¿Cómo influyen los ritmos circadianos en el envejecimiento?

Índice

• Interrelación entre los ritmos circadianos y el envejecimiento
• Datos del estudio
• ¿Cómo se ven afectados los genes del ritmo circadiano por el envejecimiento?
• Entonces, ¿cómo afecta el envejecimiento al ritmo circadiano?

Interrelación entre los ritmos circadianos y el envejecimiento

La vida de la mayoría de los organismos, más allá de otras influencias, está controlada por dos eventos biológicos centrales: los ritmos biológicos basados en la regulación oportuna de los procesos fisiológicos y la biología del envejecimiento.

Los ritmos circadianos se establecen mediante un programa circadiano codificado genéticamente que controla una multitud de ciclos biológicos y permite al individuo adaptarse a los cambios ambientales periódicos durante el día, las estaciones y la vida. Por lo tanto, su naturaleza conservada permite sincronizar eventos metabólicos, endocrinos, conductuales e intracelulares complejos a lo largo de un ciclo día/noche de 24 horas.

El envejecimiento es un proceso igualmente complejo que se ve afectado por una plétora de factores exógenos y endógenos, y que impacta prácticamente en todos los procesos biológicos cruciales por una pérdida progresiva de funciones celulares. Está bien establecido que el envejecimiento interfiere con la regulación del sistema circadiano, que, a cambio, contribuye a la manifestación y progresión de las enfermedades relacionadas con el envejecimiento. Además, las alteraciones del sistema circadiano independientes de la edad pueden provocar un envejecimiento prematuro, lo que sugiere una interrelación mutua directa entre ambos procesos.

Como marcapasos superior del sistema circadiano en mamíferos, el núcleo supraquiasmático (SCN) del hipotálamo anterior impone los ritmos circadianos sobre la expresión génica en cada tejido y tipo de célula. Por tanto, transmite ritmicidad a todos los procesos esenciales de fisiología y comportamiento. En paralelo con la ritmicidad circadiana de todo el cuerpo impresa por el SCN, las oscilaciones circadianas se regulan de forma autónoma a nivel de órganos y células, con un reloj funcional que reside en los tejidos periféricos y los tipos de células.

En comparación con los mamíferos, incluidos los humanos, los ritmos circadianos en los vertebrados inferiores, como los peces, están menos organizados jerárquicamente y no dependen del SCN. En consecuencia, el arrastre del ritmo circadiano a través de señales ambientales y endógenas es más potente en los peces, donde órganos como la piel y el hígado responden directamente a la exposición a la luz y a las condiciones hormonales y nutritivas.

Como decíamos, la funcionalidad de los ritmos circadianos se atenúa con el envejecimiento, manifestándose generalmente en una menor penetrancia de su ritmicidad. Esta disminución se caracteriza por amplitudes reducidas y mayor dispersión en las acrofases circadianas, alteraciones de la sincronización celular y tisular y cambios de fase en las oscilaciones durante un ciclo de 24 horas.

Además de causar trastornos del sueño, las alteraciones en los ritmos circadianos se asocian con respuestas de estrés pronunciadas, reparación del ADN alterada y cáncer. Se consideran un factor de riesgo independiente de trastornos relacionados con la edad, como la diabetes mellitus tipo 2, el Alzhéimer, la enfermedad coronaria y los tumores.

Además, la desalineación de los ritmos circadianos se asocia con una pérdida de la homeostasis de las proteínas, que, a su vez, representa una característica común de varias proteinopatías relacionadas con la edad, en particular las que se manifiestan en el sistema nervioso. En consecuencia, los genes que intervienen en la vigilancia y orquestación de los ritmos circadianos son esenciales en el control de los procesos biológicos a nivel de células individuales y redes complejas, ya que influyen en el mantenimiento celular, la integridad de la cromatina y la reparación del ADN, las modificaciones epigenéticas, la autofagia, la homeostasis metabólica y otras funciones inmunes. Todas estas funciones están fundamentalmente implicadas en los procesos de senescencia celular y envejecimiento tisular.

Análisis recientes en mamíferos informaron que al menos el 40% de los genes codificadores de proteínas están sujetos a oscilaciones circadianas, y los genes correlacionados con disfunciones relacionadas con la edad están íntimamente conectados a los impulsores del ritmo circadiano.

Sin embargo, no está bien estudiado hasta qué punto los cambios en la expresión de los genes centrales de del ritmo circadiano y sus objetivos posteriores son responsables de las variaciones relacionadas con la edad en la regulación de del ritmo circadiano. Un reciente estudio ha querido indagar más en estos procesos.

Datos del estudio

En este estudio, se realizaron análisis transcripcionales entre especies y órganos para identificar patrones reguladores del ritmo circadiano en el curso del envejecimiento. El objetivo de este estudio era determinar cómo el envejecimiento influye en este ritmo, ofreciendo potencialmente información sobre las formas en que podría restaurarse en las personas mayores, que se sabe que padecen trastornos del sueño y problemas relacionados.

Para este propósito, utilizaron una base de datos integrada de reciente creación que recopila y actualiza conocimientos sin precedentes a múltiples escalas y en profundidad sobre la biología del envejecimiento. Al aplicar la base de datos RNA-Seq dentro del catálogo de colecciones de datos disponibles, mostraron que 39 de 42 genes diferenciados y 46 genes anotados resumidos en nuestro mapa de calor (85%) están vinculados al proceso de envejecimiento. Se estudiaron 46 genes circadianos, incluidos 9 genes centrales.

Identificaron 6 genes (PER2, DEC2, CIRP, KLF10, NFIL3, DBP) expresados diferencialmente mediante la evaluación de los perfiles transcripcionales de individuos maduros, envejecidos y de edad avanzada. Compararon estos resultados entre humanos (H. sapiens), ratón casero (M. musculus), pez cebra (D. rerio) y una especie de killifish de vida extremadamente corta Nothobranchius furzeri (N. furzeri). Los órganos examinados en este estudio transversal comprendieron el cerebro, la sangre, el hígado y la piel.

Luego subdividieron estas especies en grupos maduros, más viejos y muy viejos, según la esperanza de vida media de cada uno. Por ejemplo, los investigadores consideraron que los humanos de 60 años eran "viejos" y que los de 75 años eran "muy viejos". Los ratones "viejos" tienen dos años, mientras que los "ratones muy viejos" tienen tres. El pez cebra vive un poco más que los ratones y los killis viven un poco más de medio año.

¿Cómo se ven afectados los genes del ritmo circadiano por el envejecimiento?

- La expresión génica relacionada con los ritmos circadianos discrimina entre especies y tejidos en lugar de la edad. Entre todos los conglomerados, casi no se detectó una segregación específica por edad de ninguna categoría de edad. Esta observación sugiere que el envejecimiento, desde una perspectiva global, podría tener un impacto relativamente sutil en el nivel transcripcional global de genes relacionados con el ritmo circadiano.

- 42 de los 46 genes relacionados con el ritmo circadiano se expresan diferencialmente de una manera dependiente de la edad en al menos una especie y una comparación de edad. En total, de estos 42 genes expresados diferencialmente, identificaron 37 en D. rerio, 22 en N. furzeri y 21 en M. musculus. En las muestras humanas, encontraron solo 5 genes exclusivamente dentro de la comparación entre las muestras de piel madura y anciana.

Una posible explicación para la baja cantidad de genes expresados diferencialmente identificados en muestras humanas podría estar relacionada con la circunstancia de que los probandos no estuvieron expuestos a condiciones ambientales controladas y sincronización para la actividad del ciclo día-noche.

- Los cambios de transcripción más frecuentes se encontraron dentro de las muestras de hígado de M. musculus. Tales observaciones están de acuerdo con la investigación reciente de que, al menos en el ratón, el envejecimiento tiene un impacto más profundo en el hígado que en otros órganos, en términos de niveles de expresión génica.

Este hallazgo contrasta con el patrón de expresión descubierto en las dos especies de peces investigadas, donde la mayoría de los genes expresados diferencialmente provienen de muestras de cerebro y piel en lugar de muestras de hígado. Una explicación posible podría originarse en el funcionamiento descentralizado y no jerárquico del sistema circadiano en los peces.

- En el ratón, que representa a los mamíferos, CIRP fue el único gen identificado dentro de la comparación de longevidad. CIRP es un regulador postranscripcional del reloj genético del núcleo del ritmo circadiano. En los peces, en contraste, la comparación entre muestras envejecidas y de vejez, categorizadas como longevidad, resultó en 25 y 16 genes, respectivamente, incluyendo también CIRP. Tal diferencia en la regulación del ritmo circadiano durante la longevidad entre mamíferos y peces podría deberse a la capacidad de los peces para ajustar su ritmo circadiano a edades más altas.

- En cuanto al gen PER2, juega un papel crucial en el mantenimiento del ritmo circadiano como uno de sus reguladores centrales. Se sabe que la desregulación de PER2 juega un papel en el riesgo de cáncer y la progresión de varios tipos de tumores. En este estudio, detectaron PER2 regulado positivamente con la edad en la piel de las 4 especies analizadas, en el cerebro de D. rerio y en el hígado de M. musculus. Tal aumento compartido en su expresión relacionada con la edad sugiere que la prevención de la formación de tumores durante el envejecimiento podría implicar una función PER2 conservada.

Además, se describe que PER2 estimula los niveles de autofagia en mamíferos. La disminución dependiente de la edad en la eficiencia de las cascadas autofagocíticas es una de las principales fuerzas impulsoras del envejecimiento, mientras que la autofagia restaurada prolonga la vida útil de varios organismos.

- Respecto al gen DEC2, pertenece a la familia básica de factores de transcripción helix-loop-helix. Desempeña un papel crucial en la ejecución de la rama negativa del ciclo de retroalimentación del ritmo circadiano, así como en las regulaciones posteriores. En todas las categorías de edad, encontraron que DEC2 se expresa diferencialmente en cada una de las 4 especies, incluidos los 4 tejidos investigados. Mientras que su expresión aumentó con la edad en ambos mamíferos, disminuyó principalmente en los peces, con la excepción de una regulación inconsistente en las muestras de cerebro y piel de D. rerio. Allí, DEC2 mostró una expresión aumentada en la comparación de envejecimiento temprano, seguida de una disminución en su nivel de transcripción en la vejez en comparación con los individuos de edad avanzada.

DEC2 participa en varios procesos celulares relacionados con el envejecimiento, como la formación de tumores, la hipoxia, la apoptosis y la inflamación. Al igual que PER2, la expresión de DEC2 depende en gran medida de la interacción con otros genes relacionados con el ritmo circadiano, lo que lo hace propenso a la desregulación que depende de la edad.

- La proteína de unión de ARN inducible por estrés altamente conservada CIRP interactúa directamente y estabiliza las transcripciones de ARNm del reloj del gen del núcleo del ritmo circadiano, mejorando su traducción. Como CIRP también se expresa en una amplia variedad de tejidos, la regulación positiva observada de CIRP en órganos envejecidos de ratones y ambos peces podría seguir el propósito biológico de contrarrestar las alteraciones del ritmo circadiano relacionadas con la edad y estabilizarlo bajo un mayor estrés celular. En consecuencia, la expresión de CIRP responde a la hipoxia, la radiación ultravioleta, la temperatura corporal, los patrones de sueño, las señales metabólicas y los factores estresantes que dañan el ADN.

- KLF10 se encontró regulado a la baja en las muestras de hígado envejecidas de D. rerio en comparación con las muestras maduras y ancianas, las 2 de las cuales mostraron niveles de expresión similares. Contribuye al envejecimiento, por ejemplo, a través de la asociación con una mayor abundancia de especies reactivas de oxígeno, propagando así la senescencia celular, al menos en ratones.

- Tanto en la comparación de envejecimiento temprano como tardío en ratones, encontraron que NFIL3 se expresa más bajo, lo que sugiere que la cantidad de NFIL3 podría disminuir en la edad y, a menos extensión, en ratones de edad avanzada.

- DBP es un competidor de unión D-box de Nfil3, que promueve la expresión de genes per. En las muestras de hígado de D.rerio, la expresión de DBP, de forma similar a la observada en las muestras de ratón, aumentó en la comparación de envejecimiento temprano. La DBP actúa como un factor de transcripción de genes por familia y también controla la expresión de muchas enzimas metabólicas y desintoxicantes en el hígado. Una expresión reducida de DBP, junto con otros factores de transcripción, se correlaciona con la epilepsia y los síntomas de envejecimiento temprano en ratones.

- La expresión de genes expresados diferencialmente de tejido cambia a lo largo del envejecimiento. En el cerebro, la edad casi no tuvo impacto en la expresión de genes del ritmo circadiano en el cerebro murino, independientemente de la categoría de edad abordada, lo que sugiere un sistema circadiano robusto durante la vida madura. Por el contrario, los genes expresados diferencialmente relacionados con el ritmo circadiano se alteraron de forma heterogénea y fuerte en ambos cerebros de los peces. Por lo tanto, la información reguladora del ritmo circadiano de las poblaciones neuronales independientes de SCN en el cerebro de los peces (potencialmente además del complejo pineal y los fotorreceptores del ojo) podría tener un impacto más fuerte que en los mamíferos o estar sujeto a perturbaciones pronunciadas relacionadas con la edad en los peces.

En la sangre, los datos del enfoque transversal utilizado en este estudio argumentan a favor de una representación del ritmo circadiano relacionada con la edad bastante débil en este tejido. Asimismo, no se detectaron alteraciones asociadas con la edad del transcriptoma relacionado con el ritmo circadino en células nucleadas de sangre humana.

El hígado representó el órgano con las alteraciones de expresión génica relacionadas con el ritmo circadiano más frecuentes y más prominentes encontradas en M. musculus y D. rerio, respectivamente.

Las alteraciones de genes expresados diferencialmente relacionados con el ritmo circadiano en la piel se representaron en las 4 especies. Los cambios de expresión más prominentes se detectaron en D. rerio, involucrando cambios significativos en 24 de los 46 genes relacionados. Se encontró un patrón similar en la piel de N. furzeri con cambios significativos en 17 de los 46 genes relacionados con el ritmo circadiano diana. Con respecto a las muestras humanas y murinas, el número de genes relacionados fue menos abundante (5 de 46 en piel humana; 9 de 46 en piel de ratón).

Entonces, ¿cómo afecta el envejecimiento al ritmo circadiano?

Se sospecha que el envejecimiento es responsable de interrumpir la regulación del sistema circadiano tanto en el nivel del regulador del reloj maestro como en los osciladores periféricos. Además, el envejecimiento podría estar asociado con una dispersión alterada de las variaciones de la expresión génica y servir como un indicador bioestadístico indirecto del envejecimiento de órganos y tejidos.

En un estudio anterior, encontraron que los genes expresados diferencialmente marcadores genéticos de la senescencia y la inflamación exhiben desviaciones estándar más bajas en las muestras de vejez, lo que indica una expresión más robusta de esos genes en los individuos longevos. Sin embargo, para los genes expresados diferencialmente relacionados con el ritmo circadiano no se discriminó un patrón correspondiente. En 7 de los 16 tejidos relacionados con estas 4 especies, detectaron ninguna o solo diferencias menores en las desviaciones estándar relativas entre los grupos de edad. Los tejidos restantes mostraron cambios heterogéneos entre las respectivas edades, sin la percepción de un patrón consistente.

Si bien las muestras de humanos y ratones compartían una variación general aumentada en la expresión génica relacionada con el ritmo circadiano en los individuos de edad avanzada, los individuos de larga vida exhibían una variación de expresión sin cambios o incluso menor que los individuos maduros más jóvenes. Las únicas excepciones fueron las muestras de sangre humana, sin un impacto sustancial relacionado con la edad en las variaciones de expresión. Las muestras de piel de ratón mostraron un aumento en la variación de la expresión génica hacia el momento de la vejez.

En D. rerio, la variabilidad entre grupos en la expresión génica disminuía constantemente con la edad de forma selectiva en las muestras de hígado. Exclusivamente en N. furzeri, las variaciones de expresión reflejaron un patrón consistente de una mayor desviación estándar relativa hacia la vejez, lo que apunta a una expresión menos robusta del ritmo circadino.

En resumen, las modulaciones en la transcripción de genes relacionados con el ritmo circadiano lo largo del envejecimiento son un rasgo conservado que se puede rastrear en especies evolutivamente diversas, que van desde humanos hasta ratones y peces.

En general, identificaron alteraciones en la regulación del ritmo circadiano como una característica temprana del envejecimiento, en M. musculus y D. rerio, que emergió o persistió en el envejecimiento tardío en humanos, ratones y peces, y se extendió aún más a la longevidad en D. rerio y N. furzeri. Aunque ya se manifestó durante el envejecimiento temprano, el perfil entre tejidos e interespecies de los genes expresados diferencialmente involucrados en la regulación del ritmo circadiano apareció más amplio durante el envejecimiento tardío, pero menos diverso en los momentos de la vejez y mejor representado en su complejidad por el cerebro y la piel.

No obstante, el análisis de este cambio en los genes circadianos de estas cuatro especies arrojó resultados contradictorios y confusos. Por ejemplo, en los seres humanos, la expresión de estos genes en la piel comienza a variar marcadamente en la vejez, sin embargo, en personas muy mayores, vuelve a un nivel por debajo del de los individuos maduros. La expresión génica en la piel murina varía considerablemente en la vejez, pero las variaciones reportadas en la sangre y el cerebro de los ratones se asemejan a las de la piel humana.

Por lo tanto, además de un papel maestro del SCN cerebral en el control del ritmo circadiano, estos datos sugieren una contribución esencial de la piel a la transmisión de señales cronobiológicas, ya que detectaron una cantidad considerable de genes expresados diferencialmente en la piel en las 4 especies, posiblemente explicado por la exposición directa a la luz de este órgano. Estos hallazgos sugieren que incluso en especies que dependen de una orquestación del ritmo circadiano principalmente jerárquica, como se encuentra en ratones y humanos, los órganos subordinados periféricos como la piel podrían competir con las estructuras cerebrales hipotalámicas y contribuir a alteraciones de la expresión génica relacionadas con el ritmo circadiano durante el envejecimiento.

Además, identificaron 6 genes en varios tejidos de al menos 3 de las 4 especies investigadas con una regulación asociada a la edad aparentemente conservada. Estos genes actúan en cada uno de los niveles de regulación establecidos para el rimo circadiano (gen central, transcripcionalmente, postranscripcionalmente y postraduccionalmente) y tienen roles biológicos conocidos fuera del mismo. Muchas de estas funciones están relacionadas con enfermedades asociadas al envejecimiento o factores impulsores, como la autofagia, la hipoxia, la regulación de la apoptosis y la inflamación. Por tanto, estos genes podrían representar un vínculo conservado entre el sistema circadiano y el envejecimiento.

Sin embargo, dado que es preliminar debido al enfoque transversal no sincronizado, este estudio merece una replicación futura en un conjunto de datos adicional basado en un diseño de estudio longitudinal, que incluye sincronizaciones de tejidos en las especies de interés y la consideración de subregiones anatómicas cuando el tejido cerebral se analiza.