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Il ritmo circadiano

Il Premio Nobel per la Fisiologia o la Medicina del 2017 è stato assegnato a Jeffrey Hall della University of Maine di Orono, a Michael Rosbash della Brandeis University di Waltham, Massachusetts, e a Michael Young della Rockefeller University di New York, per i loro studi sul funzionamento di diversi geni che controllano il ritmo circadiano del corpo. Nel loro insieme, le loro scoperte spiegano il modo in cui le piante, gli animali e gli esseri umani si adattano e coordinano il loro ritmo biologico in modo che sia sincronizzato con il ciclo giorno/notte della Terra.

Comprendere l’orologio circadiano è necessario anche per capire in che modo gli organismi coordinano le varie parti del loro metabolismo nel corpo, per esempio l’oscillare dei livelli di ormoni, l’importanza del sonno o la formazione dei ricordi.

Gli scienziati hanno utilizzato i moscerini della frutta come modello per trovare i geni che, in caso di mutazione, alterano il ritmo circadiano. Hanno identificato le molecole prodotte da quei geni, l’RNA e le proteine, e hanno descritto il loro meccanismo di regolazione. Lo scopo del loro lavoro era comprendere i processi che mantengono quell’orologio cellulare che dà origine al ritmo circadiano.

 

Il ritmo circadiano universale

I ritmi circadiani sono comuni a tutti gli organismi, dalle semplici alghe unicellulari fino agli esseri umani. Si tratta di un processo fisiologico di base molto importante, che aiuta il corpo a regolarsi nel corso della giornata. L’intero sistema influenza il sonno, il comportamento, i livelli ormonali, la temperatura del corpo, il metabolismo e molti altri importanti aspetti della vita.

La presenza di un orologio biologico era già stata descritta a partire dal diciottesimo secolo. L’astronomo francese Jean Jacques d'Ortous de Mairan ha scoperto che le foglie di mimosa si aprono all’alba e si chiudono al tramonto, e in seguito nel 1729 ha mostrato che le piante continuano questo ciclo anche quando sono tenute al buio. Ma è stato soltanto nel ventesimo secolo che si è affermata l’idea di un orologio interno, invece di un ritmo controllato esternamente dalla luce del giorno. Il funzionamento di questo orologio interno rimaneva però un mistero.

 

Le basi genetiche dell’orologio biologico

I primi indizi sulle basi genetiche per un ritmo fisiologico giornaliero sono stati scoperti nei moscerini della frutta mutanti negli anni Settanta. Alcuni ricercatori hanno isolato un gene chiamato period, che controlla il normale ritmo biologico giornaliero. In modo indipendente, Young, Hall e Rosbash sono riusciti a sequenziare il gene nel 1984.

Hall e Rosbash hanno inoltre mostrato che i livelli della sua proteina, chiamata PER, salivano e scendevano nell’arco delle 24 ore, raggiungendo un picco di notte e degradandosi durante il giorno. Hanno sospettato che l’orologio fosse guidato da un meccanismo a feedback: alti livelli di PER interferivano con il gene period e inibivano la sua attività, facendo calare la quantità della proteina. Per innescare questo meccanismo, la proteina PER, prodotta del citoplasma, doveva tornare nel nucleo. Young ha compreso in che modo avvenisse questo passaggio. Nel 1994, ha scoperto un secondo gene, chiamato timeless, che codifica per una proteina i cui livelli variano ciclicamente nel corso delle 24 ore. Quando le proteine TIM e PER si uniscono, possono entrare nel nucleo e inibire così il gene period

La ricerca ha rivelato il meccanismo che governa questo sistema auto-rinforzante all’interno della cellula. Gli scienziati ora riconoscono che l’orologio biologico funziona con gli stessi meccanismi nelle cellule di altri organismi pluricellulari, tra cui gli esseri umani.

 

Una cascata di conseguenze

Il ritmo circadiano è importante per la comprensione del funzionamento della vita, perché tutti gli organismi reagiscono alla luce del Sole e il loro comportamento è determinato dal ciclo luce/buio. Il ritmo è quindi integrato nella maggior parte dei meccanismi del metabolismo degli esseri viventi. Quando l’ambiente esterno e l’orologio biologico interno non sono allineati, il benessere degli organismi può risentirne.

A partire dalle scoperte dei tre recipienti del Premio Nobel, la biologia dei ritmi circadiani si è sviluppata in un campo di ricerca ampio e molto dinamico, con implicazioni per la salute e il benessere umani. Questo vale soprattutto in questa “era tecnologica” moderna, che tende a modificare o annullare del tutto i normali ritmi associati alla luce. Stiamo ancora scoprendo le conseguenze di uno stile di vita che disturba i ritmi circadiani, ma ci sono chiare evidenze del fatto che il lavoro a turni altera la pressione sanguigna e il funzionamento del cuore.

Questo è solo un esempio di come il rischio di alcune malattie sia associato a uno sfasamento dei ritmi circadiani. Anche il trattamento delle malattie in generale può essere influenzato da questi ritmi. La comprensione dei legami tra i ritmi circadiani e la salute si basa sulle scoperte compiute molti anni fa sul moscerino della frutta da Jeffrey Hall, Michael Rosbash e Michael Young.

 

 

Riferimenti:

http://www.sciencemag.org/news/2017/10/timing-everything-us-trio-earns-nobel-work-bodys-biological-clock

http://www.independent.co.uk/news/science/nobel-prize-medicine-winner-announce-circadian-rhythm-time-biological-clock-a7978261.html

http://www.nature.com/news/medicine-nobel-awarded-for-work-on-circadian-clocks-1.22736

https://www.theguardian.com/science/live/2017/oct/02/the-2017-nobel-prize-in-physiology-or-medicine-live

 


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