Criptocromo

Os criptocromos son unha clase de flavoproteínas sensibles á luz azul, que se encontran en plantas e animais. Os criptocromos están implicados nos ritmos circadianos das plantas e animais e posiblemente tamén na percepción dos campos magnéticos en varias especies. O nome criptocromo (do grego κρυπτός χρώμα, 'cor oculta') foi proposto como unha palabra composta que combinaba a natureza críptica do fotorreceptor, e o nome dos organismos criptogámicos nos cales se están realizando moitos estudos sobre a luz azul.

Os xenes Cry1 e Cry2 codifican as dúas proteínas criptocromos CRY1 e CRY2. En insectos e plantas, CRY1 regula o reloxo circadiano de maneira dependente da luz, mentres que, en mamíferos, CRY1 e CRY2 actúan como inhibidores independentes da luz dos compoñentes CLOCK-BMAL1 do reloxo circadiano. En plantas, a fotorrecepción de luz azul pode utilizarse como indicador de sinais de desenvolvemento. Ademais das clorofilas, os criptocromos son as únicas proteínas coñecidas que forman pres radicais fotoinducidos in vivo.

 Descubrimento 

Aínda que Charles Darwin foi o primeiro que documentou a resposta das plantas á luz azul na década de 1880, ata cen anos máis tarde non se conseguiu empezar a identificar o pigmento responsable. En 1980, descubriuse que o xene HY4 da planta Arabidopsis thaliana era necesario para que dita planta tivese sensibilidade á luz azul e, cando o xene foi secuenciado en 1993, viuse que tiña unha alta homoloxía de secuencia coa fotoliase, un encima reparador do ADN activado pola luz azul. En 1995, estaba claro que os produtos do xene HY4 e os seus dous homólogos humanos non presentaban actividade de fotoliase e, ao contrario, eran unha nova clase de fotorreceptores da luz azul que se hipotetizaba que eran fotopigmentos circadianos. En 1996 identificáronse homólogos de Cry en Drosophila e en 1998 no rato.

 Historia evolutiva e estrutura 
Os criptocromos (CRY1, CRY2) son proteínas antigas evolutivamente e están moi conservadas. Pertencen á superfamilia das flavoproteínas, que existe en todos os reinos de seres vivos. Todos os membros desta superfamilia teñen un característico dominio de homoloxía coa fotoliase (PHR) N-terminal. O dominio PHR pode unirse ao cofactor flavín adenín dinucleótido (FAD) e a un cromóforo que capta a luz. Os criptocromos derivan de fotoliases estreitamente relacionadas, que son encimas bacterianos que son activados pola luz e están implicados na reparación de danos no ADN inducidos pola luz ultravioleta (UV). En eucariotas, os criptocromos xa non manteñen esta actividade encimática orixinal. A estrutura do criptocromo consiste nun pregamento moi similar ao da fotoliase, cunha soa molécula de FAD unida non covalentemente coa proteína. Estas proteínas teñen lonxitude e superficie variables no extremo C-terminal, debido aos cambios no xenoma e aspecto que son resultado da falta de encimas de reparación do ADN. O gráfico de Ramachandran mostra que a estrutura secvundaria da proteína CRY1 é principalmente unha hélice alfa dextroxira con pouco ou ningún solapamento estérico. A estrutura do CRY1 está constituída case enteiramente por hélices alfa, con varios bucles e poucas follas beta. A molécula está disposta como un feixe ortogonal.

 Función 

 Fototropismo 

En plantas, os criptocromos son mediadores do fototropismo (crecemento direccional cara á luz) en resposta á luz azul. Agora sábese que esta resposta ten o seu propio conxunto de fotorreceptores, as fototropinas.

A diferenza dos fitocromos e fototropinas, os criptocromos non son quinases. O seu cromóforo de flavina é reducido pola luz e transportado ao núcleo celular, onde afecta á presión de turxencia e causa un alongamento do talo. En concreto, Cry2 é responsable da expansión mediada pola luz do cotiledón e a folla. A sobreexpresión de Cry2 en plantas transxénicas incrementa a expansión do cotiledón estimulada pola luz azul, que ten como resultado a formación de follas máis anchas e ningunha flor en lugar dunhas poucas follas primarias e unha flor. Unha mutación de dobre perda de función en Arabidopsis thaliana chamada elf3 (Early Flowering 3, ou Floración Temperán 3) e nos xenes Cry2 retarda a floración baixo luz continua e aceléraa durante os días longos e curtos, o que suxire que o CRY2 de Arabidopsis pode exercer unha función na aceleración do tempo da floración durante condicións de luz continua.

 Fotomorfoxénese 

Os receptores dos criptocromos causan a resposta das plantas á luz azul por fotomorfoxénese. Os criptocromos axudan a controlar o desenvolvemento das sementes e das plantiñas de sementeiro, así como o cambio desde o estadio de desenvolvemento vexetativo ao de floración. En Arabidopsis, os criptocromos controlan o crecemento da planta durante as condicións con luz azul subóptima.

 Captación da luz 

Malia o moito que se ten investigado sobre a cuestión da fotorrecepción e fototransdución dos criptocromos en Drosophila e Arabidopsis thaliana os coñecementos que se teñen dela aínda son incompletos. Os criptocromos posúen dous cromóforos: pterina (en forma de ácido 5,10-meteniltetrahidrofólico (MTHF)) e flavina (en forma de FAD). Ambos os dous poden absorber un fotón, e en Arabidopsis, a pterina parece absorber a unha lonxitude de onda de 380 nm e a flavina a 450 nm. Estudos pasados apoiaron un modelo polo cal a enerxía capturada pola pterina se transfería á flavina. Con este modelo de fototransdución, o FAD sería entón reducido a FADH, o cal probablemente media a fosforilación dun certo dominio nos criptocromos. Isto podería desencadear unha cadea de transdución de sinais, que posiblemente afecta á regulación xénica no núcleo celular.

Unha nova hipótese propón que nos criptocromos de plantas a transdución do sinal luminoso nun sinal químico que poida ser percibido por moléculas asociadas poderia ser desencadeada por unha carga negativa fotoinducida dentro da proteína, quer no cofactor FAD quer no ácido aspártico veciño. Esta carga negativa repelería electrostaticamente a molécula de ATP unida á proteína e, por tanto, tamén o dominio C-terminal da proteína, o cal cobre o peto de unión ao ATP antes da absorción de fotóns. O cambio resultante na conformación da proteína podería levar á fosforilación de sitios de fosforilación antes inaccesibles no C-terminal e o segmento fosforilado podería despois liberar o factor de transcrición HY5 ao competir polo mesmo sitio de unión no regulador negativo da fotomorfoxénese COP1.

En Drosophila pode funcionar un mecanismo diferente. O verdadeiro estado fundamental do cofactor de flavina no CRY de Drosophila aínda se está a discutir, e algúns modelos indican que o FAD está en forma oxidada, mentres que outros apoian un modelo no cal o cofactor flavina existe en forma de rdical anión, •. Recentemente, observouse que o  FAD oxidado é doadamente reducido a • pola luz. Ademais, as mutacións que bloquean a fotorredución non teñen efecto sobre a degradación inducida pola luz de CRY, mentres que as mutacións que alteraron a estabilidade de • destruían a función fotorreceptora de CRY. Estas observacións proporcionan apoio ao estado fundamental de •. Tamén se propuxo recentemente un modelo no cal  é excitado ao seu estado de dobrete ou cuarteto pola absorción dun fotón, o cal despois orixina un cambio conformacional na proteína CRY.

Nas esponxas, os citocromos receptores de luz azul tamén se expresan. A maioría dos ollos dos animais utilizan proteínas opsinas fotosensibles expresadas en neuronas para comunicar información do ambiente luminoso ao sistema nervioso, mentres que as larvas de esponxa usan unha especie de ollos simples anulares pigmentados para orientar a súa natación fototáctica. Porén, a pesar de posuír moitos outros receptores acoplados á proteína G (GPCRs), o xenoma completamente secuenciado de Amphimedon queenslandica, unha demosponxa, aparentemente carece dun xene para un pigmento opsina sensible á luz, o que suxire que nos ollos exclusivos da larva desta esponxa podería ter evolucionado un novo mecanismo de detección da luz. As investigacións realizadas utilizando sondas de ARN indicaron que un dos dous criptocromos, o Aq-Cry2, producíase preto das células do ollo simple da larva da esponxa. O Aq-Cry2 carece de actividade de fotoliase e contén un cofactor baseado na flavina que é responsable das lonxitudes de onda de luz que tamén son as mediadoras do comportamento fótico larval. Definido como un clado de opsina de GPCR, posúe unha lisina conservada que é esencial para a función da opsina. Igual que outras esponxas, A. queenslandica carece de sistema nervioso. Isto indica que os ollos da esponxa sen opsina utilizan o criptocromo, xunto con outras proteínas, para dirixiren ou actuaren no comportamento fototáctico mediado polo ollo.

 Ritmos circadianos 

Estudos feitos en animais e plantas suxiren que os criptocromos xogan un papel central na xeración e mantemento dos ritmos circadianos. De xeito similar, os criptocromos exercen un importante papel na sincronización dos ritmos circadianos en plantas. En Drosophila, o criptocromo (dCRY) actúa como un receptor da luz azul que modula directamente a entrada de luz no reloxo circadiano, mentres que en mamíferos os criptocromos (CRY1 e CRY2) actúan como represores de transcrición dentro do reloxo circadiano. Algúns insectos, como a bolboreta monarca, teñen versións dos citocromos tanto similares ás de Drosophila coma similares ás de mamíferos, o que proporciona unha proba do mecanismo de reloxo ancestral implicado tanto nas funcións de sensibilidade á luz coma nas de represión transcricional exercidas polos criptocromos.

Os mutantes Cry teñen os seus ritmos circadianos alterados, o que mostra que Cry afecta ao marcapasos circadiano. As Drosophila co Cry mutado presentan poucos ou ningúns ciclos (de aumento ou diminución) do ARNm. Unha mutación puntual en cryb, que é necesaria paa a asociación coa flavina na proteína CRY, ten como resultado a falta dos ciclos das proteínas PER ou TIM en escuridade constante ou en probas con luz-escuridade. Ademais, os ratos que carecen dos xenes Cry1 ou Cry2 mostran os períodos e que corren libremente alterados diferencialmente, pero aínda son quen de [[fotosincronización|fotosincronizarse]. Porén, os ratos que carecen tanto de Cry1 como Cry2 son arrítmicos en condicións de luz-escuridade como en escuridade constante e sempre teñen niveis altos de ARNm de Per1. Estes resultados indican que os criptocromos xogan un papel fotorreceptivo, así como actúan como reguladores negativos da expresión do xene Per en ratos.

 En Drosophila 

En Drosophila, o criptocromo funciona como un fotorreceptor de luz azul. A exposición á luz azul induce unha conformación similar á dos sempre activos mutantes CRY cunha deleción C-terminal (CRYΔ). A vida media desta conformación é de 15 minutos na escuridade e facilita a unión de CRY a outros produtos xénicos do reloxo, PER e TIM, de maneira dependente da luz. Unha vez que dTIM se uniu a dCRY, queda destinado á degradación polo sistema da ubiquitina-proteasoma.

Aínda que os pulsos de luz non sincronizan, o fotoperíodo completo de ciclos de luz/escuridade aínda pode impulsar ciclos nas neuronas ventrais-laterais no cerebro de Drosophila. Estes datos, xunto con outros resultados suxiren que CRY é o fotorreceptor autónomo da célula para os reloxos corporais en Drosophila e pode desempeñar unha función na sincronización non paramétrica (sincronizsción por pulsos de luz discretos curtos). Porén, as neuronas laterais reciben información luminosa a través da vía CRY de luz azul e da vía da rodopsina. Por tanto, CRY está implicado na percepción da luz e é unha entrada de datos ao reloxo circadiano, aínda que non é a única entrada sobre información luminosa, xa que se observou un ritmo sostido en ausencia da vía CRY, no cal se cre que a vía da rodopsina proporciona algunha entrada de información sobre a luz. Recentemente, demostrouse que hai unha resposta á luz mediada por CRY que é independente da interacción CRY-TIM circadiana clásica. Este mecanismo crese que require un mecanismo baseado no redox da flavina que é dependente da condutancia dunha canle de potasio. Esta resposta á luz mediada por CRY incrementa os disparos de potenciais de acción en cuestión de segundos dunha resposta á luz en Drosophila con knockout para a opsina.

O criptocromo, como moitos xenes implicados nos ritmos ciradianos, mostra ciclos circadianos nos niveis de ARNm e proteínas. En Drosophila, o ciclo de concentracións do ARNm de Cry nun ciclo de luz-escuridade (LD ou light-dark) ten un alto nivel na luz e baixos niveis na escuridade. Este ciclo persiste en escuridade constante (DD), pero cunha amplitude menor. A transcrición do xene Cry tamén presenta ciclos cunha tendencia similar. Porén, os niveis da proteína CRY ciclan de diferente maneira que na transcrición de Cry e nos niveis de ARNm. En luz-escuridade, a proteína CRY presenta baixos niveis na luz e altos niveis na escuridade, e, na escuridade permanente, os niveis de CRY increméntanse continuamente durante o día e a noite subxectivos. Así, a expresión de CRY está regulada polo reloxo a nivel transcricional e pola luz a nivel traducional e postraducional.

A sobreexpresión de Cry tamén afecta ás respostas circadianas á luz. En Drosophila, a sobreexpresión de Cry incrementa a sensibilidade das moscas á luz de baixa intensidade. Este regulación á luz dos niveis de proteínas CRY suxire que CRY ten un papel circadiano augas arriba dos outros xenes e compoñentes do reloxo.

 En mamíferos 

O criptocromo é un dos catro grupos de proteínas/xenes reloxo en mamíferos que xera un bucle de retroalimentación negativa de transcrición-tradución (TTFL), xunto cons xenes Period (PER), CLOCK e BMAL1. Neste bucle, as proteínas CLOCK e BMAL1 son activadores transcricionais, que xuntos se unen aos promotores dos xenes Cry e Per e activan a súa transcrición. As proteínas CRY e PER únense despois entre si, entran no núcleo e inhiben a transcrición activada por CLOCK e BMAL1.

En ratos, a expresión de Cry1 mostra ritmos circadianos no núcleo supraquiasmático, unha rexión do cerebro implicada na xeración dos ritmos circadianos, nos que os niveis de ARNm chegan a un pico durante a fase de luz e alcanzan un mínimo na escuridade. Estas oscilacións diarias na expresión mantéñense en escuridade constante.

Aínda que é seguro que CRY é un homólogo de TIM en mamíferos, o papel de CRY como fotorreceptor en mamíferos estivo suxieto a discusións. Os primeiros artigos indicaban que CRY tiña funcións tanto dependentes coma independentes da luz. Un estudo de 2000 indicou que os ratos sen rodopsina pero con criptocromo aínda podían responder á luz; porén, en ratos sen rodopsina nin criptocromo, a transcrición de c-Fos, un mediador da sensibilidade á luz, cae significativamente. En anos recentes, os datos apoian que a melanopsina é o principal fotorreceptor circadiano, en especial as células da melanopsina que median a sincronización e comunicación entre o [[ollo] e o núcleo supraquiasmático. Unha das principais dificultades para confirmar ou denegar que CRY é un fotorreceptor en mamíferos é que cando o xene é sometido a knockout o animal vólvese arrítmico, polo que é difícil medir a súa capacidade simplemente como receptor. Porén, algúns estudos recentes indican que os CRY humanos poden mediar as respostas á luz en tecidos periféricos.

Os ritmos circadianos normais dependen criticamente do retardo da expresión de Cry1 despois da activación do promotor Cry1. Mentres que os ritmos na activación do promotor de Per2 e os niveis de ARNm de Per2 teñen case a mesma fase, a produción de ARNm de Cry1 está retardada aproximadamente catro horas en relación coa activación do promotor de Cry1. Este retardo é independente dos niveis de CRY1 ou CRY2 e está mediado por unha combinación de elementos E/E'-box e D-box no promotor e elementos de unión a RevErbA/ROR (RREs) no primeiro intrón do xene. A transfección de células con dobre knockout Cry1−/− Cry2−/− arrítmicas con só o promotor de Cry1 (causando a expresión constitutiva de Cry1) non é suficiente para recuperar a ritmicidade. Nestas células cómpre a súa transfección tanto co promotor coma co primeiro intrón para a restauración dos ritmos circadianos.

 Magnetorrecepción 

Os datos experimentais indican que os criptocromos das neuronas fotorreceptoras dos ollos das aves están implicados na orientación magnética durante a migración. Tamén se pensa que os criptocromos son esenciais para a habilidade dependente da luz de Drosophila de percibir os campos magnéticos. Antes informárase tamén que os campos magnéticos afectaban aos criptocromos na planta Arabidopsis thaliana: o comportamento de crecemento parecía ser afectado polos campos magnéticos en presenza de luz azul (pero non de vermella). Non obstante, estes resultados viuse posteriormente que non se podían reproducir en condicións estritamente controladas noutro laboratorio, o que suxire que os criptocromos das plantas non responden aos campos magnéticos.

Cando se expoñen os criptocromos á luz azul forman un par de radicais con spins correlacionados. Os pares radicais poden xerarse tamén pola reoxidación na escuridade independente da luz do cofactor flavina polo oxíxeno molecular por medio da formación de pares de radicais FADH-superóxido de spins correlacionados. Hipotetízase que a magnetorrecepción funciona por medio do efecto dos campos magnéticos que os rodean sobre a correlación (paralela ou antiparalela) destes radicais, o cal afecta ao tempo de vida da forma activada dos criptocromos. A activación do criptocromo pode afectar á sensibilidade á luz das neuronas da retina, co resultado global de que o animal pode percibir os campos magnéticos. Os criptocromos animais e as estreitamente relacionadas (6-4) fotoliases animais conteñen unha cadea máis longa de triptófanos transferidores de electróns que outras proteínas da superfamilia criptocromo-fotoliase (unha tétrade de triptófanos en vez dunha tríade). A cadea máis longa orixina unha mellor separación e un tempo de vida aproximadamente mil veces máis longo dos pares radicais falvina-triptófano fotoinducidos que nas proteínas que teñen unha tríade de triptófanos. A ausencia de recombinación selectiva de spin destes pares radicais a escalas de tempo de nanosegundos a microsegundos parece ser incompatible coa suxestión de que a magnetorrecepción polos criptocromos está baseada na reacción da luz cara a adiante.

 Notas 

 Ligazóns externas 

 Cryptochrome circadian clock in Monarch Butterflies , de Steven M. Reppert, Departamento de Neurobioloxía, Universidade de Massachusetts
 Cryptochrome and Magnetic Sensing, Theoretical and Computational Biophysics Group na Universidade de Illinois en Urbana-Champaign
 2IJG no Protein Data Bank; estrutura en 3-D do criptocromo 3 de Arabidopsis, obtida por cristalografía de raios X.
 Modelo animado da vía circadiana murina, incluíndo o papel de Cry

Categoría:Pigmentos biolóxicos
Categoría:Receptores sensoriais