Il Nobel 2017 per la medicina alla scoperta dei meccanismi molecolari dei ritmi circadiani

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Michael Rosbash, Jeffrey C. Hall e Michael W. Young, vincitori del Nobel 2017 per la Fisiologia o la Medicina.

Il Nobel per la Medicina o Fisiologia 2017 è andato a Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash e Michael W. Young per le loro scoperte dei meccanismi molecolari che controllano il ritmo circadiano.

Il Nobel 2017 per la Fisiologia e la Medicina è stato assegnato ai tre scienziati statunitensi Jeffrey C. HallMichael Rosbash e Michael W. Youngper la scoperta dei meccanismi molecolari che controllano i ritmi circadiani.

LE MOTIVAZIONI DEL PREMIO. La vita sulla Terra si è sempre adattata alla rotazione del nostro pianeta. Tutti 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?


Orologio biologico e ritmi circadiani: come funzionano


DA VICINO. Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash e Michael W. Young (che hanno lavorato o lavorano alle Università di Brandeis a Waltham, Massachussetts e alla Rockefeller University) sono stati in grado di sbirciare all’interno del nostro orologio biologico e chiarire le sue funzioni interne. 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.

Un moscerino della frutta (Drosophila melanogaster), modello di moltissimi studi biologici e al centro di diverse ricerche sul sonno (ne abbiamo scritto qui). | SHUTTERSTOCK

OROLOGIO CELLULARE.Utilizzando i moscerini della frutta come organismo modello (uno stratagemma molto utilizzato dai ricercatori), i premi Nobel di quest’anno hanno isolato un gene che controlla il normale ritmo biologico quotidiano.

Hanno dimostrato che questo gene codifica una proteina che si accumula nella cellula durante la notte, e poi viene degradata durante il giorno. Successivamente, hanno individuato ulteriori componenti proteici di questo sistema, svelando il meccanismo che governa l’orologio autosufficiente all’interno della cellula.

Con una precisione squisita, il nostro orologio interno adatta la nostra fisiologia alle fasi diverse della giornata. L’orologio regola funzioni critiche come il comportamento, i livelli ormonali, il sonno, la temperatura corporea e il metabolismo. La nostra salute è influenzata dalle incongruenze temporanee tra l’ambiente esterno e questo biologico interno – basti pensare agli effetti del jet lag.

Le variazioni fisiologiche dell’organismo in relazione all’ora del giorno. Vedi anche: come funziona il nostro orologio biologico

DALLE PIANTE AGLI ANIMALI. La maggior parte degli organismi viventi si adatta ai cambiamenti quotidiani dell’ambiente e al normale e consueto ciclo di luce e buio. Durante il XVIII secolo, l’astronomo Jean Jacques d’Ortous de Mairan ha studiato le piante di mimose notando come le le foglie della pianta si aprissero verso il sole durante il giorno e si richiudessero al tramonto. Si chiese dunque che cosa sarebbe successo se le piante fossero lasciate sempre al buio. Detto fatto, fece un esperimento e scoprì che indipendentemente dalla luce solare, le foglie della mimosa continuavano a seguire la loro normale oscillazione quotidiana.

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 adatta il nostro organismo e le funzioni fisiologiche alle varie ore della giornata. Questo adattamento regolare viene definito come il ritmo circadiano.

Le foglie della pianta mimosa si aprono verso il sole durante il giorno ma si chiudono al crepuscolo (parte superiore). Jean Jacques d’Ortous de Mairan ha messo la pianta in costante oscurità (parte inferiore) e ha scoperto che le foglie continuano a seguire il loro normale ritmo quotidiano, anche senza oscillazioni della luce quotidiana.

L’IDENTIFICAZIONE DI UN GENE OROLOGIO. Durante gli anni ’70 Seymour Benzer e il suo allievo Ronald Konopka si chiesero se sarebbe stato possibile identificare i geni che controllano il ritmo circadiano nei moscerini della frutta. Dimostrarono che le mutazioni in un gene sconosciuto – che ribatezzarono Period – erano responsabili dell’interruzione del’orologio circadiano delle mosche.

OSCILLAZIONI. 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 il gene Period. Jeffrey Hall e Michael Rosbash hanno poi continuato a scoprire che PER, la proteina codificata dal gene, si accumulava durante la notte ed veniva degradata durante il giorno. Scoprirono dunque che i livelli di proteine ​​PER oscillano su un ciclo di 24 ore, in sincronia con il ritmo circadiano.

Anche organismi primitivi e privi di cervello come le meduse hanno la necessità di dormire. | SHUTTERSTOCK

UN MECCANISMO DI REGOLAZIONE AUTOMATICA. Il successivo obiettivo era capire come queste oscillazioni circadiane potessero essere generate e sostenute. In altre parole: come faceva l’orologio a essere sempre preciso e a non andare avanti o rimanere indietro. Jeffrey Hall e Michael Rosbash ipotizzarono che la proteina PER bloccasse l’attività del gene Period. Ma la loro spiegazione, abbastanza complicata, non riusciva a spiegare completamente gli ingranaggi che muovono le lancette dell’orologio biologico.

Nel 1994 Michael Young scoprì un secondo gene dell’orologio, ribattezzato timeless (senza tempo), che codifica un’altra proteina, TIM, necessaria per un normale ritmo circadiano. Sempre a Young dobbiamo la scoperta di un terzo gene, Doubletime, responsabile della codifica di un’altra proteina: si trattava dell’informazione mancante per capire come l’orologio si adattasse con grande precisione a un ritmo di 24 ore.

Gli studi degli scienziati premiati potrebbero aiutare a spiegare i meccanismi dei disturbi stagionali dell’umore. | DAN BROWNSWORD/CORBIS

MACCHINA UNIVERSALE. Le scoperte dei tre scienziati furono la base per una comprensione più radicale dell’orologio biologico degli esseri viventi: ora sappiamo che tutti gli organismi multicellulari, compresi gli esseri umani, utilizzano un meccanismo simile per controllare il loro corpo.

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.

Grazie alle scoperte di Hall, Rosbash e Young è nata la biologia circadiana che si è sviluppata come un campo di ricerca vasto e dinamico, con implicazioni importanti per la nostra salute e il benessere.

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