Estudio de las bases moleculares de los ritmos circadianos en C. elegans mediante un sistema reportero luminiscente

Abstract

Los ritmos circadianos están basados en relojes endógenos que les permiten a los organismos ajustar su fisiología y comportamiento mediante la sincronización al día solar y, a través de ello, seleccionar el momento óptimo para la mayoría, sino todas, las variables biológicas. Diversos modelos, incluyendo roedores, moscas, hongos, plantas y bacterias han contribuido a conocer los mecanismos de la ritmicidad circadiana. Sin embargo, los principios generales que gobiernan el reloj circadiano del nematodo Caenorhabditis elegans han permanecido sin conocerse durante muchos años, excepto por la descripción de algunas variaciones diurnas y circadianas relacionadas con su comportamiento, bioquímica y expresión génica. En este trabajo se describe el desarrollo y aplicación de un sistema bioluminiscente para registrar ritmos circadianos en C. elegans, así como las principales características del sistema circadiano del nematodo. Mediante la construcción de un reportero basado en luciferasa acoplado al promotor del gen sur-5, se demuestra que C. elegans expresa ritmos circadianos con un período cercano a 24 h bajo condiciones ambientales constantes, los cuales pueden ser sincronizados por ciclos duales de luz oscuridad y temperatura, en ensayos poblaciones e individuales. Estos ritmos muestran además compensación por temperatura y son capaces de re-sincronizar después de cambios en la fase de las claves ambientales. Además, los ritmos de luminiscencia pueden ser sincronizados a ciclos más largos o más cortos que 24 h (22 y 26 h) y a ciclos ambientales discontinuos (denominados “ciclos esqueleto”). Finalmente, este trabajo también demuestra que el sensado de luz y la temperatura requiere de las proteínas LITE-1, GUR-3 y TAX-2. Los resultados de la presente tesis aportan información desconocida sobre la biología circadiana de C. elegans y demuestran características evolutivamente conservadas en el sistema circadiano del nematodo.

Circadian rhythms are based on endogenous clocks which allow organisms to adjust their physiology and behavior by entrainment to the solar day and, in turn, to select the optimal times for most, if not all, biological variables. Diverse model systems – including mice, flies, fungi, plants and bacteria – have shed light on the mechanisms of circadian rhythmicity. However, general principles that govern the circadian clock of the nematode Caenorhabditis eleganshave remained largely elusive except for the description of a number of diurnal and circadian variations in its behavior, biochemistry and gene expression. This work describes the development and application of a new bioluminescent system to record circadian rhythms in C. elegansand demonstrates the main features of the circadian system of the nematode. By constructing a luciferase-based reporter coupled to the sur-5 gene promoter, we show that C. elegans expresses circadian rhythms with a period close to 24 h under constant environmental conditions, which can be entrained by light-dark and temperature cycles, both in population and single-worm assays. These rhythms also showed temperature-compensation and are able to re-entrain after changes in the phase of the synchronizing agents. In addition, the luminescent rhythms can be entrained to cycles longeror shorter than 24 h (22 and 24 h) and to environmental discontinuous cycles (called “skeleton cycles”). Finally, this work also demonstrates that light and temperature sensing requires LITE-1, GUR-3 and TAX-2. The results of the present thesis shed light on C. elegans circadian biology and demonstrate evolutionarily conserved features in the circadian system of the nematode.