Siamo gufi o allodole?
Premio Nobel per la Fisiologia o Medicina agli scopritori dei meccanismi alla base del ritmo circadiano
Il Premio Nobel per la Medicina 2017 è stato assegnato a Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash e Michael W. Young per “la scoperta del meccanismo molecolare che controlla il ritmo circadiano”, dal latino circa dies. I tre scienziati hanno definito i principi fondamentali del funzionamento dell’orologio biologico, aprendo la strada alla scoperta di altri componenti molecolari che permettono la stabilità del meccanismo, la sua sincronizzazione con il ciclo giorno/notte e spiegano la secrezione ciclica di diversi ormoni in grado di regolare molte funzioni, come il battito cardiaco, l’alternanza del sonno e della veglia, la pressione sanguigna.
Ma come funziona esattamente questo meccanismo? Hall, Rosbash e Young sono riusciti a isolare i geni responsabili del ritmo circadiano nei moscerini della frutta.
Già nel XVIII secolo, l’astronomo Jean Jacques d’Ortous de Mairan osservando la mimosa aveva notato che le foglie della pianta si aprono durante il giorno e si richiudono al tramonto. Fece un esperimento per vedere cosa sarebbe successo se le piante fossero lasciate sempre al buio e scoprì che, indipendentemente dalla luce solare, le foglie della mimosa continuavano a seguire la loro normale oscillazione. Negli anni settanta Seymour Benzer e Ronald Konopka del California Institute of Technology dimostrarono che mutazioni in un gene sconosciuto erano in grado di interrompere il regolare ritmo circadiano nel moscerino della frutta, mostrando così che i ritmi circadiani hanno una base genetica.
Nel 1984, Jeffrey Hall e Michael Rosbash, che lavorano in stretta collaborazione all’Università Brandeis di Boston e Michael Young alla Rockefeller University di New York, riuscirono a isolare un gene che chiamarono Period e scoprirono che PER, la proteina codificata dal gene, si accumulava durante la notte e veniva degradata durante il giorno. PER doveva entrare nel nucleo per essere degradata: ma come? Nel 1994 Michael Young scoprì un secondo gene coinvolto nell’orologio biologico, il gene timless che codifica la proteina TIM, anch’essa necessaria per un normale ritmo circadiano. Young ha in particolare dimostrato che quando TIM si lega a PER, le due proteine sono in grado di entrare nel nucleo cellulare bloccando l’attività del gene che controlla il ritmo circadiano, attraverso un ciclo di feedback inibitore. In seguito Young ha scoperto un terzo gene, ‘doubletime’, che controlla la frequenza delle oscillazioni nella sintesi/distruzione delle due proteine. Attualmente si ritiene che i principali motori delle lancette dell’orologio circadiano siano cinque geni: period, timeless, cycle, clock e criptochrome.
Recenti ricerche hanno confermato che l’orologio biologico principale, quello che regola tutti gli altri, si trova nell’ipotalamo ed è il nucleo soprachiasmatico, SCN, un minuscolo grumo di circa 20 mila cellule nervose difficilmente visibile al microscopio. Esperimenti eseguiti nel 1972 su topi e ratti da due gruppi di ricercatori indipendenti avevano dimostrato che se si distrugge il nucleo soprachiasmatico il ritmo sonno/veglia scompare e se si trapianta il nucleo da un ratto all’altro il ricevente prende il ritmo del ratto donatore. Dal nucleo partono segnali che vanno alla ghiandola pineale o epifisi: questa ghiandola è grande come un pisello, pesa mezzo grammo, sta nella parete posteriore del terzo ventricolo cerebrale e produce la melatonina, un ormone con varie funzioni tra le quali quella di indurre il sonno. L’attività dell’epifisi è influenzata, durante il giorno, dagli stimoli luminosi provenienti dalla retina e, durante la notte, dalla secrezione di melatonina, l’ormone del sonno che raggiungendo il suo picco ci fa dormire. Grazie a questo meccanismo, il nostro orologio interno risulta in sintonia con il ciclo di luce e buio dell’ambiente esterno. In alcuni casi, per abitudini, per lavoro o per una predisposizione genetica, il sistema si inceppa e non c’è più sincronizzazione tra dentro e fuori.
Alcuni di noi sono gufi, altri allodole: i primi non andrebbero mai a letto e vivono come un incubo il suono della sveglia, i secondi all’opposto vanno a letto ‘con le galline’ e appena fa giorno sono già pronti a cominciare la giornata con sprint. Nelle allodole alla sera il picco di melatonina è anticipato, mentre nei gufi è ritardato. Analogamente, il picco del cortisolo, l’ormone dello stress che rende attivi, nelle allodole è anticipato al mattino, nei gufi si verifica più tardi.
I gufi soffrono di un disagio prolungato, vivono in un eterno jet lag, con un orologio biologico sfasato. Uno studio pubblicato sulla rivista Cell dalla Rockefeller University americana, ha scoperto che il segreto dei Gufi si nasconde nel Dna, nella mutazione di un gene chiamato CRY1, “programmato” per addormentarsi tardi e svegliarsi a stento.
Jeffrey C. Hall è nato nel 1945 a New York. Ha conseguito il dottorato nel 1971 all’Università di Washington di Seattle, e si è poi specializzato al California Institute of Technology di Pasadena. Ha quindi lavorato alla Brandeis University a Waltham e successivamente all’Università del Maine.
Michael Rosbash è nato nel 1944 a Kansas City. Ha conseguito il titolo di dottorato nel 1970 al Massachusetts Institute of Technology. Successivamente ha lavorato all’Università di Edimburgo in Scozia e quindi alla Brandeis University a Waltham, negli Stati Uniti.
Michael W. Young è nato nel 1949 a Miami. Ha conseguito il dottorato presso l’Università del Texas ad Austin nel 1975. Ha quindi lavorato alla Stanford University a Palo Alto. Dal 1978 è alla Rockefeller University di New York.
Figure 1. Una illustrazione semplificata dei meccanismi dell’orologio biologico
Figure 2. Il nostro orologio biologico anticipa e adatta la nostra fisiologia alle diverse fasi del giorno
da
https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2017/press.html
Per saperne di più:
http://science.sciencemag.org/content/263/5153/1606.long
https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2017/press.html
https://www.facebook.com/HowardHughesMed/videos/10155143757272266/
https://www.wired.it/scienza/medicina/2017/10/02/orologio-biologico-nobel-medicina-2017
http://www.lescienze.it/news/2017/04/10/news/disturbo_fase_sonno_mutazione_gene_cry1-3487621/
Rogulja, M. W. Young, “Control of sleep by cyclin A and its regulator,”Science 335, 6076 (30 March 2012)
- Meyer, L. Saez, M. W. Young, “PER-TIM interactions in living Drosophilacells: An interval timer for the circadian clock,” Science311, 5758 (13 January 2006)
- A. Brown et al., “PERIOD1-associated proteins modulate the negative limb of the mammalian circadian oscillator,” Science308, 5722 (29 April 2005)
- Busza et al., “Roles of the two DrosophilaCRYPTOCHROME structural domains in circadian photoreception,” Science304, 5676 (4 June 2004)
- D. Levine et al., “Resetting the circadian clock by social experience in Drosophila melanogaster,” Science298, 5600 (6 December 2002)
C. Hall, “The mating of a fly,” Science264, 5166 (17 June 1994)