Moléculas que marcam o tempo: implicações para os fenótipos circadianos

Timekeeping molecules: implications for circadian phenotypes

REVISÃO

Moléculas que marcam o tempo: implicações para os fenótipos circadianos

Timekeeping molecules: implications for circadian phenotypes

Danyella Silva Pereira; Sergio Tufik; Mario Pedrazzoli

Departamento de Psicobiologia, Universidade Federal de São Paulo (Unifesp), São Paulo (SP), Brasil

^{Correspondência}

RESUMO

OBJETIVO: Revisar resumidamente a literatura dos últimos 36 anos de pesquisa em cronobiologia molecular a fim de informar aos profissionais de saúde os avanços obtidos nesta área e os potenciais para aplicação na clínica médica.

MÉTODO: Buscas na literatura foram realizadas utilizando as bases de dados PubMed e Scopus usando como palavras-chave "clock genes, circadian rhythms, diurnal preference, delayed sleep phase syndrome, advanced sleep phase syndrome, photoperiod and mood disorder".

DISCUSSÃO: Atualmente, o mecanismo molecular da regulação da ritmicidade circadiana é compreendido em grande detalhe. Muitos estudos publicados mostram associações de polimorfismos nos genes relógio com transtornos do ritmo circadiano e com transtornos do humor.

CONCLUSÕES: De maneira geral, o progresso obtido na área de cronobiologia molecular traz um melhor entendimento da regulação do sistema de temporização biológico. O desenvolvimento de estudos nesta área tem o potencial de ser aplicável ao tratamento dos transtornos dos ritmos circadianos e certos transtornos do humor, além de prevenir riscos à saúde causados por viagens intercontinentais (Jet Lag) e por trabalhos noturnos e por turnos.

Descritores: Transtornos do sono; Transtornos do humor; Ritmo circadiano; Cronobiologia; Sono

ABSTRACT

OBJECTIVE: The aim of this study was to review the molecular chronobiology studies in the last 36 years in order Eto point out the advances in this area to health professionals.

METHOD: We searched in the PubMed and Scopus data banks for articles related with human molecular chronobiology. The keywords used were "clock genes, circadian rhythms, diurnal preference, delayed sleep phase syndrome, advanced sleep phase syndrome, photoperiod and mood disorder".

DISCUSSION: The knowledge about molecular mechanism of circadian rhythms increased a lot in the last years and now we are able to better understand the details of molecular processes involved in circadian and sleep regulation. Studies show that polymorphisms in clock genes are associated with sleep and mood disorders. These studies will be helpful to further elucidate the regulation of molecular mechanisms of circadian rhythms.

CONCLUSIONS: The development of these studies in molecular chronobiology can be helpful to treat circadian and mood disorders and to prevent health risks caused by intercontinental flights (Jet Lag), nocturnal or shift work schedule.

Descriptors: Sleep disorders; Mood disorders; Circadian rhythm; Chronobiology; Sleep

Introdução

A cronobiologia tem como uma de suas metas centrais estudar as características temporais da matéria viva, em todos os seus níveis de organização, o que inclui o estudo dos ritmos circadianos.

Os ritmos circadianos são ritmos biológicos que variam em torno de 24h e podem ser eventos bioquímicos, fisiológicos ou comportamentais importantes para sobrevivência. Estes ritmos são controlados por sincronizadores externos como a luz, a alimentação, entre outros, mas também persistem sem estas pistas ambientais, o que os caracteriza como ritmos gerados endogenamente.

Nos mamíferos, a integração entre a temporalidade externa ou doadores de tempo (zeitgeber) e a ordem temporal interna é dada pelos núcleos supraquiasmáticos do hipotálamo. Estes núcleos, localizados bilateralmente na base do hipotálamo, recebem informação da luminosidade diretamente do ambiente por meio do feixe nervoso retino-hipotalâmico. A partir destas informações, os núcleos supraquiasmáticos trabalham como um relógio mestre que fornece o sinal para a sincronização da ordem temporal interna com o ciclo claro/escuro dado pelo movimento de rotação da terra^1-3.

O funcionamento adequado deste sistema de temporização e sincronização permite uma harmonização com os ciclos ambientais e proporciona uma capacidade antecipatória, a qual possibilita ao organismo organizar recursos para se preparar para eventos e atividades que sejam necessários à manutenção da vida.

A organização social humana impõe uma temporalidade na qual a maioria das atividades trabalhistas e educacionais ocorre entre 8h e 18h; portanto, os indivíduos que estão sincronizados a este horário têm tendência a um melhor desempenho. Parte da população, entretanto, está biologicamente sincronizada em horários incomuns e vive num estado dessincronizado aos horários sociais - o qual poderíamos chamar de "Jet lag" social, em alusão ao desarranjo temporal sofrido por viajantes aéreos que passam por vários fusos horários⁴.

Além do problema da adaptação ou sincronização aos horários sociais mais habituais, a sociedade urbana moderna traz alguns desafios temporais ao sistema de temporização biológico. Por exemplo, viagens transcontinentais nas quais vários fusos horários são ultrapassados em pouco tempo (o já citado, "Jet lag"), trabalho noturno e horários escolares nas primeiras horas da manhã para os adolescentes que naturalmente apresentam um atraso na fase de sono.

A sincronização aos horários sociais é dependente de uma tendência individual pela escolha do momento para realizar atividades, num contínuo que vai da preferência pela manhã até a preferência pela tarde e noite. Esta preferência individual, que inclui os horários de dormir e acordar, é denominada, em biologia, de cronotipo. Se um indivíduo que tem uma tendência natural a ser vespertino, ou seja, dorme e acorda tarde, necessita acordar muito cedo para obrigações sociais como trabalho ou escola, seu desempenho será prejudicado e sua adaptação a este evento temporal não será totalmente eficiente⁴.

Pesquisas recentes mostram que a matutinidade ou a vespertinidade, ou os cronotipos, são características resultantes do funcionamento do sistema de temporização circadiano que são herdadas geneticamente e sofrem uma adaptação às condições ambientais^5-8.

Nas últimas décadas, os estudos moleculares da ritmicidade circadiana conquistaram um grande espaço na pesquisa científica. Em 36 anos de investigações genéticas da ritmicidade circadiana, desde o primeiro estudo em 1971⁹, foram publicadas desde as primeiras pequenas indicações genéticas da regulação da ritmicidade circadiana molecular em moscas drosófilas até uma visão geral do mecanismo molecular dos ritmos circadianos em mamíferos incluindo os humanos^5,9-12. Neste artigo, pretendemos revisar resumidamente os avanços obtidos nestes 36 anos de pesquisa e demonstrar a importância destes estudos para a saúde humana e a medicina preventiva.

Método

Parte das informações obtidas nesta revisão deriva do conhecimento pessoal dos autores sobre o assunto e de arquivos pessoais. Buscas na literatura foram realizadas utilizando as bases de dados PubMed e Scopus, usando como palavras-chave "clock genes, circadian rhythms, diurnal preference, delayed sleep phase syndrome, advanced sleep phase syndrome, photoperiod and mood disorder". Foram selecionados 11 artigos de revisão, 51 artigos originais, três relatos de caso, três estudos em gêmeos, oito artigos clássicos, dois estudos comparativos, três estudos clínicos e um manual de classificação diagnóstica.

Os artigos selecionados correspondem ao período de 1970 até os dias atuais. Nenhum critério de exclusão foi utilizado.

Revisão da literatura

1. Os genes relógio

A primeira evidência genética da regulação dos ritmos circadianos foi publicada na década de 70 por Konopka e Benzer⁹. Estes pesquisadores analisaram drosófilas mutantes e observaram que alguns animais apresentavam ritmicidade circadiana anormal da atividade locomotora. Em moscas colocadas em livre-curso, ou seja, sem a presença de pistas temporais ambientais, se podiam observar três linhagens mutantes distintas para o fenótipo do ritmo circadiano de locomoção motora: um mutante arrítmico, um mutante com período circadiano endógeno curto (19h) e um mutante com período longo (28h). Tais achados indicavam que mutações no DNA podiam causar anormalidades na marcação do tempo biológico.

Após esta descoberta na década de 70⁹, nenhum estudo sobre a regulação da ritmicidade circadiana em mamíferos surgiu até 1988, ano no qual Ralph e Menaker¹¹ mostraram a primeira evidência da regulação genética do ritmo circadiano do ciclo sono-vigília em mamíferos. Estes pesquisadores observaram que um dos animais de seu laboratório apresentava uma regulação anormal da ritmicidade circadiana. Este hamster, quando colocado em livre-curso, apresentava um período endógeno curto de atividade locomotora e uma sincronização anormal ao ciclo 24h claro/escuro.

Por meio de cruzamentos sucessivos, eles puderam observar nas proles três fenótipos diferentes: animais com período endógeno médio de 24,1h (selvagens), hamsters com período médio de 22h, e outro grupo com período médio de 20h. Este padrão genético de herança observado é típico do padrão mendeliano clássico que ocorre em um único lócus autossômico e revela que somente um gene está envolvido no estabelecimento do fenótipo. Esta mutação foi denominada a princípio tau, como referência a abreviação usada em cronobiologia para período circadiano endógeno (T)¹¹.

Nesta época (1988), não existiam ainda ferramentas de biologia molecular suficientes para identificar qual era exatamente o gene e a mutação existente neste animal; no entanto, este trabalho é um grande marco para a pesquisa molecular da ritmicidade circadiana¹¹. Os resultados encontrados mostraram que, exatamente como nas moscas drosófilas, mas no sistema mais complexo do organismo mamífero, uma mutação em somente um gene podia alterar drasticamente a regulação de ritmicidade circadiana. Tais achados em um mamífero indicavam que em humanos o mecanismo poderia ser o mesmo.

Com o estudo de Ralph e Menaker¹¹, as investigações moleculares da ritmicidade circadiana em mamíferos evoluíram rapidamente e alguns genes foram identificados como participantes do sistema de temporização circadiano.

Vitaterna et al. identificaram especificamente o primeiro gene do sistema de temporização em mamíferos¹³. Neste estudo, os pesquisadores, por meio de agentes mutagênicos, induziram mutações em camundongos que resultaram em alterações no comprimento do período endógeno e perda da ritmicidade circadiana dos animais. O cruzamento entre animais heterozigotos mutantes produziu três fenótipos diferentes para a geração F2, indicando que a mutação estava localizada em um único gene que poderia ser o responsável por regular o comportamento circadiano de atividade/repouso em mamíferos. Análises posteriores demonstraram que este gene – denominado gene Clock (do inglês, Circadian Locomotor Output Cycle Kaput) – estava localizado no cromossomo 5 em camundongos (região equivalente ao cromossomo 4 humano).

Após a caracterização do primeiro gene envolvido com o sistema de temporização em mamíferos, outros genes foram descobertos, mostrando a complexidade deste sistema na regulação dos ritmos circadianos, como o ciclo sono-vigília, a regulação da temperatura corporal e a regulação da secreção hormonal.

O gene Bmal1 (também conhecido como Mop3) faz parte do sistema de temporização em mamíferos. Em 1998, foi demonstrado que as proteínas CLOCK e BMAL1 se unem, formando um heterodímero que é responsável por promover a transcrição dos genes Period 1 (Per1), Period 2 (Per2) e Period 3 (Per3).¹⁴ Animais com o gene Bmal1 não funcional (animais knock-out Bmal1) tornam-se totalmente arrítmicos em escuro constante e com a atividade locomotora prejudicada em condições normais de luminosidade¹⁵.

Em 1992, foi demonstrado que seqüências conservadas do gene Per de drosófilas eram também expressas nos Núcleos Supraquiasmáticos (NSQs) de mamíferos¹⁶. A descrição completa e a caracterização do gene Per1 em mamíferos foram feitas em 1997¹⁷. Em 1998, Takumi et al.¹⁸. isolaram o segundo gene Per em mamíferos (Per2) - que possui alta homologia com o gene Per1 – e, neste mesmo ano, foi isolado outro gene desta família, em mamíferos, o gene Per3^19,20.

Diferente das drosófilas, o relógio molecular dos mamíferos possui três proteínas PER com papel provavelmente não redundante^21,22. Os genes Per1 e Per2 apresentam diferentes respostas a pulsos de luz nos núcleos supraquiasmáticos do hipotálamo²⁰, enquanto o Per3 tem um padrão oscilatório de expressão independente da luz¹⁹. Animais knock-out para os genes Per1, Per2 e Per3 apresentam período endógeno mais curto em livre-curso. Esse efeito é menos evidente para os animais knock-out para o gene Per3, que apresentam somente 30 minutos de encurtamento do período endógeno²³.

Os genes Cryptochromes (Cry1 e Cry2) são membros da família de receptores de luz azul em plantas^24-26. Em mamíferos, estes genes foram primeiramente classificados como possíveis candidatos para fotorreceptores circadianos²⁷; no entanto, análises posteriores demonstraram que estes genes têm um papel independente da luz no sistema circadiano de mamíferos²⁸. Estudos em animais knock-out mostram que estes genes são essenciais para a regulação molecular do sistema de temporização e estão envolvidos com a regulação do período endógeno e com a sincronização ao ciclo claro-escuro. Camundongos knock-out para o gene Cry1 apresentam um período curto em livre-curso, enquanto os knock-outs para o gene Cry2 exibem um período endógeno longo. Animais duplo-knock-out tornam-se arrítmicos em escuro constante²⁹.

O gene Timeless (Tim) é o componente mais controverso do sistema de temporização dos mamíferos. Em drosófilas, o seu papel já está bem estabelecido na alça de retroalimentação negativa do relógio molecular³⁰, mas em mamíferos sua função ainda não é clara.

O gene Tim foi identificado em mamíferos no ano de 1998^31-33, expresso nos núcleos supraquiasmáticos de camundongos; entretanto, não se conseguiu demonstrar um padrão de oscilação que pudesse caracterizá-lo como gene relógio³⁴. Embora não exista um padrão de oscilação forte do gene Tim, a interação que existe entre a proteína TIM e as proteínas PER sugere que este gene seja um importante componente molecular do relógio circadiano. Gotter et al. propõem que o gene Tim é essencial para o desenvolvimento embrionário, mas não para a função circadiana em mamíferos³⁵. No entanto, Barnes et al., analisando animais knock-down condicional para a expressão da proteína TIM nos núcleos supraquiasmáticos de ratos, conseguiram demonstrar a importância deste gene como um dos componentes centrais do "relógio" molecular dos mamíferos³⁶.

Finalmente, em 2000¹⁰, a mutação tau, caracterizada como uma mutação que encurta o período circadiano endógeno e identificada pela primeira vez em 1988¹¹ em hamsters, foi encontrada no genoma do camundongo e localizada no gene da caseína quinase I épsilon (CKIε), uma importante enzima envolvida na fosforilação das proteínas relógio¹⁰.

Todos estes genes descritos possuem muitas características em comum, o que os caracteriza como genes relógio. Em primeiro lugar, eles possuem um perfil robusto de oscilação no NSQ que dura aproximadamente 24h, exceto pelo gene Clock. Mutações em qualquer um destes genes podem causar uma regulação circadiana anormal com fenótipos que vão desde períodos endógenos mais curtos ou mais longos até a perda da ritmicidade e um prejuízo na sincronização pela luz. Como todos estes genes atuam nas engrenagens do relógio molecular, o mau funcionamento de algum deles pode levar a um prejuízo nos ajustes necessários para a maquinaria do relógio, avançando ou atrasando o tempo biológico.

Em segundo lugar, todos os genes relógio codificam proteínas que possuem o domínio PAS (Per-Arnt-Sim)³⁷, um domínio protéico que permite a dimerização proteína-proteína. As proteínas com domínio PAS só são funcionais quando dimerizadas com outras proteínas que têm o mesmo domínio; este mecanismo de interação protéica é essencial para o funcionamento do relógio circadiano. Os genes Clock e Bmal1 possuem um domínio adicional chamado basic-helix-loop-helix que permite a interação destes genes com a molécula de DNA¹². O heterodímero CLOCK/BMAL1 possui a capacidade de ligação com o DNA e age como um fator de transcrição para os outros genes relógio e para outros genes conhecidos como genes controlados pelo relógio^10,38.

Baseado nestas características, Lowrey et al. propuseram um mecanismo no qual uma alça de retroalimentação negativa que envolve a transcrição e a tradução de todos os genes relógio estaria atuando como reguladora da ritmicidade circadiana¹⁰. O heterodímero formado pelas proteínas CLOCK e BMAL1 promove a transcrição dos genes Per1, Per2, Per3, Cry1 e Cry2. As proteínas codificadas por estes genes, uma vez sintetizadas, formam dímeros no citoplasma e, quando alcançam determinados níveis, retornam ao núcleo, bloqueando a ação do heterodímero CLOCK/BMAL1 na transcrição de seus próprios genes, formando assim uma alça de retroalimentação negativa de transcrição e tradução que dura aproximadamente 24h^10,32. As enzimas CKIε e CKδ também estão envolvidas neste mecanismo e têm como papel principal regular a atividade das proteínas PER por meio de fosforilação¹⁰. Entretanto, está claro que este é um modelo bastante simplificado (Figura 1), pois novas descobertas estão sendo descritas demonstrando a complexidade deste sistema.

As proteínas do sistema de temporização biológico, principalmente as proteínas PER, são bastante complexas. Elas possuem o domínio PAS associado com um domínio de localização citoplasmática, sítios de ligação com as CKIs, sítios de fosforilação e um domínio de localização nuclear. Nesta complexidade, se inclui também o fluxo de entrada e saída destas proteínas no núcleo celular que ainda não são completamente entendidas^10,17-20.

Nos últimos cinco anos, foram descobertos novos genes envolvidos na regulação da ritmicidade circadiana. O gene Rev-Erba foi descrito como um regulador negativo dos genes Clock e Bmal1³⁹. O gene Rora tem a função de ativar a transcrição do gene Bmal1 no NSQ, funcionando como um regulador positivo⁴⁰. Os genes Dec1 e Dec2 são fatores de transcrição basic-helix-loop-helix que reprimem a indução da ativação do gene Per1 de camundongos pelo heterodímero CLOCK/BMAL1 por meio de interações diretas com a proteína BMAL1 e/ou competição por elementos E-box⁴¹. Estes novos genes participam de alças auxiliares para a alça de retroalimentação central do relógio biológico, descrita anteriormente. Em mamíferos, estas alças adicionais teriam a função de estabilizar e proporcionar um controle fino do mecanismo de transcrição e tradução, controlando a expressão e oscilações do gene Bmal1⁴² (Figura 1).

Devido à complexidade da maquinaria molecular do relógio biológico, muitas moléculas provavelmente ainda serão descritas para explicar o exato mecanismo de interação entre alças de retroalimentação central e secundárias envolvidas no controle da ritmicidade circadiana.

2. O significado da existência do relógio molecular em humanos

Uma conseqüência dos estudos descritos anteriormente é entender como a regulação molecular do sistema de temporização em mamíferos é aplicável na regulação da ritmicidade circadiana em humanos. Se mutações nos genes relógio levam à regulação anormal da ritmicidade circadiana em animais, poderíamos supor que a regulação da fisiologia circadiana e seus aspectos fisiopatológicos podem ser conseqüências da variabilidade genética nestes genes relógio?

Uma conseqüência direta da regulação diferencial da ritmicidade circadiana em humanos são os já descritos cronotipos (preferência em realizar as atividades pela manhã ou pela tarde), os transtornos do ritmo circadiano (fases do sono atrasada e adiantada), transtornos do humor, principalmente os ligados à sazonalidade, e o transtorno bipolar.

3. Fenótipos de ritmo circadiano: patológicos e não patológicos (Tabela 1)

Existem três tipos de transtornos do sono caracterizados por anormalidades no sistema circadiano já bem descritos hoje em dia. A Síndrome da Fase Atrasada do Sono (SFAS) é um transtorno no qual o principal episódio de sono é atrasado, resultando em sintomas semelhantes à insônia e dificuldade de levantar no horário desejado pela manhã. A Síndrome de Fase Avançada do Sono (SFAVS) é caracterizada por um episódio de sono adiantado, próximo ao começo da fase noturna e despertar espontâneo nas primeiras horas da manhã. Na síndrome do ciclo sono-vigília diferente de 24h (N-24) os pacientes apresentam um padrão constante crônico de atrasos diários em uma ou duas horas no começo e final do sono, resultando em um horário não constante de início do sono e despertar⁴³.

Além destas condições patológicas do sistema circadiano, existe uma condição normal de sincronização circadiana ao ciclo de 24h, chamada preferência diurna, que caracteriza o já comentado cronotipo, ou seja, o horário preferido do dia para realizar atividades. Parte da população tem preferência em levantar cedo e realizar suas atividade pela manhã - são os chamados matutinos. Os vespertinos preferem acordar tarde e realizar suas atividades durante à tarde ou à noite. No entanto, a maioria da população é intermediária, ou seja, escolhe horários intermediários entre os dois extremos. Recentemente, foi demonstrado um caráter genético na escolha do momento ideal para a realização das atividades^5,7,8,44.

A primeira publicação que demonstrou o efeito de um gene relógio na preferência diurna em humanos surgiu em 1998⁵. Neste estudo, Katzenberg et al.⁵ demonstraram que um polimorfismo localizado na região 3' do gene Clock (C3111T) está associado ao cronotipo. Eles verificaram que o alelo C na posição 3111 está associado com a vespertinidade. Estudo em animais transgênicos que carregam polimorfismo T3111C do gene Clock humano mostra que os animais homozigotos CC, quando colocados em claro constante no período de lactação, tornam-se um modelo de animal com fase atrasada do sono. Este modelo de animal será importante em pesquisas futuras para entendermos melhor o mecanismo fisiopatológico da SFAS, bem como seu tratamento⁴⁵.

Mas, apesar disso, os dados em relação a este polimorfismo ainda são controversos. Em 2002, Robilliard et al.⁴⁶ não encontraram a mesma associação em uma amostra da população inglesa e alguns dados obtidos em nosso laboratório também não mostram a associação do polimorfismo no gene Clock com a preferência diurna em uma amostra da população brasileira⁷.

Archer et al.⁴⁷ e Pereira et al.⁸ demonstraram que um polimorfismo de repetição (VNTR - Variable Number of Tandem Repeat) no gene Per3 humano está associado com a preferência diurna. Ambos os grupos de pesquisa demonstraram que a freqüência do alelo curto (quatro repetições) é maior em grupos de vespertinos do que em grupos de matutinos.

Carpen et al. analisaram polimorfismos no gene Per1 (T2434C) e na região 5' não-traduzida no gene Per2 (C111G) e verificaram associação com o cronotipo^48,49. Como o polimorfismo T2434C não altera a seqüência de aminoácidos na proteína e nem a estrutura do RNAm, os autores sugerem que alteração (T2434C) esteja em desequilíbrio de ligação com algum polimorfismo desconhecido; por outro lado, o polimorfismo do gene Per2 pode alterar a estrutura secundária do RNAm transcrito e, como o alelo 111G está associado com a matutinidade, os autores sugerem que este alelo seja também um forte candidato de associação para pacientes com SFAVS.

Estes e outros polimorfismos em genes relógio têm sido estudados em casos esporádicos de transtornos do ritmo circadiano. Ebisawa et al. mostraram que polimorfismos presentes no gene Per3 podem estar associados com a SFAS⁴⁴. Archer et al.⁴⁷ reduziram a região estudada por Ebisawa et al.⁴⁴ e verificaram que o VNTR presente no gene Per3 está associado com a SFAS. Estes pesquisadores verificaram que a freqüência do alelo curto de quatro repetições era maior no grupo de pacientes com SFAS. Nosso grupo⁸ encontrou associação do alelo oposto, o alelo longo (cinco repetições), com a SFAS. Os dois estudos foram feitos em populações com origem étnica caucasiano-européia vivendo em diferentes latitudes, indicando que a latitude pode afetar a expressão dos genes relógio. Como conseqüência, apesar de causar estranheza, sugere que pacientes com SFAS podem apresentar melhora ao mudar de latitude. Interessantemente, há um relato de caso sobre um paciente com SFAS morador de Paris que apresentou uma melhora do quadro de atraso do sono ao mudar-se para o Rio de Janeiro⁵⁰.

A lógica biológica para se entender a relação entre latitude e preferência diurna ou transtornos do ritmo circadiano reside no fato de que a latitude traz embutida uma diferença gritante nas variações anuais de energia solar luminosa ou comprimento do dia. Estas variações são elementos essenciais de sinalização temporal do ambiente para o cérebro e exige do sistema de temporização circadiano plasticidade suficiente para efetuar a sincronização ao claro/escuro ambiental.

Em São Paulo, a diferença entre o dia mais curto e o mais longo do ano é de aproximadamente 2h, enquanto em Londres esta diferença é de 8h. Dados de nosso grupo a partir da caracterização de 12 mil pessoas no Brasil reforçam o efeito da latitude no cronotipo. Estes dados mostram que as pessoas que vivem próximas à linha do equador nos Estados do Norte e Nordeste (onde praticamente não há variabilidade da energia luminosa ao longo do ano) têm uma tendência maior a serem matutinos em relação a indivíduos que vivem no Sul do país (comunicação pessoal). Interessantemente, um recente estudo mostra que o índice de suicídios no país ao longo do ano tem uma tendência sazonal, como em países do hemisfério norte, somente nos Estados do Sul nos quais, devido à latitude, há um contraste muito maior na variação da energia luminosa ao longo do ano⁵¹.

Um estudo em condições laboratoriais constantes e monitoradas em indivíduos saudáveis selecionados por seu genótipo no gene Per3 (homozigotos para quatro ou cinco repetições) corrobora estudos de campo sobre os notáveis efeitos deste gene na estrutura do sono, incluindo marcadores da homeostase. Este estudo sugere que o gene Per3 esteja envolvido não somente com a regulação circadiana, como também com a regulação homeostática do sono⁵².

Estudos em famílias têm demonstrado que o avanço ou o atraso de fase do sono possui um caráter hereditário^53,54. A identificação de famílias com transtornos do ritmo circadiano é uma importante ferramenta para identificar genes relacionados com a regulação dos ritmos circadianos do ciclo sono-vigília em humanos.

Em 2001, Reid et al. caracterizaram fenotipicamente uma família com SFAVS e observaram que existia um indivíduo afetado para cada geração, seguindo um padrão mendeliano de herança autossômica dominante⁵⁴. Ancoli-Israel et al. publicaram um heredrograma de uma família com SFAS⁵³.

Toh et al. analisaram molecularmente uma família com SFAVS e verificaram que uma mutação encontrada no gene Per2 (A2106G) estava presente em todos os membros afetados da família⁵⁵. Em 2007, Xu et al. inseriram esta mutação humana do gene Per2 (A2106G) em camundongos e observaram o mesmo fenótipo de avanço de fase nos animais e conseqüentemente a diminuição do período endógeno, reforçando a associação desta mutação com a SFAVS⁵⁶.

Em geral, estudos em animais têm demonstrado que variações nos genes relógio causam anormalidades na regulação dos ritmos circadianos, principalmente por alteração no comprimento do período endógeno, levando a uma alteração no ângulo de fase de sincronização pela luz. Fenótipos circadianos muito semelhantes aos encontrados em animais são vistos em humanos, abrindo um leque bastante grande para pesquisas científicas, que visam buscar associações de alterações nos genes relógio com fenótipos circadianos. Provavelmente, nos próximos anos, novas variações serão encontradas e associadas com a regulação circadiana em humanos. Assim, fica aberta a possibilidade de podermos construir um mapa de variações genéticas dos genes relógio, que poderá ser aplicado à biologia circadiana humana e auxiliar no tratamento de problemas de saúde desenvolvidos por regulação anormal dos ritmos circadianos.

4. Transtornos do humor (Tabela 2)

Embora a etiologia dos transtornos do humor seja extremamente complexa e não completamente entendida, uma possível explicação para estes transtornos seria o mau funcionamento do sistema de temporização circadiano que produziria uma dessincronização da ordem temporal interna e provavelmente dificuldades para sincronização com os ciclos ambientais, produzindo os fenótipos observados nestes pacientes. Alguns estudos mostram que nos transtornos do humor, como, por exemplo, o transtorno sazonal, o transtorno bipolar e a depressão, há uma disfunção nos ritmos circadianos de secreção de cortisol, da temperatura corporal central e do ciclo sono/vigília^57-60. O tratamento com terapia de luz intensa é bastante eficaz em pacientes com transtorno afetivo sazonal e pode ser comparado com a eficácia dos medicamentos antidepressivos⁶¹. Estes fatos reforçam uma ligação importante entre estes transtornos e a regulação anormal da ritmicidade circadiana.

O tratamento com lítio é bastante eficaz em pacientes com transtorno bipolar^62-64. O lítio é um potente inibidor da enzima glicogênio sintase quinase – 3, uma enzima que fosforila e estabiliza a proteína REV-ERB (componente negativo do "relógio biológico"). Yin et al. mostraram, em células em cultura, que a aplicação de lítio leva a uma degradação rápida de REV-ERB e, conseqüentemente, à regularização da expressão do gene Bmal-1⁶⁵. Portanto, o controle da estabilidade da proteína REV-ERB parece importante para a manutenção do relógio biológico molecular na terapia com lítio em pacientes bipolares.

Estudos em animais com genes relógio não funcionais (animais knock-out) têm mostrado regulação anormal do ciclo sono/vigília, dificuldades de sincronização e falta de persistência de ritmos circadianos^29,66,67. Estes genes são, portanto, excelentes candidatos para ter um papel na patofisiologia dos transtornos do humor. Além disso, estudos em famílias, gêmeos e com crianças adotadas têm mostrado que uma história familiar positiva é um fator de risco importante, sugerindo que fatores genéticos são componentes importantes que contribuem para aumentar o risco destes transtornos^68-70.

A ligação relativamente óbvia entre a regulação molecular dos ritmos circadianos e os transtornos do humor desencadearam uma série de estudos que mostram que alterações ou variações em genes relógio estão associadas a estes transtornos^71-79. Esta linha de pesquisa abre novos caminhos para o melhor entendimento da fisiologia destes transtornos, bem como novos tratamentos.

O gene Clock tem sido bastante investigado em pacientes com transtornos do humor. Benedetti et al. investigaram o papel do polimorfismo T3111C do gene Clock em pacientes com transtorno bipolar e verificaram um aumento da freqüência do homozigoto C em pacientes que têm este transtorno por mais de cinco anos⁷³.

Outro estudo publicado em 2007 por este mesmo grupo⁷⁴ analisou a atividade diurna e noturna de pacientes com depressão bipolar por meio de actimetria e verificou que os indivíduos homozigotos T eram mais ativos durante à tarde, iniciavam o sono com certo atraso (em média 79 minutos) e dormiam menos durante a noite (em média 75 minutos). Animais knock-out para o gene Clock podem apresentar estados comportamentais semelhantes à mania⁸⁰.

Serreti et al. analisaram o polimorfismo T3111C em 620 pacientes com depressão maior e transtorno bipolar⁷⁸. Foi detectado um aumento da recorrência de insônia nos pacientes homozigotos 3111C. Este mesmo grupo de pesquisadores, em 2005⁷⁹, analisaram a influência deste polimorfismo sobre a insônia de pacientes em fase de tratamento com antidepressivos. Foi verificado que a maioria dos pacientes que tinham insônia durante o tratamento era homozigoto 3111C. Entretanto, alguns estudos não encontram associação entre este polimorfismo (T3111C) e transtorno unipolar ou transtorno bipolar⁷² e a depressão maior⁸¹.

Outro estudo recente demonstrou que haplótipos nos genes relógio Bmal1 e Per3 estão associados com o transtorno afetivo bipolar⁷⁶. Partonen et al. fizeram análises "in silico" de três genes relógio (Per2, Bmal1, Npas2) e verificaram que variações nestes genes estão associadas com a depressão sazonal, sustentando a hipótese de que mecanismos moleculares circadianos contribuem para o desenvolvimento deste transtorno⁷⁷.

Artioli et al. analisaram três variantes no gene Per3 em pacientes com depressão maior e transtorno bipolar e mostraram uma significativa associação destes polimorfismos com a idade de início, a resposta ao tratamento, as respostas circadianas ao humor e ao temperamento⁷¹.

Mansour et al. analisaram 46 polimorfismos em oito genes relógio: Bmal1, Clock, Per1, Per2, Per3, Cry1, Cry2 e Tim em pacientes com transtorno bipolar e pacientes com esquizofrenia e verificaram que existem associações de polimorfismos nos genes Tim e Per3 com a esquizofrenia, além de uma modesta associação dos genes Bmal1 e Tim com o transtorno bipolar⁷⁵.

Conclusões

Existe uma grande variedade de estudos de associações de polimorfismos nos genes relógio com transtornos do ritmo circadiano e transtornos do humor. Estes estudos estão aumentando consideravelmente na literatura especializada nos últimos anos, devido à importância dos resultados no sentido de melhorar o entendimento da gênese e do desenvolvimento destes transtornos, bem como seus tratamentos. A possibilidade de verificar a expressão destes genes em células periféricas, como, por exemplo, no sangue de pacientes⁸², abre um caminho para o diagnóstico.

A descoberta de variações genéticas regulando os fenótipos circadianos, incluindo alguns transtornos do humor, pode levar a um importante impacto terapêutico na medicina preventiva. Estes estudos podem ajudar no entendimento e tratamento dos transtornos do sono, do ritmo circadiano e de humor, bem como na prevenção de riscos para saúde causados por viagens transcontinentais e trabalhos por turno e noturno.

Com a finalização do Projeto Genoma (mapeamento e seqüenciamento do genoma humano), o conhecimento sobre os fatores genéticos associados às doenças humanas mais prevalentes está crescendo rapidamente. Embora a aplicação generalizada na clínica médica não ter chegado ao alcance destas conquistas, a revolução genômica indica uma mudança de paradigma em direção a uma medicina personalizada, que inclui a farmacogenômica. A área de cronobiologia aplicada à medicina tem potencial de ser umas das primeiras a se beneficiar destes avanços.

Fontes de financiamento

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) – CEPID N° 98/143003-3 e Associação Fundo de Incentivo à Psicofarmacologia (AFIP).

Submetido: 18 Julho 2008

Aceito: 14 Novembro 2008

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  23 Mar 2009
• Data do Fascículo
  Mar 2009

Histórico

• Aceito
  14 Nov 2008
• Recebido
  18 Jul 2008