Exposición al frío y producción de proteínas en C. elegans

La hibernación suele implicar una disminución significativa en la producción de Proteínas en muchos animales. Por ejemplo, ciertas proteínas asociadas con la traducción del código genético se reducen. Esta disminución ocurre en varias especies, incluidos los humanos, cuando se exponen a temperaturas frías. Durante este tiempo, algunos genes específicos siguen expresándose, lo que genera preguntas sobre cómo sucede esto a pesar de la reducción general en la síntesis de proteínas.

Tradicionalmente, la hibernación se ha estudiado en animales como ardillas, murciélagos y osos. Sin embargo, organismos más simples, como el nematodo C. elegans, pueden proporcionar información valiosa. Los C. elegans son pequeños gusanos que viven en regiones templadas y pueden soportar períodos de frío en su entorno natural. En condiciones controladas de laboratorio, estos gusanos pueden morir por congelación rápida o entrar en un estado de letargo, similar a la hibernación, cuando se enfrían lentamente. Notablemente, durante esta hibernación, los C. elegans muestran una desaceleración en el envejecimiento, similar a algunos rasgos observados en mamíferos durante la hibernación. Esto sugiere que estudiar C. elegans puede ayudarnos a aprender sobre las respuestas celulares básicas al frío.

En nuestra investigación, descubrimos que los C. elegans, al igual que los animales que hibernan, reducen la producción general de proteínas cuando se exponen al frío. La traducción de mRNAs específicos, las moléculas que llevan instrucciones para hacer proteínas, se correlaciona con sus cantidades. Esto sugiere que la forma en que se expresan los genes en respuesta al frío está controlada principalmente a través de su transcripción, o el proceso de copiar ADN en ARN. Nos enfocamos en un gen específico, lips-11, que está relacionado con proteínas involucradas en la respuesta al estrés en la célula. Usando C. elegans, observamos que el frío activa una vía de respuesta al estrés específica que ayuda a las células a lidiar con problemas derivados de las bajas temperaturas.

#Observaciones sobre la Síntesis de Proteínas en Condiciones Frías

Muchos estudios diferentes muestran que enfriar células u organismos lleva casi universalmente a una reducción en la producción de proteínas. Para ver si esto aplica a los C. elegans, usamos un método en el que enfriamos gradualmente a los gusanos y luego monitoreamos su síntesis de proteínas a diferentes temperaturas. Usamos dos técnicas: una para separar mRNAs según el número de ribosomas que están unidos y otra que mide la nueva síntesis de proteínas al detectar una molécula que se incorpora a las nuevas proteínas.

Cuando miramos los resultados, notamos que los C. elegans mostraron una pérdida significativa de complejos activos de traducción de proteínas cuando se expusieron a temperaturas frías, lo que significa que había menos ribosomas trabajando para producir proteínas. Además, vimos una caída dramática en la incorporación del nuevo marcador de síntesis de proteínas en los gusanos que habían sido enfriados. En general, estos resultados se alinean con lo que se ha observado en otros animales, indicando que el enfriamiento severo conduce a una reducción global en la producción de proteínas en C. elegans.

#Regulación de la Expresión Génica en el Frío

Mientras que la producción total de proteínas disminuye en condiciones frías, algunos genes pueden seguir expresándose, un fenómeno que necesita más examen. Analizamos el proceso de traducción de proteínas y los niveles de mRNA. Inicialmente, al mover los gusanos de una temperatura más alta a una un poco más fría, notamos solo un pequeño cambio en la traducción de proteínas. Sin embargo, pasar a condiciones incluso más frías llevó a cambios más significativos. La mayoría de los ajustes de traducción ocurrieron durante el primer día de exposición al frío.

Nuestros hallazgos mostraron una conexión cercana entre los niveles de mRNAs específicos y su traducción en proteínas. Esto sugiere que incluso cuando la síntesis de proteínas disminuye en general, la traducción de ciertos mRNAs aún puede ocurrir si sus niveles se mantienen altos, aunque algunos transcritos se tradujeron menos a pesar de tener altos niveles de mRNA. Esto apunta a mecanismos específicos que pueden reducir la traducción sin afectar las cantidades del mRNA inicial. Entre estos, hubo una observación sorprendente: varios de los transcritos vinculados a grasas, que ayudan a mantener la función de la membrana celular, se tradujeron menos a pesar de que los niveles de mRNA no cambiaron.

#El Papel de IRE-1 en la Expresión Génica

Curiosamente, encontramos que la mayor expresión de lips-11 en condiciones frías ocurre a través de una vía de señalización llamada UPR, específicamente su componente IRE-1. La UPR es una respuesta al estrés celular que ayuda a manejar problemas con el plegamiento y procesamiento de proteínas en el retículo endoplásmico (RE). Descubrimos que la expresión del gen lips-11 aumentó no solo en respuesta al frío, sino también cuando los gusanos fueron tratados con un químico que induce la UPR.

Al realizar más experimentos, confirmamos que la expresión de lips-11 en condiciones frías depende de IRE-1. Cuando inhibimos la actividad de IRE-1, la expresión del gen lips-11 cayó significativamente. XBP-1, un factor de transcripción activado por IRE-1, también se encontró crucial para esta respuesta.

#Observando Estrés en el RE en Frío

Dado que la activación de IRE-1 sugiere estrés en el RE, realizamos experimentos adicionales para confirmar esto. Usamos un reportero específico de UPR que rastrea la expresión de un gen vinculado a la respuesta al estrés del RE. Este reportero indicó que la exposición al frío aumentó la expresión de este gen de respuesta al estrés con el tiempo. También se evaluaron otros marcadores relacionados con el estrés en las mitocondrias, pero no mostraron mayor expresión en condiciones de frío, lo que sugiere que el frío impacta principalmente al RE y no a las mitocondrias.

Aunque descubrimos que la vía IRE-1 parecía activarse principalmente por el frío, también exploramos si otras partes de la UPR podrían estar involucradas. Nuestros resultados indicaron un aumento en ciertos genes objetivo de la UPR, principalmente aquellos relacionados con la vía IRE-1, lo que sugiere que juega un papel crucial en la respuesta al frío.

#Homeostasis de Lípidos y Activación de UPR

El estrés por exposición al frío puede derivarse de problemas relacionados con el mal plegamiento de proteínas y desequilibrios en la composición de lípidos dentro del RE. Probamos esto usando un reportero que muestra los niveles de proteínas mal plegadas. Después de un día en condiciones de frío, observamos un ligero aumento en las proteínas mal plegadas, pero los niveles volvieron a la normalidad después de unos días. Esto sugiere que el estrés inicial por mal plegamiento de proteínas podría no persistir, insinuando que otros factores pueden contribuir al estrés continuo del RE durante la exposición prolongada al frío.

Los desequilibrios lipídicos también pueden promover la activación de UPR. En nuestros experimentos, encontramos que la vía IRE-1 responde a cambios en las estructuras lipídicas, particularmente en lo que respecta a los niveles de fosfatidilcolina y fosfatidiletanolamina. Para probar si los cambios dietéticos podrían influir en la UPR inducida por el frío, suplementamos la dieta de los gusanos con ciertos ácidos grasos y colina, un componente vital en la fabricación de fosfatidilcolina.

Nuestros hallazgos mostraron que agregar ácidos grasos no alteró la expresión de los genes de respuesta al estrés inducidos por el frío. En cambio, la suplementación con colina redujo la expresión de lips-11 y otros reporteros de respuesta al estrés en condiciones de frío. Esto sugiere que la activación de UPR inducida por el frío es influenciada más por los niveles de colina y fosfatidilcolina que por las grasas insaturadas.

#Importancia de IRE-1 para la Supervivencia en Frío

La activación de la vía IRE-1 plantea preguntas sobre su papel en la respuesta al frío. Hipotetizamos que podría mejorar la supervivencia de los gusanos en condiciones frías. Para probar esto, creamos una cepa mutante que carece de IRE-1 funcional y descubrimos que estos gusanos luchaban por sobrevivir en entornos fríos en comparación con sus contrapartes normales. Esto indica que la vía de señalización IRE-1/XBP-1 contribuye a la supervivencia de C. elegans durante el estrés por frío.

A pesar de las evidencias que apuntan a la importancia de IRE-1, reducir la expresión del gen lips-11 no pareció afectar la supervivencia en frío. Esto sugiere que, aunque lips-11 podría ser una de las metas de IRE-1, otros genes activados por esta vía son probablemente vitales para la estrategia de supervivencia en frío.

#Conclusión

Nuestros hallazgos demuestran que los C. elegans exhiben una reducción global en la síntesis de proteínas cuando se exponen a frío severo, similar a otros modelos animales. Reducir la síntesis de proteínas ayuda a conservar energía en estos entornos fríos. Aunque la producción total de proteínas disminuye, muchos mRNAs específicos siguen siendo traducidos, lo que sugiere que la transcripción juega un papel crítico en la regulación de la expresión génica en condiciones de frío.

Descubrimos que la vía IRE-1/XBP-1 influye significativamente en la expresión de genes específicos que responden al frío, incluido lips-11. Curiosamente, esta vía parecía activarse principalmente por el estrés relacionado con el RE más que por el estrés celular general.

Además, nuestra investigación sugiere que los efectos del frío en la producción de proteínas y el equilibrio lipídico son complejos, con implicaciones que se extienden más allá de C. elegans. Entender cómo el frío activa las vías celulares puede eventualmente informar prácticas médicas, particularmente en técnicas de hipotermia terapéutica utilizadas para proteger el cerebro y el corazón durante procedimientos médicos.