y los hombres utilizan relojes circadianos a su vez por el mantenimiento de los vuelos de apareamiento adecuado fase cíclica relación con el entorno, tal vez de facilitar las transacciones entre las colonias de cría y evitar el apareamiento entre las especies [26 - 28]. El trabajador castas de esta especie, es decir, las principales empresas y medios de comunicación, también usan relojes circadianos a tiempo de su día a día repertorio. Forrajeros disponen de relojes circadianos, mientras que los soldados de guardia el nido en el momento en que no muestren signos evidentes de la ritmicidad. Los medios de comunicación son los trabajadores de tareas generalistas. Se encuentran a cazar la mayor parte del tiempo o se limitan a sus colonias teniendo cuidado de la reina y de su camada. Los patrones de actividad de los empleados de los medios de conmutación de diurno a nocturno, y el reloj de período pasó de menos de 24 h superior a 24 h, y viceversa, lo que sugiere que están implicados en el trabajo por turnos en sus colonias. Al mismo tiempo, la actividad de los trabajadores de menor arrastrado a LD ni ciclos ni mostró ningún signo de la libertad de gestión en régimen de DD, que coincide así con su papel de las enfermeras. Por lo tanto, los patrones de actividad de diferentes castas de la hormiga especies C. Compressus parece que se correlacionan bien con las tareas que se les asignan en sus colonias [26].

Las aves migratorias utilizan relojes circadianos para realizar un seguimiento de rápida evolución fotoperíodo con el fin de navegar en un determinado momento del año a un clima más favorable [1]. Del mismo modo, hibernado mamíferos uso relojes circadianos en sus preparativos para entrar en hibernación [1]. En un estudio reciente se informó de que las mariposas monarca, Danaus plexippus, realizar vuelos migratorios cada otoño desde el noreste de América a lo largo de su invernación en el centro de Mexico [29]. Los autores demostraron que los relojes circadianos desempeñar un papel fundamental en el tiempo de compensación de navegación migratorias de las mariposas monarca en vuelo [30]. Starlings uso circadiano Europea para compensar a los relojes para el cambio de posición del sol en los viajes de larga distancia [31]. De igual manera, de oro-mantled de hibernación de las ardillas entrar en el otoño cuando el día comienza a acortar la duración y la temperatura media diaria empieza a disminuir [1]. Estos animales utilizan relojes circadianos para medir longitudes días a fin de prepararse para la hibernación en un momento adecuado del año. En promedio, hibernación dura unos 7 meses con periódico toque de episodios para mantener el cerebro y el riñón funciona a través de largos inviernos. Estos toque de episodios están regulados en parte por los relojes circadianos [1], como SNC-ablación causado cambios en la duración del toque de episodios y la duración de la hibernación [15, 32]. Por lo tanto, la regularidad del toque de episodios parece ser indispensable, incluso bajo condiciones de hibernación de racionamiento de suministro de grasa limitados a la última para todo el invierno, como toque de episodios están asociados con temblores musculares y son metabólicamente costosos [1]. Por lo tanto, se desprende de los estudios mencionados relojes circadianos que son esenciales para los organismos en el mantenimiento de nichos temporales apropiadas en sus entornos ecológicos y temporal. Estudios anteriores sugieren que los relojes circadianos proporcionar proximal ventaja a sus propietarios, pero en ningún caso sirven para hacer hincapié en que estos temporizadores tiene alguna ventaja selectiva final.

Reloj fidelidad

La cuestión de arrastre y sus consecuencias en la selección temporal de nicho central se ha mantenido al ritmo circadiano de investigación desde su creación. Se cree que la selección natural actúa en la etapa de relación entre el ritmo biológico y ambiental del ciclo, que se define como el intervalo de tiempo entre una fase determinada del ritmo biológico y de una previsible fase del ciclo del medio ambiente. Por lo tanto, el mantenimiento del momento preciso de las actividades metabólicas y de comportamiento debe ser una de las funciones esenciales de la mayoría de los relojes circadianos, sobre todo para los organismos que viven en ambientes naturales, donde la luz, la temperatura, la humedad, los alimentos, los depredadores y los competidores fluctuar con el tiempo del día. Cómo Do organismos que viven en ambientes aparentemente atemporal, como cuevas, madrigueras y acogedores apartamentos de saber qué hora es en el entorno local? Aunque, no existe una clara respuesta a esta pregunta existe todavía, se cree que lo hacen mediante la sincronización de sus relojes circadianos con la ayuda Fiables tiempo de las señales que en su entorno externo [7, 33 - 35]. Arrastre de relojes circadianos en gran medida depende de dos características principales: la curva de respuesta de fase (PRC), y tengan libertad de movimientos, período (τ) [7, 34 - 36]. El período libre de funcionamiento se considera como un invariante de propiedad, ya que se supone que siguen siendo los mismos en todo el proceso de arrastre [35, 37]. Sin embargo, los estudios sobre una amplia gama de organismos han puesto de manifiesto que los relojes circadianos de τ no es un invariante de propiedad, sino que varía en respuesta a diferentes condiciones ambientales, que reflejan a menudo los efectos residuales de la experiencia previa del medio ambiente en general a que se hace referencia como "efectos secundarios" [ 38 - 42]. Por ejemplo, los ratones expuestos a los ciclos LD seguir exposición rítmica actividad locomotora en DD con τ acercan a los de los ciclos LD experimentado anteriormente, por alrededor de 100 días [33]. Tales efectos secundarios pueden ser de importancia funcional, ya que podría ayudar a los organismos a mantener una relación estable con la fase de los ciclos ambientales, incluso cuando ambiental LD ciclos son perturbados debido a la nubosidad o cambios de comportamiento [33, 36, 43, 44] . Por lo tanto, parece que los relojes circadianos se han desarrollado una serie de mecanismos para mejorar su estabilidad en entornos cada vez más fluctuante, que a su vez el organismo podría aumentar las posibilidades de supervivencia del medio natural en virtud de [34, 35].

Citas relojes

Si bien la próxima final, así como fuerzas motrices de la evolución de los relojes circadianos siguen siendo en gran medida desconocido, mucho se ha especulado sobre cuándo podría tener relojes biológicos y apareció por primera vez acerca de lo que podría haber sido la primera selección presiones que podrían haber actuado en la primera relojes biológicos [45, 46]. Se creía que los relojes circadianos fueron una característica de la organización eucarióticas, y que las 24 h los relojes sería de ninguna ventaja a los procariotas, cuyo número doble cada pocas horas [5]. También se cree que la organización celular de procariotas era demasiado simple para dar cabida a complejos mecanismos que se requieren para regular los ritmos circadianos. Sin embargo, no es más una hipótesis, sino un hecho de que, aun primitivos organismos unicelulares como las cianobacterias casa de la maquinaria del reloj circadiano funcional [5]. Este hallazgo, por lo que empujó de nuevo el origen de los relojes circadianos por varios cientos de millones de años, y ahora se cree que los relojes circadianos pueden haber aparecido en la tierra junto con las formas primitivas de vida [46].

Relojes circadianos en cianobacterias son regulados por un grupo de tres Kai (reloj) genes - KaiA, KaiB y KaiC [47]. Usando datos de la secuencia de estos genes de los genomas de varios procariótico, Dvornyk y compañeros de trabajo [48] Kai demostrado que los genes y sus homólogos tienen muy diferentes historias evolutivas. El KaiC gen también se encuentra en Archaea y Proteobacteria [48], y entre los tres genes Kai, KaiC evolutivamente es la más antigua. El origen de la Kai grupo de genes que parece ser uno de los eventos clave en la historia evolutiva de las cianobacterias - una de las más primitivas formas de vida sobre la tierra. Sobre la base de la información genómica, los autores sostuvieron que los relojes circadianos han evolucionado en paralelo con la historia geológica de la tierra, y la selección natural, múltiples traslados laterales, duplicaciones de genes y los genes pérdidas se encuentran entre los principales factores que perfeccionó su evolución [48]. También es posible que varias características de los relojes circadianos se han desarrollado en diferentes organismos, independientemente uno del otro y de cualquier similitud entre ambos podría ser el resultado de la evolución convergente [49].

También es posible que ahora los genes involucrados en la maquinaria del reloj anteriormente realizado totalmente diferentes funciones y fueron posteriormente modificadas apropiadamente para ser incorporados en el reloj de la maquinaria debido a la evolución de las necesidades de los organismos de cara a la selección de las fuerzas cíclicas. Por ejemplo, Cryptochrome - la luz azul sensibles photopigment utilizados para photoreception circadiano en Drosophila y plantas - Se ha demostrado que la exposición a la sorprendente similitud bacteriana photolyase, una enzima implicada en la luz dependen de la reparación del ADN [51, 52], lo que sugiere que el gen Cry Inicialmente se desempeñó como un actor clave en otra función celular (s), y podría haber sido incorporado como parte de la maquinaria de reloj en una etapa muy posterior. Independientemente de las opiniones acerca de la finalidad original de relojes circadianos, existe una creencia general entre los biólogos circadiano relojes circadianos que evolucionó bajo la influencia de factores cíclicos, como la luz, la temperatura y la humedad como principales fuerzas de la selección. En algún momento posterior, las actividades rítmicas de presa, los depredadores y los competidores podrían haber proporcionado las presiones adicionales para su selección de ajuste [46, 53, 54].

Varias hipótesis se han propuesto para explicar la aparición de los relojes circadianos en este planeta. Pittendrigh cree que los ritmos circadianos ha evolucionado bajo la presión de selección ambiental presentado por LD ciclos, en el que los procesos de photophobic se limita a la oscuridad y photophilic procesos a la luz [4]. Así, de acuerdo con Pittendrigh la "fuga-de-luz" hipótesis, los ritmos circadianos evolucionado para proteger a los organismos de foto-oxidativa deletéreos efectos del medio ambiente, ayudándolas a reprogramar las reacciones sensibles a la luz durante la noche [4, 46, 50]. Por ejemplo, en las cianobacterias, los principales procesos metabólicos, tales como el oxígeno de la evolución de la fotosíntesis y el oxígeno sensibles a la fijación de nitrógeno tiene que ser separados en el espacio y / o en el tiempo. Algunos grupos de cianobacterias se han desarrollado estructuras especiales llamados heterocysts para la fijación de nitrógeno, por lo tanto, permite la segregación espacial de los dos procesos incompatibles, mientras que en cianobacterias nonheterocyst tal segregación se logra mediante la programación de los dos procesos en diferentes momentos del día [55, 56]. Para probar la validez de la "fuga de la luz" hipótesis, Nikaido y compañeros de trabajo [57] realizó experimentos con alga unicelular Chlamydomonas reinhardtii. La supervivencia de las células de C. Reinhardtii se midió después de la exposición a la radiación UV en diferentes momentos del día. Los resultados sugieren que las células son más sensibles a la radiación UV la noche, cuando el componente ultravioleta de la radiación solar es normalmente atenuada. Esto sugiere que el sistema circadiano momento en C. Reinhardtii ha evolucionado a tiempo crucial sensible a la luz, tales como los procesos de la división celular durante la última parte del día o en la primera parte de la noche para evitar los efectos nocivos de la radiación ultravioleta [57].

Conservadas relojes

Amplia estudios genéticos y moleculares en los tres últimos decenios del modelo de organismos como las bacterias, los hongos, las moscas de la fruta y ratones han proporcionado a fondo la comprensión de los mecanismos moleculares subyacentes a los relojes circadianos. Aunque los detalles moleculares de los agentes de la maquinaria del reloj parecen ser diferentes en muchos organismos, sus funciones llevar notable grado de similitud entre los taxones [58] (Figuras 2, 3, 4, 5]. Los mecanismos moleculares subyacentes a la participación de múltiples circuitos de retroalimentación que comprenden de los genes cuyas transcripciones y / o proteína de los productos oscilan con cerca de 24 h periodicidad [59 - 61]. Los elementos positivos en el reloj molecular son activadores transcripcional de uno o más genes con el ADN de reloj vinculante bHLH (básica Helix-Loop-Helix) motivos. Estos activadores mejorar la transcripción de los genes del reloj por medio de la unión específica a la E-box secuencias de promotor en la región de los genes reloj. Esto se traduce en la abundancia de las transcripciones, que luego se traduce en un rendimiento de las proteínas de reloj. La proteína forma heterodimers productos interactuando a través de un PAS (PER-ARNT-SIM) de dominio, y, posteriormente, se fosforilados en el citoplasma por quinasas específicas, después de lo cual entrar en el núcleo. Algunos heterodimers actuar como elementos negativos en los circuitos de retroalimentación, ya que su carácter vinculante trae cambios conformacionales de la estructura de la proteína transcripcional activadores, de una manera que ya no pueden obligar a la región promotora de los genes reloj, inhibiendo su transcripción. Los elementos positivos del bucle también activar la transcripción de algunos genes controlados por reloj (ccgs), que manifiesta ritmicidad de control, directa o indirectamente, a través de mecanismos aún desconocidos. Los circuitos de retroalimentación molecular están interconectados de tal manera que la proteína heterodimer actuar como activador transcripcional en un bucle puede inhibir la transcripción de los genes reloj en el otro bucle. Esos componentes moleculares de los bucles, que desempeñan la doble función en el núcleo mecanismos de reloj, son especialmente importantes para la auto-sostenido oscilaciones moleculares. El ADN vinculante bHLH dominio [59, 62] y la interacción proteína-proteína PAS dominio son altamente conservadas en organismos que van desde las cianobacterias a los mamíferos [63]. El KaiA proteína en cianobacterias [47] (Figura 2], en CMI Neurospora (Figura 3], CLK / CYC en Drosophila (Figura 4], y en CLOCK/BMAL1 ratón (Figura 5] actuar como activadores de transcripción, de los cuales todos excepto KaiA son activadores heterodimeric transcripcional. Los elementos negativos como KaiC proteína en Synechococcus, FRQ en Neurospora, PER / TIM en Drosophila y PER1, PER2, CRY1, CRY2 ratón en el bloque de su propia transcripción de la interacción con activadores transcripcional. Además, el CMI en Neurospora, CLK / CYC en Drosophila y CLK / BMAL1 en ratón son algunos de los elementos clave que desempeñan la doble función; transcripcional como activadores en un bucle de inhibidores de transcripción y en el otro (Figuras 2, 3, 4, 5 ). Además, en muchos organismos genes implicados en las vías de entrada de la luz también están involucrados en los mecanismos básicos de reloj [51]. La función básica del reloj molecular tiene notable similitud en una amplia gama de organismos. Además de alto grado de similitud funcional entre los relojes moleculares, existe también un considerable grado de semejanza estructural entre el reloj genes de los insectos y los mamíferos. El reloj (clk) y doubletime (dbt) en Drosophila los genes y de los mamíferos tienen considerable homología de secuencia y tienen similares funciones en los respectivos organismos [64, 65]. Por homólogos del gen se ha informado en varias especies de Drosophila [66], y una serie de otras especies de insectos como housefly (Musca domestica) [67] y de las abejas melíferas (Apis mellifera) [22]. Orthologs de per se han especificado en el sistema de mamíferos y más recientemente en Zebrafish [68]. Además, la photopigment cryptochrome que participan en las vías de entrada de la luz de los relojes circadianos en las moscas de la fruta se ha considerado que tienen notables similitudes estructurales y funcionales a los de los mamíferos y las plantas [51].

Aunque el general de los mecanismos moleculares que subyacen en los relojes circadianos distintos organismos están en gran medida conservados, también hay sutiles diferencias. Por ejemplo, en Drosophila, mRNA y los niveles de proteína de ciclo (cyc), que forma una parte importante del activador transcripcional CLK / CYC, no varían, mientras que, dClk mRNA, así como los niveles de proteína muestran oscilaciones sólido [60]. En los mamíferos, el nivel de proteína no CLK oscilan, pero es prominente BMAL1 rítmica [60]. Por otra parte, en Drosophila, CRY actúa como un photopigment y como un componente importante de los principales mecanismos de reloj en la relojes periféricos [69]. En el momento en el sistema circadiano de mamíferos, CRY es sólo una parte de los mecanismos moleculares básicos, la posibilidad de su papel en la percepción de la luz se ha descartado [58]. Además, en contraste con la Drosophila reloj molecular, que consta de un solo grito y una por gen, el reloj molecular de mamíferos consta de dos genes Cry (mCry1 y mCry2) y tres por los genes (mPer1, mPer2 y mPer3) [58]. Mecanismos moleculares que regulan los relojes circadianos en Chlamydomonas reinhardtii se han notificado a ser totalmente diferente. Amplia búsqueda de posibles homólogos a los genes que se sabe que codifican componentes del reloj circadiano en otros organismos, ha revelado que no existen evidentes homólogos en la C. Reinhardtii genoma, con la excepción de las quinasas y fosfatasas que participan en el reloj molecular [70]. Las quinasas y fosfatasas en hongos, plantas, moscas, mamíferos y C. Reinhardtii son altamente conservados, y parece que desempeñan un papel clave en los mecanismos de reloj. Uno de los dos CRY proteínas encontradas en C. Reinhardtii está estrechamente relacionado con CRYs planta, mientras que la otra es más similar a los animales CRYs. Ya que no se conoce ningún homólogos de los genes reloj en C. Reinhardtii, es posible que el alga verde podría acoger nuevos mecanismos de reloj que participaron unos nuevos componentes básicos de reloj [70]. Salvo algunas excepciones como las de Chlamydomonas sistema circadiano momento, el conjunto de mecanismos moleculares subyacentes a las vías de entrada de luz, el ritmo y la generación de mecanismos básicos ritmo mecanismos de transducción de señales que envían rítmica eferentes a los órganos oso sorprendentes similitudes estructurales y funcionales en los organismos que van desde las cianobacterias a los mamíferos . Habida cuenta de que el comportamiento y los procesos metabólicos regulados por relojes circadianos son tan diversas, es asombroso que los mecanismos moleculares subyacentes que dan lugar a estas variedades rítmicas de los fenómenos son tan similares a través de una amplia gama de taxa.

Reloj para todas las estaciones

Organismos que viven en las regiones templadas están expuestos a cambios drásticos en la temperatura y el fotoperíodo. Relojes circadianos se cree que desempeñan un papel importante en estas situaciones exigentes [71]. Estudios en varias cepas de D. Littoralis procedentes de una amplia gama de lugares geográficos en diferentes latitudes pusieron de manifiesto una leve tendencia latitudinal en la fase y el período de eclosión ritmo [72]. El norte de las cepas había un período más corto, y antes de la fase de eclosión en comparación con el sur de las cepas [72]. Similar latitudinal clines para la fase y la amplitud de la eclosión ritmo También se informó en el D. Auraria [71]. Dado que la amplitud del ritmo circadiano responde a los cambios en el fotoperíodo y la temperatura, se llegó a la conclusión de que estos insectos utilizan relojes circadianos sentido a los cambios estacionales en su medio ambiente [73]. Por otra parte, cincuenta y siete poblaciones europeas de D. Littoralis mostró latitudinal cline diapausa para adultos, donde el norte de la población respondió a las críticas ya que el fotoperíodo sur de la población [72]. Más tarde, en un estudio separado, los patrones clinal en threonine-glicina (Gly-Thr) se repite en el período informado en el lugar de Europa y el norte de África cepas de D. [74] melanogaster y D. Simulans [75]. El norte de las cepas mostró mayor frecuencia de (Gly-Thr) 17 en comparación con el sur de las cepas, mientras que la frecuencia de (Gly-Thr) 20 fue mayor en el sur de las cepas que en el norte de las cepas [74, 75]. Otros estudios sobre el ritmo de actividad locomotora en esas poblaciones a los 18 ° C y 29 ° C reveló que de los relojes circadianos (Gly-Thr) 20 variantes tenido la más eficiente capacidad de compensación de temperatura, mientras que este no era el caso de la (Thr - Gly) 17 variantes, ya que mostró período acortar a temperaturas más bajas [76]. Desde variación clinal en la etapa y en el período de estas cepas parecen haber surgido como resultado de la selección natural, la presencia de tales latitudinal clines puede tomarse como una prueba indirecta de la evolución de adaptación de los relojes circadianos [71, 72].

Relojes para el nacimiento y la muerte

La hipótesis de que los relojes circadianos influencia rasgos de aptitud ha sido la base de varios estudios destinados a abordar significado adaptativo de los ritmos circadianos. En general, se cree que más rápido relojes acelerar el desarrollo y la reducción de la causa de vida, mientras que los relojes más lento el desarrollo más lento y prolongar la vida útil [77 - 80]. Varios estudios se han llevado a cabo en una gran variedad de organismos para investigar posibles vínculos entre los relojes circadianos y rasgos de historia de vida, tales como la validez de los adultos y el tiempo de desarrollo de vida de adultos. En un amplio estudio sobre los mutantes de por D. Melanogaster, que muestran los ritmos circadianos con muy diferentes períodos, pre-adulta se midió el tiempo de desarrollo continuo bajo luz débil (LL), muy brillante luz continua (VLL), la oscuridad continua (DD), luz-oscuridad (LD), de 12 ciclos: 12 h, 12:12 h y LD superpuestas con los ciclos de temperatura (T LD 12:12). En virtud de todos los regímenes de luz, por el tiempo de desarrollo de mutantes se correlacionó positivamente con la τ de sus relojes circadianos, es decir, mutantes por S (τ = 19 h) desarrollado más rápido que las moscas de tipo salvaje (τ = 24 h), que a su vez desarrollado más rápido que el L por mutantes (τ = 28 h) [77]. Una correlación positiva entre el desarrollo y el tiempo de reloj período fue visto incluso en la ausencia de ritmicidad en virtud de la abierta LL régimen y también arrastrado bajo condiciones como las que prevalecían en virtud LD ciclos, lo que sugiere que la mutación tiene por efectos pleiotrópicos sobre circadiano fenotipo y pre-adultos El tiempo de desarrollo. En un estudio reciente en D. Melanogaster, pre-diseñadas para eludir tales efectos pleiotrópicos, reloj período de tiempo y de desarrollo se correlacionó positivamente (más rápido eclosión ritmo se asoció con un desarrollo más rápido y más lento oscilaciones con un desarrollo más lento), lo que sugiere una posible función de la periodicidad de los ciclos de LD y / o De la eclosión del ritmo en la determinación de la duración de la validez de los adultos de desarrollo [80]. En otro estudio sobre la mosca del melón (Bactrocera cucurbitae), que consiste en la selección de más rápido y más lento el desarrollo pre-adulto, más rápido el desarrollo de líneas de relojes circadianos había más rápido, más lento que el desarrollo de las líneas había más lento relojes circadianos [81]. El momento de comportamientos tales como locomoción y preening fue desplazado significativamente anteriores a las horas del día en las líneas de desarrollo más rápido en comparación con las líneas de desarrollo más lento. El apareamiento en los picos de más rápido desarrollo de las líneas se produjo cerca a la noche mientras la mayoría de las moscas de las líneas de desarrollo más lento acoplada durante la noche [82]. El período de actividad locomotora ritmo fue más corto (τ ~ 22,6 h) en las líneas de desarrollo más rápido y más largo (τ ~ 30,9 h) en el lento desarrollo de las líneas [83]. Aunque, la mayoría de los estudios sugieren un papel de los relojes circadianos en el calendario pre-adulta desarrollo, la solidez de esa conclusión se ve limitada por el hecho de que la asociación entre el tiempo de desarrollo y relojes circadianos en algunos de los estudios muestra muy poco efecto de la luz, lo que sugiere pleiotrópica Por efectos de la mutación.

En un estudio sobre la mutante tau hámsters, heterocigotos (τ ~ 22 h) en virtud de los animales de laboratorio LD (14:10 h) los ciclos de vida más corta que los animales de tipo salvaje (τ ~ 24 h), pero la media de vida de los animales homocigotos (τ ~ 20 h) no difieren de las del tipo de animales silvestres [78]. Contradictorios resultados se obtuvieron en un estudio similar realizado en constante oscuridad (DD) condiciones, en el que vivían los animales homocigotos significativamente más tiempo que los controles de tipo salvaje, en tanto que la media de vida de los animales heterocigotas no difieren de los de los controles de tipo salvaje [79]. Estas diferencias en los resultados pueden deberse al hecho de que los dos estudios se realizaron bajo diferentes condiciones ambientales, y los factores ambientales son conocidos para modificar los resultados de tales estudios [77, 78, 84]. En otro estudio en moscas de la fruta (Drosophila melanogaster), la importancia de los relojes circadianos en el bienestar fisiológico ha sido investigado en detalle. La vida útil de por T (corto período mutante, τ = 16 h), y por L (largo período mutante, τ = 29 h) mutantes se redujo considerablemente en comparación con por + (tipo silvestre, τ = 24 h) vuela, incluso cuando Las moscas se mantuvieron bajo LD ciclos con periodicidad más cerca de la periodicidad endógena de la mutante líneas [85]. Los estudios antes mencionados sirven para hacer hincapié en que la vida de D. Melanogaster no está regulada por el período de reloj, sino que más bien está determinado por el genotipo de las moscas, lo que sugiere pleiotrópicos por efecto de la mutación sobre el período de reloj y la esperanza de vida. El papel de los relojes circadianos en la determinación de características de historia de vida es probable que sea importante para la evolución adaptativa de los organismos, especialmente bajo ambientes de periódico. Prueba de que se trata, al menos, ofrece muy sugerente, si no concluyente, la evidencia de que los relojes circadianos de control de los principales características de historia de vida. También plantean la posibilidad de que algunos respuesta evolutiva de características de historia de vida a las fuerzas de la selección natural puede ser mediada en parte a través de los cambios en los relojes circadianos.

Relojes para la reproducción

El papel de los relojes circadianos en el rendimiento reproductivo de D. Melanogaster se ha investigado en profundidad en el gran reloj de mutantes. Los estudios sobre la pérdida de la función de mutantes D. Melanogaster como por 0, tim 0, cyc 0, Clk jrk reveló que el único reloj de apareamiento entre los fenotipos resultado deficiente en ~ 40% menor en comparación con la progenie de tipo salvaje moscas [86]. En general, los mutantes nulos sentado menos huevos, de los cuales sólo unos pocos eran fértiles [86]. Más experimentos en 0 y por tim 0 moscas mostraron que la cantidad de espermatozoides liberados de las vesículas seminales a los testículos de los hombres se redujo significativamente en los mutantes nulos en comparación con el tipo de moscas silvestres [86].

Aunque la puesta de huevos de las moscas es rítmico de una amplia variedad de genotipos, por las transcripciones de, y de los niveles de proteína y por tim no oscilar en Drosophila los ovarios de las hembras [87]. Constitutivamente un alto nivel de proteínas PER y TIM se encuentran en el folículo en desarrollo de los ovocitos de las células a lo largo del día. Estudios anteriores han demostrado que el PER y TIM interactuar en estas células folículo, pero no trasladar en el núcleo, con lo que los mecanismos de reloj truncado [88]. Por lo tanto, durante mucho tiempo no quedó claro en cuanto a lo que es el papel funcional de los dos genes de reloj y por tim en la mosca de ovario. En un estudio reciente, Beaver y compañeros de trabajo [88] bastante demostrado de forma convincente que la falta de orgánicas y por tim en hembras vírgenes resultó en una cantidad significativamente menor de ovocitos maduros en 0 y por tim 0 vuela en comparación con el tipo de moscas silvestres. Rescate en función de reloj por 0 mutantes por ectópica por expresar en el lateral de las neuronas por sí solo no aumentar la producción de ovocitos maduros [88]. Por lo tanto, lo que sugiere que por tim y no puede tener funciones de reloj en los ovarios [88]. Físico componentes y fenotipos circadianos son a la vez multigenic rasgos, y los genes pueden tener efectos pleiotrópicos. Por lo tanto, es justo que las mutaciones que afectan a especular reloj podrán ser a la vez reducir la aptitud reproductiva a través de mecanismos que son independientes de los procesos relacionados con el reloj. Por otra parte, las manipulaciones en ciertos genes o procesos estrechamente relacionados con rasgos de aptitud también puede alterar el reloj fenotipo, a través de reloj independiente de los procesos, con lo que las cuestiones relacionadas con el significado adaptativo de relojes circadianos reproductiva a través de la producción sin resolver.

Resonando relojes

La ubicua presencia de relojes circadianos en una amplia variedad de fenómenos y organismos sugiere que confieren ventaja adaptativa a sus dueños, tal vez permitiendo a los organismos para sincronizar a los ciclos de LD, y, en consecuencia, proceda a mantener su fase de las relaciones entre los ciclos externos e internos. Sobre la base de esta lógica, se especuló que en la llegada temprana de las formas de vida en este planeta varios patrones temporales están presentes en los organismos vivos, pero sólo los del medio ambiente coincide con la periodicidad que lograron sobrevivir. Motivado por este pensamiento, Pittendrigh y Bruce [89] propone una hipótesis conocida como la "hipótesis de la resonancia circadiano", que establece que los organismos que tengan relojes con periodicidad cíclica equiparables a las del entorno de ejecutar "mejor" en comparación con aquellos cuya periodicidad no coinciden El período de los ciclos ambientales. Si circadiano resonancia fueron la fuerza motriz de la evolución de los relojes circadianos, sería de esperar cerca de los organismos con-24 h periodicidad de tener una mayor ventaja en virtud de un gimnasio 24 h medio ambiente que cualquier otro periódico o aperiódica medio ambiente. De hecho, las moscas de la fruta (D. melanogaster) vivieron significativamente más tiempo de menos de 24 h de LD que cualquiera de los dos ciclos de 21 h (LD 10.5:10.5 h), 27 h (LD 13 5:13.5 h) LD ciclos o bajo LL [90]. En blowflies (Phormia terranovae), el ciclo de vida de las moscas que se crían en virtud LD ciclos de 24 h, fue significativamente mayor de menos de 24 h LD ciclos que en virtud de cualquier otro no-24 h LD medio ambiente [91]. En un estudio separado sobre los mutantes de por D. Melanogaster, la vida de los hombres por T (τ = 16 h), y por L (τ = 29 h), las moscas se redujo significativamente en comparación con las moscas de tipo silvestre, incluso en virtud de corto y largo LD ciclos [85], contradiciendo así los principios de circadiano Resonancia hipótesis. El rendimiento reproductivo en muchos organismos tiene una relación inversa con vida. Inferencias sobre fitness ventaja basada en la vida útil de datos por sí solo daría lugar a equívocos y, por tanto, la aptitud de múltiples componentes deben tenerse en cuenta para evaluar significado adaptativo de relojes circadianos [92 - 96]. La más convincente y tal vez la única demostración inequívoca de resonancia circadiano vinieron de amplias y elegantes estudios sobre cianobacterias Synechococcus elongatus [6]. En este estudio, las tasas de crecimiento de diversas cepas de cianobacterias con diferentes periodicidades circadiano se analizaron mientras compiten unos contra otros. En virtud de las condiciones de cultivo puro en LL, todas las cepas mostraron tasas de crecimiento similares. El tipo salvaje (τ = 25 h) y dos cepas de haber mutaciones en el gen KaiC (h = 23 τ y τ = 30 h) se competían entre sí en diversas combinaciones. Cuando dos cepas se mezclan en proporciones aproximadamente iguales y cultivadas en LD ciclos de 11:11 h y 15:15 h, cuyas cepas reloj período coincidió con la de la LD ciclo siempre fuera compitieron reloj cuyas cepas fueron períodos muy alejados de los de Los ciclos LD [6] (Figura 6]. Estos resultados fueron reexaminados en cianobacterias mutaciones de las cepas que tengan cualquiera de los tres genes Kai (Kai A, KaiB y KaiC). Las cepas mutantes muestran circadiano períodos que van entre 22 h a 30 h, y en experimentos de la competencia, cuyas cepas periodicidad coincide con los de los ciclos de LD-compitieron otros cuyos períodos fueron muy lejos. Así pues, las ventajas que confiere la aptitud a través de cianobacterias resonancia circadiano parece ser independiente del genotipo, pero dependerá de reloj por sí solo período [97]. Por otra parte, cuando las cepas mutantes con humedecido bioluminiscencia ritmo (CLAb) o los que muestran arrítmico bioluminiscencia (CLAc) se compitió contra la cepa de tipo salvaje bajo LD 12:12 h en régimen de cultivos mixtos, la CLAb y CLAc perdido a cepas silvestres - Cepas tipo, pero fuera de ellos compitieron bajo LL régimen [97] (Figura 7], lo que sugiere que los relojes circadianos puede no ser beneficiosa en relación con todos los ambientes y, de hecho, pueden incluso ser perjudiciales bajo condiciones constantes. Los autores sostuvieron que rítmica supresión de la fotosíntesis bajo LL en la cepa de tipo salvaje, probablemente, los hace mala en comparación con el arrítmico cepas que pueden fotosíntesis continuamente bajo LL. Es muy poco probable que la fotosíntesis rítmicas en la naturaleza puede ser el tipo de cepa inadaptivas bajo LL, como la fotosíntesis continua en arrítmico cepas pueden afectar negativamente el oxígeno lábil de la reacción de fijación de nitrógeno lo que no es mejor que la rítmica cepas. Como hemos visto en los estudios mencionados, sobre los resultados de significado adaptativo ritmo circadiano circadiano acumulado a través de la resonancia son en su mayor parte en conflicto y sugerente, pero de vez en cuando concluyentes.

Relojes en la oscuridad

Un corolario evidente de la resonancia circadiano hipótesis es que los relojes circadianos sería de menos ventaja a los organismos que viven en ambientes como la constante profundidad de los océanos, ríos y cuevas subterráneas, o cualquiera de esos entornos aperiódica [2]. Por lo tanto, se considera que los organismos que viven en ambientes aparentemente tan atemporal perdería la capacidad de medir el tiempo en una escala circadianos, y la capacidad de entrain a los ciclos ambientales periódicas. Por el contrario, los ritmos circadianos se encontraron a persistir en la cueva-vivienda peces [98], en la cueva-vivienda millipedes [99], y en las poblaciones de D. Melanogaster que se han criado durante más de 600 generaciones bajo condiciones de laboratorio [100 - 102]. Además, en uno de nuestros estudios recientes hemos encontrado que la eclosión [103] y la actividad locomotora (Paranjpe et al., Datos no publicados) los ritmos de estas moscas entrain a una amplia gama de periódicos LD ciclos que van de 20 h a 28 h. Además, respondió a estas moscas breves pulsos de luz por cambio de la fase de su ritmo de actividad locomotora en una fase que dependen de manera muy similar a la de tipo salvaje moscas mantenido bajo ciclos LD (Paranjpe et al., Datos no publicados). Así pues, parece que importantes funciones, como reloj período, la precisión, la relación de fase, la fase de respuesta y la capacidad de propiedades entrain a una amplia gama de ciclos LD permanecen intactas en los organismos que viven en ambientes constante. En ausencia de ambientes de la bicicleta, donde no existe una aparente necesidad de sincronizar los procesos metabólicos y de comportamiento con el medio ambiente ciclos, la persistencia de relojes funcionales y foto-arrastre mecanismos sugiere que confieren algunos relojes circadianos "ventaja intrínseca de adaptación" a sus propietarios. La ventaja de tener intrínseca relojes circadianos es probablemente acumulados por facilitar la coordinación interna de los diversos procesos metabólicos en el organismo [2, 84]. El objetivo principal de los estudios sobre el significado adaptativo de los ritmos circadianos hasta el momento ha sido la de investigar extrínseca ventajas de poseer relojes circadianos en ambientes de periódico, mientras que los estudios sobre las ventajas intrínsecas de adaptación siempre han ocupado el asiento de atrás.

Observaciones finales

Reglamento de comportamiento y de procesos metabólicos en una escala circadiano tradicionalmente se ha pensado para ser un rasgo característico de los eucariotas organización hasta que se demostró que incluso procariotas, como las cianobacterias poseen dispositivos momento circadiano. El análisis de la secuencia de datos de un gran número de genomas procariótico reveló que procariótico relojes circadianos evolucionado en paralelo con la historia geofísicos de nuestro planeta. Se cree que la selección natural, múltiples traslados laterales, y la duplicación de genes y las pérdidas fueron las principales fuerzas que en forma de la evolución de principios de los relojes circadianos. Además del periódico bióticos y abióticos de las fuerzas geofísicas medio ambiente, la necesidad de separar los procesos metabólicos según óptimo de las fases del medio ambiente ciclos también parece haber actuado como una fuerza de la selección natural que en forma de los relojes circadianos. Independientemente de los desacuerdos acerca de las fuerzas de la selección natural que actúa sobre principios de los relojes, hay un acuerdo general entre los biólogos circadiano que los relojes circadianos, tal como existen ahora, pueden haber evolucionado primordialmente como un instrumento de adaptación a diario los ciclos de la naturaleza. Inicialmente varios ciclos geofísicos pueden haber desempeñado funciones esenciales en ejercer presión de selección, mientras que más tarde, todos los días y los cambios estacionales pueden tener más ajustado.

La mayoría de los estudios sobre el significado adaptativo de los ritmos circadianos sufren una serie de inconvenientes como la falta de población a nivel de replicación, y la verdad los controles adecuados de control sobre la composición genética de las poblaciones, que en muchos aspectos limitan las posibilidades conocimientos obtenidos de esos estudios . Además, estos estudios se llevaron a cabo en mutantes y, a menudo, muy puras animales. Además del hecho de que las líneas puras y los mutantes van a producir falsas correlaciones genéticas entre los componentes de fitness [104] debido a la deriva genética, es difícil imaginar cómo la evolución de los sistemas circadianos momento podría haber tenido lugar en términos de grandes cambios en un solo gen . Por otra parte, si suponemos que muchos genes hacer pequeñas contribuciones a circadiano fenotipo, entonces es mucho más probable que esos genes se involucrados en la evolución de ajuste de los relojes circadianos. De hecho, algunos de los rasgos cuantitativos loci (QTL) se han identificado en el ratón cromosomas 1, 6, 9, 11, 17 y 19 que potencialmente puede contribuir a la determinación del período de funcionamiento rueda ritmo en ratones de laboratorio [105]. La variación en el período, la fase y la amplitud de 150 adhesiones Arabidopsis también se ha atribuido a QTL en ARABIDOPSIS PSEUDO-RESPUESTA REGULADOR familia [106]. Tal latitudinal clines en el período de duración, amplitud y fase se han tomado como evidencia de significado adaptativo de los plazos sistema circadiano [106]. La mayoría de los estudios encaminados a resolver cuestiones relacionadas con el significado adaptativo de los ritmos circadianos de vida utiliza como único indicador de la forma física, aunque es bien sabido que mayor rendimiento reproductivo a menudo resulta en la muerte temprana. Esto sugiere que se debe utilizar simultáneamente múltiples componentes de la aptitud para evaluar ventaja adaptativa. Por último, la mayoría de los estudios utilizados replicación en el nivel de cada lugar de la población, mientras que la unidad de reproducción en cualquier estudio evolutivo abordar cuestiones debe poblaciones, no los individuos. Por lo tanto, la abrumadora impresión que uno obtiene de los estudios sobre el significado adaptativo de los ritmos circadianos es uno de sugerente, pero sólo de vez en cuando concluyentes, los resultados. Tal vez, de manera rigurosa selección de los estudios de laboratorio diseñados bajo diferentes condiciones ambientales podrían ayudarnos a examinar como se produce la adaptación y el desarrollo de la organización circadianos asociados a ese tipo de adaptación.

Conflicto de intereses

Los autores declaran que no tienen intereses en conflicto.

Contribuciones de los autores

DAP y VKS contribuyeron igualmente a este artículo.

Agradecimientos

Damos las gracias a D. Luli, Shailesh Kumar, CR Akarsh, Dhanya Kumar, Shahnaz R. Lone, N. Rajanna y M. Manjesh de asistencia durante algunos de nuestros experimentos discutidos en esta revisión. Damos las gracias a Roberto Refinetti y dos revisores anónimos por la lectura crítica de nuestro manuscrito.