Il Nobel per la medicina a Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash e Michael W. Young
"Per le loro scoperte dei meccanismi che controllano i ritmi circadiani", l'orologio interno del nostro organismo e degli altri esseri viventi
Il premio Nobel per la Medicina o la Fisiologia 2017 è stato assegnato a Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash e Michael W. Young “per le loro scoperte dei meccanismi che controllano i ritmi circadiani”, l’orologio interno degli esseri viventi. I loro studi hanno spiegato come le piante, gli esseri umani e gli altri animali adattano i loro ritmi biologici per essere sincronizzati con un giorno solare. In sostanza, il loro lavoro è stato fondamentale per capire come la vita si sia adattata alla rotazione del nostro pianeta, che comporta costantemente l’alternarsi del dì e della notte.
La maggior parte degli esseri viventi si adatta, e in molti casi anticipa, i cambiamenti nel breve periodo dell’ambiente in cui vive. Nel XVIII secolo i primi studi in tema notarono che alcune piante, come quelle della mimosa, aprono le foglie verso il sole di giorno e le chiudono di notte. Incuriosito dal fenomeno, l’astronomo francese Jean Jacques d’Ortous provò a lasciare una mimosa sempre al buio e notò che, nonostante l’assenza di luce, la pianta continuava a seguire il suo ciclo di apertura e chiusura delle foglie. Sembrava quindi che la mimosa avesse al suo interno una sorta di orologio biologico.
Negli anni seguenti altri ricercatori notarono come questo orologio interno fosse comune non solo tra le piante, ma anche tra molti altri animali, compresi gli esseri umani. Fu definito “ritmo circadiano” dallo scienziato romeno Franz Halberg nella prima metà del Novecento, dalle parole latine “circa diem”, cioè “intorno al giorno”. Che cosa ne determinasse il funzionamento rimase però un mistero per molti decenni.
Tra i primi a tentare un approccio più approfondito al tema ci furono i ricercatori Seymour Benzer e Ronald Konopka nei primi anni Settanta. Si chiesero se fosse possibile identificare i geni alla base dei ritmi circadiani, analizzando il corredo genetico dei moscerini della frutta. Scoprirono che modificando un gene era possibile interrompere il funzionamento dell’orologio interno di questi insetti. Fu chiamato “gene period”, ma restavano ancora molte cose da scoprire sul suo funzionamento.
Furono Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash e Michael W. Young a scoprire l’effettivo funzionamento dell’orologio interno, a partire dagli anni Ottanta e studiando sempre i moscerini della frutta. Nel 1984 Hall e Rosbash, presso la Brandeis University di Boston, e separatamente Young, alla Rockefeller University di New York, riuscirono a isolare il gene period. I loro studi li portarono a scoprire che la proteina PER, codificata dal gene, tende ad accumularsi durante la notte e a essere poi distrutta nelle ore diurne. I livelli di PER variano quindi nel corso della giornata, creando la sincronia con dì e notte del ritmo circadiano.
Rappresentazione schematica del sistema di regolazione tra proteina PER e gene “period”. Quando il gene è attivo, produce e invia il materiale genetico nel citoplasma per produrre la proteina. PER si accumula poi nel nucleo, bloccando temporaneamente l’attività del gene. Produzione e blocco avvengono ciclicamente, rendendo possibile il ritmo circadiano.
Nei loro studi seguenti, i ricercatori ipotizzarono che PER avesse anche la capacità di inibire l’attività del gene period che la codifica, condizione necessaria per fare in modo che i livelli di proteina oscillino durante un’intera giornata (altrimenti l’organismo continuerebbe a produrre la proteina, rendendo impossibile la regolazione interna del tempo). Non era però chiaro come facesse PER a bloccare il gene, perché la proteina si trova nel citoplasma delle cellule e non nel loro nucleo, dove invece è conservato il materiale genetico. Hall e Rosbash avevano notato che PER si accumula di notte nel nucleo delle cellule, ma non riuscivano a spiegarsi come facesse ad arrivare lì. Fu Young, nel 1994, a scoprire un meccanismo secondario legato a un altro gene (timeless) che codifica la proteina TIM, una sorta di traghetto che unendosi a PER le consente di arrivare al nucleo per bloccare temporaneamente il gene period. La successiva scoperta di un ulteriore gene, chiamato doubletime, permise di trovare la proteina DBT che ha il compito di ritardare l’accumulo della proteina PER. La DBT ha un ruolo centrale nel fare in modo che l’accumulo e la distruzione di PER siano periodici, per adattarsi il più possibile al ciclo di 24 ore.
Rappresentazione schematica di una cellula, con le proteine TIM e PER che si legano insieme per penetrare nel nucleo cellulare e alterare l’attività del gene “period”.
L’orologio biologico è fondamentale per l’esistenza di buona parte degli esseri viventi sulla Terra. Un ritmo circadiano ben calibrato consente agli organismi di affrontare le diverse fasi della giornata, coordinare il lavoro degli altri geni e la loro codifica di proteine. Gli studi di Hall, Rosbash e Young hanno aperto la strada a ricerche di ogni tipo sulla fisiologica, anche in ambito medico dove le caratteristiche dei ritmi circadiani sono studiate per realizzare farmaci più efficienti e con minori effetti collaterali.
Jeffrey C. Hall è nato nel 1945 a New York, negli Stati Uniti, e ha conseguito il suo dottorato nel 1971 presso la University of Washington di Seattle. Nel 2002 è diventato docente associato presso la Univeristy of Main.
Michael Rosbash è del 1944 ed è nato a Kansas City, negli Stati Uniti. Ha conseguito il dottorato nel 1970 presso il Massachusetts Institute of Technology e ha condotto ricerche all’estero. Dal 1974 è docente presso la Brandeis University di Waltham, Stati Uniti.
Michael W. Young è nato nel 1949 a Miami, negli Stati Uniti. Dopo avere conseguito il dottorato presso la University of Texas, Austin, nel 1975 ha lavorato presso diverse altre università statunitensi e ora è docente presso la Rockefeller University di New York.
