receptores locales como nuevos reguladores para la expresión reloj periférico

  1. ↵ 1 Correspondencia: Departamento de Bioquímica y Fisiología de la Facultad de Medicina y Ciencias de la Salud, Universidad de Surrey, Guildford, Surrey GU2 7XH, Reino Unido . E-mail: c.wu@surrey.ac.uk ).

Abstracto

de control circadiano de mamíferos se determina mediante un reloj central en el núcleo supraquiasmático del cerebro (SCN) y sincronizado relojes periféricos en otros tejidos. La evidencia creciente sugiere que se produce también la regulación independiente de SCN-relojes periféricos. Examinamos cómo la activación de receptores excitatorios influye en la PERIODO proteína del reloj 2 (PER2) en un órgano contráctil, la vejiga urinaria. Period2 :: luciferasa ronda en ratones se utiliza para informar en tiempo real PER2 dinámica circadianos en el tejido de la vejiga. actividades rítmicas PER2 se produjeron en la pared de la vejiga con un ciclo de ~ 24 h y pico a ~ 12 h. La activación de los receptores muscarínicos y purinérgicos por agonistas cambió el pico a un tiempo anterior (7,2 ± 2,0 y 7,2 ± 0,9 h, respectivamente). expresión PER2 también era sensible a la estimulación mecánica. Envejecimiento expresión PER2 humedecido significativamente y su respuesta a los agonistas. Finalmente, muscarínicos contracción del músculo liso inducida por agonistas también exhibió ritmo circadiano. Estos datos identifican nuevos reguladores, receptores endógenos, en la determinación de la actividad de reloj local, además de mediar en la central de control. Además, el reloj local aparece para alinear recíprocamente la actividad del receptor para el ritmo circadiano para la contracción muscular. La interacción entre los receptores y el reloj periférico representa un mecanismo importante para el mantenimiento de las funciones fisiológicas y su desregulación puede contribuir a relacionados con la edad disorders.-Wu de órganos, C., Sui, G., Archer, Sn, Sassone-Corsi, P., Aitken , los receptores locales K., BAGLI, D., Chen, Y. como nuevos reguladores para la expresión reloj periférico.En los mamíferos, las actividades celulares y de órganos rítmicos son esenciales para la homeostasis y muchos procesos fisiológicos y metabólicos. La interrupción de los ritmos diurnos puede conducir a cambios patológicos en la función del cuerpo y el desarrollo de enfermedades. Esto es particularmente relevante para el proceso de envejecimiento, como las alteraciones de la regulación circadiana se producen durante el envejecimiento y pueden contribuir a varios trastornos relacionados con la edad ( 5 ).
Ritmos circadianos de mamíferos son impulsados por los osciladores biológicos endógenos, el reloj biológico. Visión molecular mayor en el reloj biológico ha sido adquirida desde la identificación y clonación de los primeros genes del reloj ( 6 ). Ahora sabemos que los genes del reloj centrales en el núcleo supraquiasmático (SCN) son arrastradas principalmente por la luz, y salidas SCN sincronizar los genes del reloj periféricos en las células de otros tejidos ( 7 ). Los mecanismos empleados por estas vías de salida no se entienden completamente ( 8 ), pero es probable que implicar ambos mecanismos neuronales y hormonales. La maquinaria del reloj se compone de retroalimentación transcripcional-translacional positivo y negativo oscilatorio bucles que implican los genes relacionados con el reloj y sus productos ( 9 , 10 ). En los mamíferos, el circuito principal de realimentación consiste en dos reguladores positivos de transcripción, el reloj y BMAL1, y las proteínas regulador negativo PER y Cry ( 10 ). Proteínas reloj y BMAL1 dimerizan, se unen a elementos potenciadores E-box presentes en los promotores de genes diana, incluyendo los genes del reloj y otros genes del reloj controlado, y de ese modo activar la expresión de 3 Período ( Per1 , Per2 , y PER3 ) y 2 criptocromo genes ( Cry1 y Cry2 ). PER y proteínas Cry translocan desde el citosol al núcleo y inhiben la actividad CLOCK-BMAL1. El ciclo completo de esta retroalimentación transcripcional-translacional toma ~ 24 h. Proteínas adicionales accesorias o receptores nucleares, incluyendo la proteína D-sitio de unión de albúmina (DBP) y los receptores huérfanos nuclear ROR y reverberación, reforzar la estabilidad y la ritmicidad robusta del sistema de reloj interno.Hemos obtenido la primera evidencia para demostrar que la expresión PER2 circadiano está regulado por la activación de los principales receptores excitatorios, los receptores muscarínicos y purinérgicos, en la vejiga urinaria. Esto revela un nuevo modo de arrastre para la regulación circadiana periférica en un órgano visceral contráctil; también representa la diafonía entre el reloj y las vías del receptor ligado endógenos. Este hallazgo desafía el paradigma de que los relojes maestros controlan los esclavos periférica relojes, que luego controlan la actividad de otras proteínas funcionales o receptores, y sugiere que, además de este mecanismo maestro-esclavo regulación clásica, las proteínas efectoras aguas abajo pueden ejercer un control de retroalimentación. Proponemos una interacción recíproca entre los relojes principales y los tejidos periféricos y entre los relojes locales y proteínas efectoras endógenas, tales como receptores. Tal interacción se afinar los ritmos circadianos y la función del órgano. Este modo de regulación de la función del órgano tiene importantes implicaciones fisiológicas y patológicas. Nueva evidencia sugiere que las sustancias de neurotransmisores-como también se liberan de otro compartimento celular, además de los nervios, especialmente las células epiteliales que recubren, en respuesta a estímulos fisiológicos tales como señales químicas (distensión y contracciones o 30 , 37 ). Más importante aún, la liberación no neuronal de activadores puede ser provocada por la inflamación, isquemia, y el estrés oxidativo en el envejecimiento y las condiciones patológicas ( 38 , 39 ). Estos ligandos de receptores actúan sobre los receptores endógenos de una manera autocrina y paracrina y ejercen estimulación más sostenido que los impulsos nerviosos a los receptores y por lo tanto modulan la actividad del reloj.
Específicamente, este mecanismo de regulación circadiana proporciona una nueva visión de la control de la función de la vejiga. De liberación sostenida de sustancias neurotransmisoras-como se produce en la vejiga, de forma análoga a la incubación experimental de los agonistas en este estudio. La acetilcolina y ATP pueden ser liberados debido a la actividad nerviosa, y, más en particular, las actividades no neuronales, tales como tramos durante el llenado normal de la vejiga y distensión ( 37 , 40 , 41 ), contracciones de la vejiga ( 28 , 42 ), la liberación espontánea ( 28 , 42 44 ), y la estimulación por mediadores inflamatorios ( 45 50 ) acumulados en el tejido bajo condiciones patológicas y durante el envejecimiento. También puede ocurrir la liberación tónica de neurotransmisores debido a la actividad parasimpática durante el almacenamiento de la vejiga ( 51 , 52 ). Sin embargo, es probable que sea más complicado que las intervenciones experimentales liberación endógena de estos neurotransmisores en la vejiga. Esto también está sujeto a diversos estímulos patológicos encontrados en la vejiga. Por lo tanto, la existencia de actividad PER2 y sus mecanismos de control representa un nuevo regulador para la función de la vejiga, y su desregulación puede contribuir a la actividad anormal de la vejiga y la patogénesis de la disfunción de la vejiga. Las vías de señalización que median el control circadiano central sobre la función de la vejiga no son claras. Como los receptores muscarínicos y purinérgicos son activados por la acetilcolina y ATP liberado de terminales nerviosas parasimpáticas que inervan la vejiga, nuestros datos también sugieren que estos reguladores pueden mediar de control circadiano central de vía el sistema parasimpático.
Un área emergente en la regulación circadiana es el post-transcripcional, la modificación epigenética. Tensiones mecánicas son conocidos para activar varios factores importantes en la regulación epigenética ( 34 , 35 ) y se encuentran a menudo en condiciones patológicas. Esto tiene implicaciones en muchos trastornos relacionados con la desregulación-circadianos. Nuestros experimentos han demostrado que el estímulo mecánico significativamente hasta regula la expresión PER2. Esto sugiere que los relojes locales son de plástico y están sujetas a los insultos patológica. En apoyo a este hallazgo, un estudio reciente muestra que la sobrecarga de presión conduce a la expresión alterada de genes circadianos asociado en el corazón ( 53 ). Si la respuesta a la tensión mecánica PER2 está regulada por mecanismos epigenéticos es objeto de una investigación.
Regulación circadiana durante el envejecimiento ha recibido una mayor atención ( 1 , 3 , 5 ). A pesar de la importancia del ciclismo circadiano en muchos sistemas, los ritmos circadianos en órganos tales como el envejecimiento de la vejiga y el control de la fisiología circadiana periférica siguen siendo en gran parte desconocido. Hemos demostrado, además, que la expresión PER2 se altera en los ratones más viejos, y su respuesta a los agonistas del receptor también se pierde. Estas observaciones sugieren que los ritmos circadianos de la maquinaria de indicación de la hora en la vejiga se alteran durante el envejecimiento. La interacción normal entre los relojes y las vías receptor endógeno también se suprime. Por lo tanto, se pierde el control circadiano normal de la función de la vejiga. La pérdida de control circadiano normal, y por lo tanto la ritmicidad intrínseca, pueden favorecer actividades espontáneas no deseadas generadas localmente en la vejiga, y esto puede favorecer contracciones involuntarias y la hiperactividad vesical nocturna, característicos de vejiga hiperactiva. Proponemos que una pérdida o reducción del ritmo circadiano normal y sus mecanismos de regulación promoverán actividades arrítmicos en los órganos de la motilidad. Relacionadas con el envejecimiento modificación epigenética se ha demostrado en la vejiga ( 54 ), y queda por determinar si los cambios epigenéticos se producen a sus relojes durante el envejecimiento.
La relevancia funcional de los ritmos del reloj circadiano en la vejiga se demuestra por los cambios circadianos de las respuestas contráctiles a la activación del receptor muscarínico en el presente estudio. A nuestro entender, esta es la primera evidencia de un cambio rítmico 24 h en la vejiga actividad del músculo liso. La evidencia indirecta para los ritmos de la vejiga se ha proporcionado a partir de los cambios diurnos de la producción de orina y capacidad de la vejiga y la frecuencia de la micción con in vivocistometría ( 55 ). Sin embargo, estas funciones están sujetas a la influencia de la producción de orina desde el riñón, que también ha mostrado ritmo circadiano. La medición directa de la contractilidad del músculo del tejido de la vejiga desprovisto de estas influencias de la presente estudio proporciona evidencia inequívoca para la ritmicidad del músculo liso de la vejiga. Además, estos ritmos de la vejiga son específicos para las vías mediadas por el receptor, tal como la estimulación directa del músculo liso por despolarización de la membrana con las corrientes eléctricas que no podían producir el fenómeno. Este ritmo también es independiente de los nervios motores parasimpáticos en la pared de la vejiga, como se evidencia por la falta de patrón circadiano en contracciones de la vejiga en respuesta a la estimulación del nervio. El mecanismo que impulsa la actividad muscarínica rítmica, en analogía a otros tejidos, es probable que sea debido a la modulación por el reloj local en la vejiga. Los ritmos circadianos en la actividad contráctil del músculo liso mediada por el receptor pueden representar un regulador funcional distinto en otros órganos de la motilidad periféricos.
En resumen, hemos identificado nuevos reguladores, los receptores muscarínicos y purinérgicos endógenos, en la determinación de la actividad de reloj local en las vejigas urinarias. Nuestros datos muestran que las proteínas de reloj se expresan rítmicamente en la vejiga y pueden ser arrastradas por señales fisiológicas endógenas y modificados por factores patológicos. Además, la expresión de reloj y su control local están alterados en vejigas de envejecimiento. También hemos demostrado la importancia funcional de la actividad reloj local, proporcionando la primera evidencia de ritmo circadiano de la sensibilidad de los receptores en la contracción del músculo liso. El control recíproco de la función de reloj y receptor representa mecanismos importantes para mantener la función normal de los órganos en el sistema de la motilidad periférica y sus desregulaciones puede contribuir a la motilidad anormal en condiciones relacionadas con la edad.

Expresiones de gratitud

Sin embargo, la regulación post-transcripcional adicional y modificaciones epigenéticas se han reconocido cada vez más ( 11 15 ). También existe regulación SCN-independiente de los ritmos periféricas ( 16 , 17 ), y la regulación de los genes del reloj es específica de tejido ( 18 20 ). Una de las principales brecha de conocimiento actual en la comprensión del control circadiano es la regulación de relojes periféricos ( 21 ). En general se acepta que los relojes periféricos están bajo el control de los relojes principales en SCN, aunque las vías específicas para tal control aún no se han definido para muchos tejidos periféricos. Una cuestión crucial en la regulación circadiana en los tejidos periféricos es si y cómo la maquinaria de reloj local es arrastrado por factores locales.
La evidencia reciente sugiere que la expresión génica de reloj periférico está sujeto a metabólica local (incluyendo el envejecimiento) y los estímulos mecánicos, que también conducen a alteraciones epigenéticas subyacentes disfunción celular. En el hígado, el páncreas y el tejido adiposo, por ejemplo, los relojes pueden ser influenciados por la tasa metabólica ( 22 , 23 ). Una pregunta sin respuesta, pero es importante si existe o no el modo de acción similar en otros tipos de tejidos. En contráctil órganos viscerales tales como la vejiga urinaria, donde metabolismo no es la función primaria, pero las contracciones a través de neurotransmisores excitatorios son el principal papel fisiológico, pueden los relojes ser arrastradas por la activación del receptor? Por ello, utilizó la vejiga urinaria, donde la expresión de mRNA de los genes del reloj y ex vivoexpresión reloj han demostrado recientemente en su músculo liso ( 24 ), y examinamos la influencia de receptores endógenos clave sobre proteína reloj local, PERIODO 2 (PER2) expresión , utilizando un gen informador en tiempo real, la proteína de fusión de luciferasa ( 25 ).