As células com um relógio molecular funcional são mais capazes de se adaptar às mudanças no fornecimento de glicose e se recuperam mais rapidamente da desnutrição prolongada, conforme demonstrado em um estudo publicado na eLife. Essa descoberta ajuda a explicar por que mudanças no ritmo circadiano do corpo, como trabalho noturno e jet lag, podem aumentar o risco de doenças metabólicas, como diabetes.

Ajustando o relógio circadiano

O relógio circadiano é um sistema endógeno de medição do tempo com um período de aproximadamente 24 horas que organiza vários processos fisiológicos, particularmente o metabolismo. No nível molecular, ele se baseia em ciclos de feedback de transcrição-tradução intimamente interligados. No centro dessa regulação estão os fatores de transcrição do gene CLOCK e do gene BMAL1. Essas proteínas formam um complexo heterodímero que se liga a sequências específicas de DNA e ativa a transcrição de vários genes-alvo. Esses genes-alvo incluem os genes da família period e cryptochrome, ou seja, o gene PER e o gene CRY.

Após a transcrição, as proteínas PER e CRY são sintetizadas no citoplasma, onde se acumulam inicialmente. Ao longo de várias horas, elas formam complexos proteicos e depois retornam ao núcleo celular. Lá, elas inibem a atividade do complexo CLOCK-BMAL1, suprimindo assim a expressão de seus próprios genes. Esse feedback negativo faz com que a produção das proteínas PER e CRY diminua gradualmente. Uma vez que as proteínas existentes tenham sido degradadas pelos processos de degradação celular, a inibição do complexo CLOCK-BMAL1 é removida e o ciclo recomeça. O atraso entre a ativação, o acúmulo e a inibição cria um ritmo autossustentável de aproximadamente 24 horas.

Além desse ciclo central, existem mecanismos regulatórios adicionais que contribuem para a estabilização e o ajuste fino do relógio circadiano. Os receptores nucleares REV-ERBα e RORα, que regulam a expressão de BMAL1, desempenham um papel importante nesse processo. Enquanto o RORα ativa a transcrição de BMAL1, o REV-ERBα tem um efeito repressivo. Essa interação antagônica cria outro ciclo de feedback que aumenta a precisão temporal e a robustez do sistema circadiano.

Relógio circadiano e metabolismo

Os relógios circadianos estão intimamente ligados ao metabolismo: por um lado, o relógio modula ritmicamente muitas vias metabólicas e, por outro lado, os nutrientes e os estímulos metabólicos influenciam o funcionamento do relógio. Isso é conseguido por meio de ciclos de feedback finamente ajustados, nos quais alguns componentes positivos do relógio ativam outros, que, por sua vez, têm um efeito negativo sobre os componentes originalmente ativadores. Por exemplo, o metabolismo da glicose, a síntese de lipídios e a produção de energia mitocondrial estão sujeitos a flutuações circadianas. Ao mesmo tempo, os sinais metabólicos atuam de volta no relógio e modulam sua atividade. Um exemplo disso é a enzima SIRT1, cuja atividade depende do nível celular de NAD⁺. Como esse nível está intimamente ligado ao estado energético da célula, a SIRT1 pode influenciar a atividade dos fatores de transcrição circadianos e, assim, adaptar o relógio ao estado metabólico. Outro exemplo é a proteína quinase ativada por AMP (AMPK), que é ativada quando há falta de energia e pode, entre outras coisas, influenciar a estabilidade das proteínas CRY.

Esse acoplamento bidirecional cria um sistema finamente ajustado no qual o relógio circadiano coordena os processos metabólicos, enquanto os nutrientes, o estado energético e os sinais metabólicos modulam a função do relógio. Essa interação estreita permite que o organismo adapte de maneira ideal os processos metabólicos ao ritmo dia-noite e às mudanças nas condições ambientais. “Como a glicose influencia tantas vias de sinalização, presume-se que uma deficiência de glicose poderia prejudicar os ciclos de feedback do relógio circadiano e impedir sua capacidade de manter um ritmo constante”, explica a autora principal Anita Szöke, doutoranda do Instituto de Fisiologia da Universidade Semmelweis em Budapeste, Hungria. “Queríamos investigar como a deficiência crônica de glicose afeta o relógio molecular e qual o papel do relógio na adaptação à fome.”

Os componentes do relógio têm uma grande influência no equilíbrio do metabolismo energético dentro das células

Usando o fungo Neurospora crassa como modelo, a equipe investigou primeiro como uma deficiência de glicose de 40 horas afetava dois componentes centrais do relógio, o chamado Complexo White Collar (WCC), que consiste nas duas subunidades WC-1 e 2, e a Frequência (FRQ). Eles descobriram que as concentrações de WC1 e 2 diminuíram gradualmente para cerca de 15% e 20% de seus níveis pré-inanição, respectivamente, enquanto as concentrações de FRQ permaneceram inalteradas, mas foram alteradas pela adição de muitos grupos fosfato (um processo chamado hiperfosforilação). Normalmente, a hiperfosforilação impede que a FRQ iniba a atividade do WCC, então os autores especularam que a maior atividade poderia acelerar a degradação do WCC. Quando examinaram as ações a jusante do WCC, houve poucas diferenças entre as células em jejum e aquelas que ainda cresciam em glicose. Em conjunto, isso sugere que o relógio circadiano continuou a funcionar de forma robusta durante a privação de glicose, impulsionando a expressão rítmica dos genes celulares.

Para investigar mais a fundo a importância do relógio molecular na adaptação à privação de glicose, a equipe usou uma cepa de Neurospora sem o domínio WC-1 do WCC. Em seguida, compararam os níveis de expressão gênica após a privação de glicose com os da Neurospora contendo um relógio molecular intacto. Eles descobriram que a privação prolongada de glicose afetou mais de 20% dos genes codificadores e que 1.377 desses 9.758 genes codificadores (13%) apresentaram alterações específicas da cepa, dependendo da presença ou não de um relógio molecular nas células. Isso sugere que o relógio é um mecanismo importante para a resposta das células à privação de glicose.

Em seguida, a equipe investigou se um relógio funcional é importante para a recuperação celular após a privação de glicose. Eles descobriram que o crescimento das células Neurospora sem um FRQ ou WCC funcional era significativamente mais lento do que o das células normais após a adição de glicose, sugerindo que um relógio funcional apoia a regeneração celular. Quando examinaram o sistema de transporte de glicose da Neurospora, eles também descobriram que as células sem um relógio funcional eram incapazes de aumentar a produção de um importante transportador de glicose para transportar mais nutrientes para dentro da célula. “As diferenças claras no comportamento de recuperação entre cepas fúngicas com e sem relógios moleculares funcionais sugerem que a adaptação à disponibilidade variável de nutrientes é mais eficiente quando um relógio circadiano está funcionando em uma célula”, explicou a autora principal Krisztina Káldi, professora associada da Universidade Semmelweis. Isso sugere que os componentes do relógio têm uma grande influência no equilíbrio do metabolismo energético dentro das células e ressalta a importância do relógio na regulação do metabolismo e da saúde.