Scoperto il Meccanismo Interno dell’Orologio Biologico

di wp_7546943 · Pubblicato ottobre 29, 2017 · Aggiornato novembre 1, 2017

Sommario

La vita sulla Terra si è adattata alla rotazione del nostro pianeta. Per molti anni sappiamo che gli organismi viventi, inclusi gli esseri umani, hanno un orologio biologico interno che li aiuta ad anticipare e adattarsi al ritmo regolare della giornata. Ma come funziona effettivamente questo orologio? Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash e Michael W. Young hanno chiarito il funzionamento interno del nostro orologio biologico. Le loro scoperte spiegano come le piante, gli animali e gli esseri umani adattano il loro ritmo biologico in modo che sia sincronizzato con le rivoluzioni della Terra (giorno-notte). Per questa scoperta sono stati premiati con il premio nobel il 2 ottobre 2017.

Il nostro orologio interno

La maggior parte degli organismi viventi anticipa e si adatta ai cambiamenti quotidiani nell’ambiente. Durante il XVIII secolo, l’astronomo Jean Jacques d’Ortous de Mairan studiando le mimose ha scoperto che le foglie si aprono verso il sole durante il giorno e si chiudono al crepuscolo. Si chiese cosa sarebbe successo se la pianta fosse posta in oscurità costante. Ha scoperto che, indipendentemente dalla luce solare giornaliera, le foglie hanno continuato a seguire la loro normale oscillazione quotidiana (Figura 1). Le piante sembravano avere un proprio orologio biologico.

Altri ricercatori hanno scoperto che non solo le piante, ma anche gli animali e gli esseri umani, hanno un orologio biologico che aiuta a preparare la nostra fisiologia per le fluttuazioni della giornata. Questo adattamento regolare viene definito come il ritmo circadiano, che deriva dalle parole latine “circa” che significa ciclo ritmo e “dies” che significa giorno. Ma come funzionava il nostro orologio biologico circadiano rimase un mistero.

La scoperta del gene orologio

Nel 1984, Jeffrey Hall e Michael Rosbash, lavorando in stretta collaborazione all’Università Brandeis di Boston e Michael Young alla Rockefeller University di New York, sono riusciti a isolare il gene “period”. Jeffrey Hall e Michael Rosbash hanno poi continuato a scoprire che PER, la proteina codificata dal gene period, si accumula durante la notte diminuisce durante il giorno. Così, i livelli delle proteine PER oscillano in un ciclo di 24 ore, in sincronia con il ritmo circadiano.

Il meccanismo di regolazione automatica dell’orologio

L’obiettivo successivo dei ricercatori, era quello di capire come queste oscillazioni circadiane potevano essere generate e sostenute. Jeffrey Hall e Michael Rosbash hanno ipotizzato che la proteina PER potrebbe bloccare l’attività del gene period tramite un circuito di feedback negativo, in questo modo la proteina PER potrebbe controllare la propria sintesi e quindi regolare il suo livello in un ciclo continuo (Figura 2A).

La figura 2A mostra una semplificata illustrazione della regolazione del feedback del gene del period. La figura illustra la sequenza degli eventi durante un’oscillazione di 24 ore. Quando il gene period è attivo, viene sintetizzato il period mRNA. L’mRNA viene trasportato nel citoplasma della cellula e serve come modello per la produzione della proteina PER. La proteina PER si accumula poi nel nucleo della cellula, dove inibisce l’attività del gene period. Ciò dà origine al meccanismo di feedback negativo basato sul ritmo circadiano.

Ma il modello aveva ancora alcuni pezzi mancanti. Per inibire l’attività del gene period, la proteina PER, prodotta nel citoplasma, deve raggiungere il nucleo cellulare dove si trova il materiale genetico. Jeffrey Hall e Michael Rosbash hanno dimostrato che la proteina PER si accumula nel nucleo durante la notte.

Nel 1994 Michael Young ha scoperto un secondo gene dell’orologio biologico, “timeless” (senza tempo), che codifica la proteina TIM necessaria per un normale ritmo circadiano. Ha dimostrato che quando TIM è legata a PER, le due proteine sono in grado di entrare nel nucleo cellulare inibendo l’attività del gene period (Figura 2B).

Il meccanismo di feedback spiega come avviene l’oscillazione dei livelli proteici nella cellula, ma altri quesiti non avevano trovato ancora riposta. Che cosa controlla la frequenza delle oscillazioni? Michael Young ha identificato un altro gene il “dubletime” che codifica per la proteina DBT che ritarda l’accumulo della proteina PER. Questo ha fornito informazioni su come l’oscillazione della proteina sia regolata in modo più coerente al ciclo delle 24 ore.

Altri studi in corso hanno identificato ulteriori proteine necessarie per l’attivazione del gene del period, nonché il meccanismo con cui la luce può sincronizzare l’orologio.

L’orologio biologico sulla fisiologia umana

L’orologio biologico è coinvolto in molti aspetti della nostra complessa fisiologia. Ora sappiamo che tutti gli organismi multicellulari, compresi gli esseri umani, utilizzano un meccanismo simile per controllare i ritmi circadiani. Una grande parte dei nostri geni è regolata dall’orologio biologico e, di conseguenza, un ritmo circadiano accuratamente calibrato adatta la nostra fisiologia alle diverse fasi del giorno (Figura 3). La biologia circadiana si stà sviluppando in un campo di ricerca vasto e altamente dinamico, con implicazioni per la nostra salute e il benessere.

(figura sopra). L’orologio circadiano anticipa e adatta la nostra fisiologia alle diverse fasi della giornata. Il nostro orologio biologico aiuta a regolare il sonno, il comportamento alimentare, il rilascio degli ormoni, la pressione sanguigna e la temperatura corpore