Circadian Clock-Controlled Genes Part 2: Interaction Between the Clock and Metabolism
Summary
TLDREl script del video explora la compleja relación entre el reloj circadiano, el metabolismo y NAMPT, una enzima clave para la producción de NAD+, esencial para la transferencia de energía química en las células y la expresión genética. NAD+ también es un cofactor para enzimas que reparan el ADN dañado. La actividad de NAMPT influye en el nivel de NAD+, lo que afecta el reloj circadiano, y este a su vez controla la producción de NAMPT, creando un feedback que conecta el reloj circadiano con el metabolismo. Los efectos negativos del metabolismo en los ratones con reloj circadiano alterado se deben en parte a niveles disminuidos de NAMPT. Experimentos muestran que la supresión de NAMPT en tejidos específicos conduce a problemas como debilidad muscular, resistencia a la insulina y disrupción de la señal de excreción de insulina, destacando la importancia de NAMPT para el metabolismo celular y la supervivencia.
Takeaways
- 🕒 El reloj circadiano controla la producción de NAMPT, que es esencial para la producción de NAD+.
- 🔋 NAD+ es un portador de electrones crucial para la transferencia de energía química en las células y un cofactor para enzimas que modifican la expresión génica o reparan el ADN dañado.
- 🔄 NAMPT convierte NAM en NMN, que luego se convierte en NAD+, y es esencial para regenerar NAD+ utilizado en reacciones celulares.
- 🧬 La actividad de NAMPT afecta los niveles de NAD+, lo que a su vez afecta el reloj circadiano, creando un retroalimentación que conecta el reloj circadiano con el metabolismo.
- 🐁 Los ratones con mutaciones que eliminan completamente Nampt son letales en la embryonación, lo que demuestra la importancia vital de NAMPT.
- 🎯 Se utiliza el sistema cre-lox para generar ratones condicionales con la función de Nampt específicamente eliminada en tejidos o etapas de desarrollo determinados.
- 💪 La eliminación de NAMPT en el músculo esquelético causa debilidad muscular, posiblemente debido a una disminución en el contenido de ATP y NAD+ en las mitocondrias.
- 🧠 La pérdida de NAMPT en las neuronas proyeccionales conduce a la neurodegeneración, lo que provoca anomalías motoras, atrofia muscular y eventualmente la muerte.
- 🩸 La eliminación de NAMPT en el tejido adiposo causa una resistencia severa a la insulina.
- 💉 La pérdida de NAMPT en las células beta pancreaticas conduce a una disminución en la relación ATP/ADP y perturba la señal de secreción de insulina.
- 🚫 Tener bajos niveles de NAMPT, como en los ratones mutantes circadianos, es problemático y afecta el metabolismo mitocondrial, incluida la oxidación de ácidos grasos.
- 🔄 La administración de NMN a los animales mutantes circadianos puede normalizar los niveles de NAD+ y recuperar la actividad de la oxidación de ácidos grasos en las mitocondrias.
Q & A
¿Qué es NAMPT y qué función cumple en la producción de NAD+?
-NAMPT es la abreviatura de Nicotinamide Phosphoribosyltransferase, una enzima crucial para la producción de NAD+. NAD+ es un portador de electrones esencial para que las células transfieran energía química y también es un cofactor para enzimas que modifican la expresión génica o reparan el ADN dañado.
¿Cómo actúa NAD+ en el proceso de energía celular?
-NAD+ actúa como un tranporte de electrones para varias reacciones, incluyendo la oxidación de ácidos grasos, el ciclo de Krebs y la glicolisis. Estos procesos utilizan reacciones interconectadas que finalmente utilizan NAD+ para transportar la energía química utilizada para fabricar ATP.
¿Cómo se relaciona NAMPT con el reloj circadiano y la regulación de la expresión génica?
-NAD+ activa una proteína llamada SIRT1, que se une al dimero CLOCK/BMAL1 y regula el reloj molecular. De esta manera, la actividad de NAMPT afecta el nivel de NAD+, lo que a su vez afecta el reloj circadiano, y el reloj controla la producción de NAMPT, creando un feedback que conecta el reloj circadiano con el metabolismo.
¿Qué sucede si la expresión de NAMPT es baja o arrítmica?
-La baja expresión de NAMPT puede ser letal en los animales, como se muestra en los ratones con mutaciones que eliminan Nampt, que son letales en la embrión. En ratones con relojes circadianos alterados, la expresión de NAMPT disminuye y se vuelve arrítmica, lo que puede tener consecuencias negativas en el metabolismo y la expresión génica.
¿Cómo se utiliza el sistema cre-lox para investigar el papel de NAMPT en diferentes tejidos?
-El sistema cre-lox utiliza una recombinasa específica del sitio llamada cre y secuencias de ADN reconocidas por cre llamadas lox p sites. Los científicos diseñan el gen cre para que solo se exprese en un tejido particular o bajo condiciones específicas. Cuando se produce Cre recombinasa en células que producen álbumina, recorta la secuencia genética de Nampt, lo que impide la expresión funcional de NAMPT en esas células.
¿Qué consecuencias tiene la eliminación de NAMPT en los músculos esqueléticos?
-La eliminación de NAMPT en los músculos esqueléticos causa debilidad muscular, posiblemente debido a una disminución observada en el contenido de ATP y NAD+ en las mitocondrias.
¿Cómo afecta la pérdida de NAMPT en las neuronas proyecciones el funcionamiento del sistema nervioso?
-La pérdida de NAMPT en las neuronas proyecciones, que conectan el cerebro con los músculos, conduce a la neurodegeneración, lo que causa anomalías motoras, atrofia muscular y, eventualmente, la muerte.
¿Qué ocurre cuando se elimina NAMPT en el tejido adiposo?
-La eliminación de NAMPT en el tejido adiposo causa una resistencia grave a la insulina, lo que afecta la regulación de la glucosa en la sangre.
¿Cómo influye la pérdida de NAMPT en las células beta pancreaticas?
-La pérdida de NAMPT en las células beta pancreaticas conduce a una disminución en la relación ATP/ADP y perturba la señal de secreción de insulina, afectando el control de la glucosa.
¿Por qué es importante la actividad de NAMPT para la oxidación de ácidos grasos durante el ayuno?
-La actividad de NAMPT es crucial para la oxidación de ácidos grasos durante el ayuno porque es necesaria para la producción de NAD+, que es esencial para la realización de este proceso metabólico en las mitocondrias.
¿Cómo demostró la investigación que el reloj circadiano controla la metabolismo oxidativo mitocondrial a través de la producción de NAD+ dependiente de Nampt?
-Los científicos observaron que en mitocondrias de hígado de ratones que carecen del gen reloj central Bmal1, había una disminución en NAD+ y en la actividad de las vías oxidativas que realizan la oxidación de ácidos grasos. Al administrar NMN a los animales mutantes circadianos para omitir NAMPT, se recuperaron los niveles normales de NAD+ y la actividad de la oxidación de ácidos grasos en estos ratones.
¿Cómo se resume la relación entre el reloj circadiano, la producción de NAMPT y el metabolismo celular?
-El reloj circadiano controla la producción de NAMPT, la cual a su vez alimenta el reloj a través de NAD+ y SIRT1. La producción de NAMPT es crítica para el metabolismo celular y algunos de los efectos metabólicos negativos de los ritmos circadianos alterados ocurren debido a niveles disminuidos de NAMPT. Estos procesos de retroalimentación son fundamentales para la supervivencia y revelan la interdependencia del timing circadiano y las vías metabólicas.
Outlines
🕒 Relación entre el reloj circadiano, el metabolismo y NAMPT
Este párrafo examina cómo NAMPT, que codifica la Nicotinamide Phosphoribosyltransferase, es crítica para la producción de NAD+, un electron transportador esencial y cofactor para enzimas que modifican la expresión génica o reparan el ADN dañado. NAD+ es un sistema de transporte de electrones para procesos como la oxidación de ácidos grasos, el ciclo de Krebs y la glicolisis. NAMPT convierte NAM en NMN, que luego se convierte en NAD+. La actividad de NAMPT afecta los niveles de NAD+, lo que afecta el reloj circadiano, y el reloj controla la producción de NAMPT. Esto conecta el reloj circadiano con el metabolismo. Cuando el reloj circadiano se desestabiliza, la expresión de NAMPT disminuye y se vuelve arrítmica, lo que tiene consecuencias negativas para la supervivencia.
🧬 Consecuencias de la baja expresión de NAMPT y su papel en la mitocondria
Este párrafo explora las consecuencias de la baja expresión de NAMPT, como la letalidad embrionaria en los animales knockout y la posibilidad de examinar el papel de Nampt mediante knockouts condicionales. La pérdida de NAMPT en tejidos específicos, como el músculo esquelético, las neuronas proyecciones o las células beta pancreaticas, conduce a diversas patologías, incluida la degeneración neuronal, la resistencia a la insulina y la disrupción de la señal de secreción de insulina. Además, se examina el papel de NAMPT en la mitocondria, donde la falta de NAMPT en mice knockout de Bmal1 resulta en una disminución de NAD+ y en la actividad de las vías oxidativas de la oxidación de ácidos grasos. La administración de NMN a estos animales permite recuperar los niveles normales de NAD+ y la actividad de la oxidación de ácidos grasos, demostrando que el reloj circadiano controla el metabolismo oxidativo mitocondrial regulando la producción de NAD+ dependiente de Nampt.
Mindmap
Keywords
💡NAMPT
💡Reloj circadiano
💡NAD+
💡SIRT1
💡Mutación condicional
💡Cre-lox
💡Oxidación de ácidos grasos
💡Resistencia a la insulina
💡Degeneración neuronal
Highlights
NAMPT is controlled by the circadian clock
NAMPT encodes Nicotinamide Phosphoribosyltransferase, an enzyme critical for NAD+ production
NAD+ is an electron carrier and cofactor for enzymes that modify gene expression or repair DNA
NAMPT converts NAM into NMN, which is then converted into NAD+
NAD+ activates protein SIRT1, which regulates the circadian clock
NAMPT activity affects NAD+ levels, which in turn affects the circadian clock
Mice with Nampt mutations are embryonic lethal, highlighting its importance for survival
Conditional knockouts allow examining the role of Nampt by targeting loss of function to specific tissues or stages
The Cre-Lox system is used to engineer mice for conditional gene knockouts
Knocking out NAMPT in skeletal muscle causes muscle weakness and decreased ATP/NAD+ in mitochondria
Loss of NAMPT in projection neurons leads to neurodegeneration and motor abnormalities
Deleting NAMPT in adipose tissue causes severe insulin resistance
Loss of NAMPT in pancreatic beta cells disrupts insulin secretion
Low/non-rhythmic NAMPT in circadian mutant mice affects mitochondrial oxidative metabolism
Bmal1 knockout mice have decreased fatty acid oxidation and NAD+, leading to increased sensitivity to fasting
Supplementing NMN in circadian mutants restores NAD+ levels and fatty acid oxidation activity
The circadian clock controls mitochondrial metabolism by regulating Nampt-dependent NAD+ production
Disrupted circadian rhythms have negative metabolic effects partly due to decreased NAMPT levels
The feedback loop between the circadian clock and NAMPT is critical for survival and reveals their interdependence
Transcripts
In our previous video, we discussed how NAMPT
is controlled by the circadian clock. In this video, we will discuss the complex relationship
between metabolism, the circadian clock, and NAMPT.
Nampt encodes Nicotinamide Phosphoribosyltransferase, an enzyme that is critical for the production
of NAD+. NAD+ is both an electron carrier essential for cells to transfer chemical energy
and also a cofactor for enzymes that modify gene expression or repair damaged DNA. NAD
acts as an electron shuttle for various reactions including fatty acid oxidation, the Krebs
cycle, and glycolysis. These processes use interlinked reactions that ultimately use
NAD+ to carry chemical energy used to make ATP.
NAMPT converts one of the building blocks of NAD+, called NAM, into NMN. NMN is then
converted into NAD+. As NAD+ is used in reactions, it is converted back into NAM and NAMPT is
needed to generate more NAD+ NAD+ activates a protein called SIRT1. SIRT1
binds to the CLOCK/BMAL1 dimer and regulates the molecular clock. Thus, NAMPT activity
affects the level of NAD+, which affects the circadian clock, and the clock controls the
production of NAMPT. This feedback connects the circadian clock to metabolism.
As we discussed in our previous video, when the circadian clock is disrupted, NAMPT expression
decreases and becomes arrhythmic. What are the consequences of low NAMPT expression?
Well, mice with mutations that remove Nampt entirely are embryonic lethal - this means
that Nampt is so important to survival, that the Nampt knockout animals don’t live long
enough to be born. Instead, researchers can examine the role
of Nampt by making conditional knockouts, meaning that Nampt is not missing in all cells
all the time. Rather, loss of function can be specifically targeted to a tissue or developmental
stage. In many cases, animals can survive an embryonic lethal gene being knocked out
in certain tissues or later in development. To engineer mice for conditional loss of a
gene, the cre-lox system is used. This approach uses cre, a site-specific recombinase, and
lox p sites, sequences of DNA recognized by cre. Scientists engineer Cre to be expressed
only in a particular tissue or under specific conditions. Everywhere else in the body, Cre
is not made. For our example, let’s link the cre gene to the promoter of the gene that
codes for albumin, which is mostly made in the liver. Like all our genes, the genetic
code for albumin is stored in the DNA of every cell. But albumin is typically only expressed
in the liver. If we insert the cre gene under the control of the albumin promoter, then
although the cre gene will be in the DNA of every cell, the Cre protein will be made only
in the tissues where albumin is made, mostly in the liver.click] When a cell transcribes
the albumin gene, it will also turn on the Cre gene, and cells that do not synthesize
albumin, like in the kidney, will not make the recombinase. Lox P sites are placed around
an important part, such as a critical exon, of another gene - let’s say Nampt. When
Cre recombinase is expressed in cells that make albumin, Cre recognizes the lox p sites
and excises the Nampt gene sequence. Thus, these specific cells will not be able to express
functional NAMPT, while other cells are still able to.
Using Cre-Lox technology, scientists found that when NAMPT production is knocked out
in skeletal muscle, it causes muscle weakness. This is believed to be caused by an observed
decline in ATP content and NAD+ in the mitochondria. Loss of NAMPT in projection neurons, which
link the brain to the muscles, leads to neurodegeneration, causing motor abnormalities, muscle atrophy,
and eventually death. Deletion of NAMPT in adipose tissue causes severe insulin resistance.
Finally, loss of NAMPT in pancreatic beta cells leads to a decrease in the ATP/ADP ratio
and disrupts the insulin excretion signal. Having no NAMPT is problematic, but what about
the low, non-rhythmic NAMPT seen in circadian mutant mice? Let’s look at the role of NAMPT
in mitochondria: When an animal fasts, it oxidizes fat to form
ketones, and produces ATP in a process called fatty acid oxidation. In mitochondria from
the liver of mice that lack the core clock gene Bmal1, scientists found a decrease in
both NAD+ and activity of the oxidative pathways that carry out fatty acid oxidation. Bmal1
knockout mice die after relatively short periods of food restriction compared to wild type
animals. The sensitivity of the Bmal1 knockouts is believed to be due to a decrease in the
ability to oxidize their fat for energy. The scientists hypothesized that this decrease
in fatty acid oxidation and NAD+ is due to a decrease in NAMPT activity, so they gave
the circadian mutant animals NMN to bypass NAMPT. Once they did this, the liver mitochondria
in the circadian mutants had normal NAD+ levels, and recovered fatty acid oxidation activity
in these mice. These experiments show that the circadian clock controls mitochondrial
oxidative metabolism by regulating the Nampt-dependent production of NAD+.
So let’s review what we’ve learned. The circadian clock controls NAMPT production.
NAMPT production feeds back to the clock through NAD+ and SIRT1. NAMPT production is critical
for cellular metabolism, and some of the negative metabolic effects of disrupted circadian rhythms
occur because of decreased levels of NAMPT. These feedback processes are critical for
survival and reveal the interdependence of circadian timing and metabolic pathways.
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