Circadian Clock-Controlled Genes Part 2: Interaction Between the Clock and Metabolism

Summary

El 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

00:00

🕒 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.

05:00

🧬 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.

Keywords

💡NAMPT

NAMPT, o Nicotinamide Phosphoribosyltransferase, es una enzima esencial en la producción de NAD+, una molécula vital que transfiere energía química y funciona como cofactor en varias reacciones bioquímicas. En el video, NAMPT se describe como central en el vínculo entre el reloj circadiano y el metabolismo, dado que su actividad se regula por el reloj circadiano y afecta a su vez la producción de NAMPT mediante un proceso de retroalimentación.

💡Reloj circadiano

El reloj circadiano es un sistema interno que regula los ritmos biológicos diarios en los organismos. En el contexto del video, el reloj circadiano influye en la expresión de NAMPT, lo que demuestra cómo las fluctuaciones temporales pueden impactar procesos metabólicos esenciales como la producción de NAD+.

💡NAD+

NAD+, o Nicotinamida adenina dinucleótido, es crucial como portador de electrones en reacciones de transferencia de energía y como cofactor para enzimas que afectan la expresión génica y la reparación del ADN. Según el video, NAD+ media en procesos clave como la oxidación de ácidos grasos y el ciclo de Krebs, integrando la función metabólica con la regulación circadiana.

💡SIRT1

SIRT1 es una proteína que se activa por NAD+ y regula el reloj molecular al interactuar con el dímero CLOCK/BMAL1. Este mecanismo resalta la interconexión entre el metabolismo del NAD+ y la regulación circadiana, como se discute en el video, implicando a SIRT1 en la adaptación metabólica a cambios temporales.

💡Mutación condicional

La mutación condicional se refiere a la eliminación selectiva de un gen en tejidos específicos o etapas del desarrollo, utilizando la tecnología Cre-lox. El video utiliza este concepto para explorar los efectos de la pérdida de NAMPT en tejidos específicos como músculo esquelético y neuronas de proyección, ilustrando cómo afecta funciones vitales como la resistencia muscular y la integridad neuronal.

💡Cre-lox

El sistema Cre-lox es una técnica de ingeniería genética que permite la manipulación específica de genes en organismos vivos. Cre es una recombinasa que corta el ADN en sitios loxP específicos, permitiendo la eliminación dirigida de genes. Este método es crucial en el estudio de funciones genéticas específicas en tejidos, como se muestra en la eliminación de NAMPT en el hígado en el video.

💡Oxidación de ácidos grasos

La oxidación de ácidos grasos es un proceso metabólico crucial para la conversión de grasas en energía. En el video, se menciona cómo la disminución de NAD+ en ratones con mutaciones en el gen Bmal1 reduce la capacidad de oxidar grasas, lo que subraya la importancia de NAMPT y NAD+ en mantener la eficiencia energética durante el ayuno.

💡Resistencia a la insulina

La resistencia a la insulina es una condición en la cual las células del cuerpo responden inadecuadamente a la hormona insulina, afectando la regulación del azúcar en la sangre. En el video, se discute cómo la pérdida de NAMPT en el tejido adiposo provoca una resistencia severa a la insulina, resaltando el rol crítico de NAMPT en la salud metabólica.

💡Degeneración neuronal

La degeneración neuronal es el deterioro progresivo de neuronas, lo que puede llevar a disfunciones neurológicas y musculares. El video

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.