La vita sulla Terra si adatta quotidianamente alla rotazione del nostro pianeta e gli organismi viventi, inclusi gli esseri umani, hanno un ‘orologio biologico’ interno che li aiuta ad anticipare e ad adattarsi al ritmo regolare della giornata. Ma come funziona effettivamente questo orologio? Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash e Michael W. Young, vincitori del premio Nobel 2017 per la Medicina e la fisiologia grazie ai loro studi su questo interessante tema, sono riusciti a ‘sbirciare’ all’interno di questa funzionalità e a chiarire le sue proprietà interne. Le loro scoperte hanno aiutato a spiegare come le piante, gli animali e gli esseri umani adattano i loro ritmi biologici in modo che siano sincronizzati con i movimenti della Terra.
Utilizzando i moscerini della frutta come organismo modello, gli scienziati sono riusciti a isolare un gene che regola il normale ritmo biologico quotidiano. Hanno dimostrato che questo gene codifica una proteina che si accumula nelle cellule durante la notte, mentre viene poi degradata durante il giorno. Nell’uomo tutto questo avviene con una enorme precisione: il nostro orologio interno adatta la nostra fisiologia alle diverse fasi della giornata, regolando funzioni critiche come i livelli ormonali, il sonno, la temperatura corporea e il metabolismo. Il nostro benessere vacilla, di conseguenza, quando c’è un disallineamento temporaneo tra l’ambiente esterno e il ritmo interno, quando ad esempio si verifica un ‘jet lag’. E la scienza indica anche che il cronico mancato equilibrio tra il nostro stile di vita e il ritmo circadiano è associato ad un aumento del rischio di varie malattie.
La maggior parte degli organismi viventi anticipa e si adatta ai cambiamenti quotidiani dell’ambiente. Durante il XVIII secolo, l’astronomo Jean Jacques d’Ortous de Mairan studiò le piante di mimosa e scoprì che le foglie si aprivano durante il giorno e si chiudevano al crepuscolo. Si chiese cosa sarebbe successo se la pianta fosse stata posta nell’oscurità costante. Verificò che le foglie continuavano in questo loro movimento anche senza la luce del sole, seguendo un ritmo interno. Durante gli anni ’70, Seymour Benzer e il suo studente Ronald Konopka dimostrarono che le mutazioni di un gene fino allora sconosciuto (e da loro ribattezzato ‘period’) interrompevano l’orologio circadiano nei moscerini della frutta.
Ma come fa questo gene a influenzare il ritmo circadiano? A scoprirlo sono stati i premi Nobel di quest’anno, che hanno studiato anche loro i moscerini della frutta. 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, sono riusciti a isolare il gene ‘period’. Hall e Rosbash hanno poi scoperto che ‘Per’, la proteina codificata dal gene ‘period’, si accumula durante la notte e degrada durante il giorno. E che in pratica i suoi livelli oscillano durante le 24 ore in sincronia con il ritmo circadiano.
L’obiettivo fondamentale successivo fu quello di capire come queste oscillazioni circadiane potessero essere generate e sostenute. Jeffrey Hall e Michael Rosbash hanno quindi ipotizzato che la proteina ‘Per’ bloccasse l’attività del gene ‘period’. Ma, per farlo, la stessa proteina, prodotta nel citoplasma, deve raggiungere il nucleo della cellula, dove si trova il materiale genetico. Come è possibile che riesca a farlo? A chiarirlo nel 1994 fu Young, che scoprì un secondo gene, ‘timeless’ (‘senza tempo’), che codifica la proteina detta ‘Tim’, sempre essenziale per il mantenimento del normale ritmo circadiano. Lo scienziato mostrò che quando ‘Tim’ si lega a ‘Per’, le due proteine sono in grado di entrare nel nucleo cellulare e di bloccare l’attività del gene ‘period’.
Questo meccanismo spiegava come si crea l’oscillazione dei livelli di proteine nella cellula, ma cosa controlla la frequenza delle oscillazioni? Michael Young ha identificato un ennesimo gene, ribattezzato ‘doubletime’ (‘doppio tempo’), che codifica la proteina Dbt, la quale ritarda l’accumulo della proteina ‘Per’. Questo ha chiarito come l’oscillazione viene regolata per aderire al ciclo delle 24 ore. Successivamente, i premi Nobel hanno compiuto altre scoperte sulle componenti molecolari dell’interessante meccanismo, ad esempio quella sulla presenza di altre proteine necessarie per l’attivazione del gene ‘period’ e del meccanismo con cui la luce riesce a sincronizzare il nostro orologio interno. I loro studi hanno dunque contribuito a generare un vastissimo campo di ricerca, con ricadute concrete sulla nostra salute. Una curiosità: il termine ‘ritmo circadiano’ deriva dai termini latini (circa diem) che significano ‘intorno’ e ‘giorno’.
Nobel per la Medicina 2017: ecco cos’è il ritmo circadiano, alla base del nostro “orologio biologico”
