Orologi endogeni molecolari

 

 Piero Sagnibene

 

August Henri Forel (1848  – 1931), psichiatra, ipnotista ed entomologo, uno dei fondatori della teoria dei neuroni, celebre per le sue investigazioni sulla struttura del cervello umano e su quello delle formiche, notò che le api visitano una determinata specie di fiore in una determinata ora del giorno, diversa da quella nella quale visitano altre specie di fiori, in modo da arrivare nel momento in cui il fiore secerne il nettare. Sia le api, sia i fiori sono sincronizzati dal ciclo luce-buio, correlato alla temperatura. Le api conoscono quali sono i fiori che secernono il nettare nelle diverse ore del giorno.

La sincronizzazione di questi eventi riveste un'importanza adattativa notevole per entrambi gli organismi; permette alle api di ottenere la massima quantità di cibo con il minimo sforzo e permette alle piante, che si servono delle api come impollinatrici, di concentrare la produzione del nettare, metabolicamente dispendiosa, solo in determinate ore del giorno, con un notevole risparmio di energie.

Il fenomeno mostra fino a che punto la coevoluzione tra impollinatori e fanerogame si è spinta (una evoluzione reciprocamente determinata) fino a modificare la struttura molecolare di determinati organi, tessuti e cellule, divenuti in grado di percepire ed interpretare segnali che giungono ad entrambi dal mondo esterno e fino alla reciproca coordinazione tra api e piante.

 

Fin dalla antichità erano stati osservati comportamenti ciclici dei viventi e si pensava che questi comportamenti delle piante, ad esempio, fossero dovuti alla luce solare. 

Nel 1729 l'astronomo francese Jean-Jacques d'Ortous de Mairan, (1678-1771), incuriosito dal comportamento della Mimosa pudica L.,  le cui foglie si aprono di giorno e si chiudono di notte, effettuò un semplice, ma decisivo, esperimento per determinare se questo movimento fosse dovuto alla luce del sole.

De Mairan mise delle piante di Mimosa pudica costantemente al buio, ed osservò che il movimento delle foglie continuava indisturbato; concluse quindi che l'esposizione alla luce non è la causa diretta del movimento.

All’inizio del ‘900 si avrà la prova che questi ritmi derivano da proprietà intrinseche delle cellule e non dipendono direttamente da fattori esterni, ma si tratta di ritmi biologici innati. Oggi sappiamo che essi sono presenti in ogni vivente e che tutti gli animali e le piante, e persino i batteri, possiedono un “orologio interno”.

Questo orologio endogeno si è evoluto per una relazione adattativa tra viventi e tempo. Gli organismi vivono in ambienti soggetti a regolari modificazioni e si sono adattati per gestire i cambiamenti ed anche anticiparli. Gli “orologi endogeni” dirigono i ritmi biologici in tutti gli organismi, sia unicellulari che pluricellulari, a tutti i livelli di organizzazione, dagli organi, ai tessuti e alle cellule, fino agli strati subcellulari.

Si pensa che i primi eucarioti dovettero adattare le loro abitudini al bisogno di difendersi dai raggi ultravioletti, particolarmente dannosi per la replicazione del DNA (attività che avviene soprattutto durante le ore notturne), ed anche per difendersi dall’incremento del tasso di ossigeno atmosferico, che li avrebbe costretti ad evitare di esporsi ai dannosi processi di foto-ossidazione, sviluppando un ritmo circadiano (da circa dies) delle attività metaboliche. Il valore adattativo, veicolato dall’ambiente esterno, si suppone sia stato determinato dall’alternanza luce-buio e dalla variazione di temperatura giorno-notte, sincronizzando comportamenti e processi fisiologici ai cambiamenti ciclici degli ambienti. Inoltre, il valore adattivo intrinseco per l’organizzazione interna dell’organismo, consente di eseguire processi metabolici diversi, altrimenti incompatibili tra loro, che richiedono ambienti fisiologici e chimici diversi e realizzati sfruttando spazi e tempi distinti, sotto la guida di orologi circadiani.

I ritmi circadiani sono regolati dall’orologio endogeno sulla durata della rotazione terrestre (24 ore circa), a condizione che vi sia costanza degli elementi ambientali, come illuminazione, temperatura ed umidità, ed in assenza di altri fattori potenzialmente sincronizzanti. Il ritmo può mantenersi costante grazie alla capacità di auto-oscillazione perché alla sua base vi sono sistemi molecolari sofisticati che riescono a mantenere la loro cadenza ed a lavorare (oscillare) nonostante l’ambiente. Un oscillatore circadiano è una parte di un organismo vivente (una cellula, un tessuto o un organo) capace, quando è isolata e mantenuta in condizioni costanti, di generare autonomamente un'oscillazione che ha un periodo di circa 24 ore. Un sistema circadiano è costituito da tre componenti: gli oscillatori che generano il ritmo, una via sensoriale di sincronizzazione con l'ambiente esterno, e un output proveniente dall'oscillatore e capace di controllare i ritmi a livello dell'organismo. In un organismo sono presenti molti orologi biologici che interagiscono fra di loro, con il resto dell'organismo e con l'ambiente esterno. Inoltre molti organismi possiedono orologi che oscillano con un periodo simile a quello di altri cicli geofisici e che rivestono un ruolo importante nella loro vita.

Gli animali, uomo compreso, hanno un orologio circadiano principale nel cerebro e numerosi orologi circadiani periferici nelle cellule, nei vari organi e tessuti; questi orologi biologici attuano il controllo temporale di diverse attività fisiologiche e metaboliche, specifiche per ciascun sistema o apparato, mentre il primo ha lo scopo di coordinare i vari orologi periferici per la massima sincronizzazione, inviando segnali di tipo nervoso e umorale. Nei vertebrati, uomo incluso, tutti i meccanismi metabolici che influenzano gli orologi periferici, hanno origine nei nuclei soprachiasmatici dell’ipotalamo. Una funzione analoga è data da un orologio biologico nella retina e nella ghiandola pineale dei vertebrati non mammiferi. L’impulso al sistema circadiano è dato da segnali esogeni che pongono l’orologio endogeno in relazione con l’ambiente esterno (es. l’alternarsi delle stagioni). L’orologio è presente in ogni cellula e la conversione del segnale trasmesso determina un cambiamento nel comportamento cellulare, nei tessuti, fino a giungere all’intero organismo.

I ritmi biologici derivano da meccanismi proteici che si traducono in modificazioni ribonucleiche. Particolari “geni orologio” vengono trascritti in maniera ritmica, da specifici fattori di trascrizione, in mRNA e questi in “proteine orologio” le quali sono nuovamente rielaborate mediante modificazioni post-trasduzionali, come la fosforilazione. Alcune “proteine orologio” sono alquanto instabili e vengono velocemente degradate da proteasomi (specifiche strutture cellulari), mentre altre si accumulano nel citoplasma della cellula. Queste proteine accumulate inibiscono la loro stessa espressione e, quindi, l’espressione dei geni a monte. L’inibizione continua fino a quando non sono degradate tutte le “proteine orologio” presenti nel citoplasma. Quando l’inibizione diminuisce, il ciclo ricomincia grazie alla riattivazione dei “geni orologio” da parte dei fattori di trascrizione. Si tratta, quindi, di meccanismi a retroazione negativa che durano all’incirca 24 ore (oscillazione circadiana) e che sono influenzati da segnali provenienti dall’ambiente e che permettono la sincronizzazione con i ritmi di luce-buio esterni. L’orologio manda al corpo segnali in uscita, promuovendo l’attivazione di geni che provocano effetti metabolici e fisiologici fino a quelli comportamentali.

L’importanza dei significati adattativi dei ritmi circadiani è la sincronizzazione delle funzioni ritmiche dell'organismo con i cicli ambientali (il ciclo della luce, della temperatura e dell'umidità) e con i cicli degli altri organismi che occupano la stessa nicchia ecologica (una differenza di fase tra le attività consente alle specie che occupano la stessa nicchia ecologica di ridurre la competizione per le stesse risorse energetiche). Un orologio interno sincronizzato con l'ambiente esterno permette all'organismo di predire in modo accurato gli eventi che si verificheranno nel proprio ambiente, poiché la relazione di fase tra le oscillazioni interne e quelle esterne è regolata dalla selezione naturale.

Per durata ed effetti distinguiamo i ritmi biologici come : ultradiani (durano meno di un giorno, ad esempio i 90 minuti necessari per le fasi del sonno rem e non-rem), infradiani (richiedono più di un giorno, come il letargo e le migrazioni nelle specie animali), circadiani (si realizzano in 24 ore, ad esempio la regolazione della temperatura corporea), circaditali (correlati alla scansione delle maree con periodo di circa 12,4 ore), circalunari, (correlati alle fasi lunari con periodo di 29,5 ore), circannuali (correlati alla alternanza delle stagioni con periodo di 12 mesi).

Il moto di rivoluzione della Luna attorno alla Terra determina l’alternanza delle fasi lunari e la modificazione delle maree. La Terra è ricoperta per il 73% dagli oceani, il variare del livello delle acque e l’influenza della luminosità notturna della Luna sulle nicchie ecologiche vanno a combinarsi con i ritmi del ciclo circadiano. La fisiologia degli animali in loco si modifica arrivando a seguire ritmi in sincronia con le maree, ritmi semilunari (di 14,5 giorni circa) e ritmi lunari. L'intensità dell'illuminazione notturna varia con le fasi lunari, seguendo il ciclo di circa 29 giorni (tempo di rivoluzione della Luna intorno alla Terra) e che è in relazione con la ritmicità tidale. Molti organismi, che vivono nelle zone intertidali, hanno evoluto ritmi, nel comportamento e nella fisiologia, con un periodo simile a quello delle maree. Le ostriche, ad esempio, aprono le loro valve per nutrirsi durante l'alta marea, quando si trovano immerse nell'acqua, e le chiudono quando l'acqua si ritira durante la bassa marea. l granchi violino emergono dalle loro tane con la bassa marea, per farvi ritorno solo all'arrivo dell'alta marea. Il pesce marino Leuresthes tenuis depone le uova sulle spiagge sabbiose della California durante le maree primaverili, usando le fasi della Luna come parametro temporale. Molti Anellidi depongono le loro uova in sincronia con il ciclo lunare ed il moscerino chironomide Clunio marinus coordina la schiusa delle uova, l'accoppiamento e la deposizione con il ciclo lunare. L’anellide Eunice viridis,Gray 1847 , detta paIolo (vive nella barriera corallina del Pacifico Meridionale)durante il periodo ottobre-dicembre, nell'ultimo giorno dell'ultimo quarto del ciclo lunare, si stacca un segmento del corpo il quale inizia a nuotare e raggiunge la superficie dove rilascia le uova e gli spermi, e dove avviene la fecondazione delle uova. La sincronizzazione di questo evento avviene massivamente in tutta la popolazione. Si pensa che il ciclo mestruale delle donne si sia evoluto in sincronia col ciclo lunare.

l ritmi annuali sono determinati dal moto di rivoluzione della Terra intorno al Sole, hanno un periodo di un anno e sono tanto più pronunciati quanto maggiore è la distanza dall'equatore. In molte specie di uccelli e di mammiferi i ritmi stagionali dipendono da un orologio biologico endogeno circannuale. La Saxicola torquata L.1766, un piccolo uccello della Famiglia dei Muscicapidae, mantenuto in laboratorio in condizioni costanti, continua a mostrare un ciclo con un periodo di circa 12 mesi, nella crescita e nel declino delle gonadi così come nella muta delle penne. La fioritura nelle piante, la diapausa negli insetti, la crescita delle gonadi negli uccelli e in alcuni mammiferi rappresentano risposte fotoperiodiche indotte da uno stimolo luminoso che si verifica in determinati momenti del ciclo circadiano interno dell'organismo; lo stesso stimolo luminoso fornito in un momento diverso del ciclo circadiano non produce alcun effetto. Nei mesi invernali alcuni mammiferi delle zone temperate entrano in un stato di sonno profondo durante il quale l'attività metabolica è ridotta (ibernazione). Tale stratagemma adattativo permette a questi animali di superare le avverse condizioni ambientali del periodo invernale. La migrazione degli uccelli e degli animali marini segue un ritmo circannuale e risponde a segnali complessi trasmessi dall’ambiente tra i quali ha un ruolo principale la temperatura.

 

 

Anche nell’uomo la vita fisiologica e metabolica circadiana è ordinata da bioritmi endocrini. .

Ore 6-9: le melatonina (ormone del sonno) comincia a diminuire ed aumenta a il livello di cortisolo che attiva lo stato di veglia. Ore 9-12: il cortisolo giunge al suo picco, la temperatura corporea, insieme alle principali funzioni cognitive e fisiche, si attivano sempre più – massimo stato di concentrazione alle ore 12. Ore 12-15: il sistema nervoso parasimpatico induce a rallentare le attività durante la digestione – gli alti livelli di glucosio nel sangue, dopo il pasto, agiscono su specifici neuroni dell’ipotalamo, trasmettendo alle cellule la sospensione di rilascio di orexina (proteina coinvolta nel mantenimento del normale stato di attività e veglia). Ore 15-18: aumento della temperatura corporea e massimo di efficienza di cuore e polmoni- muscoli più tonici ed attivi. Ore 18-21: L’attività rallenta e, via via che si avvicina l’ora del riposo, fegato ed intestino fanno più fatica a digerire grassi e zuccheri. Ore 21-24: la ghiandola pineale comincia a produrre melatonina, si abbassa la temperatura corporea. Ore 24-3: massimo di melatonina – cervello ed organi si rilassano. Ore 3-6: temperatura corporea scende al minimo, la melatonina comincia a diminuire.

 

Le conoscenze finora acquisite dicono che il 10-30% dei geni di un tessuto sono controllati dall'orologio molecolare. Questa percentuale varia nei diversi tessuti dell'organismo che, quindi, rispondono in maniera differente allo stesso stimolo e che moltissimi farmaci possono interagire con questi geni. L'ora del giorno in cui viene effettuata la chemioterapia, ad esempio, ne influenza l'efficacia e gli effetti collaterali. La somministrazione dei farmaci ad orari ben definiti può aumentarne l'efficacia, diminuendo le dosi e gli effetti collaterali.

 

Al variare delle stagioni la temperatura si combina con il fotoperiodo nel determinare, ad esempio, i cicli delle piante e nell’indurre comportamenti preventivi, ad esempio, in una colonia di imenotteri. Si comprende, allora, come l’incremento delle temperature, provocate dal riscaldamento globale, squilibri la costanza degli elementi ambientali rispetto ai quali gli orologi biologici si sono evoluti e programmati a seconda degli areali e delle singole stagioni.

Un effetto poco studiato del disastro climatico è come l’aumento delle temperature colpisce gli specifici cronotipi delle specie animali, vegetali e microbiche. Se, ad esempio, un mammifero, uomo compreso, viene privato della vista, diviene cieco in tutti i sensi, sia per la visione, sia che si faccia riferimento ai ritmi circadiani. Venuta meno la sua capacità di sincronizzarsi con la luce, il suo orologio biologico, da quel momento in poi, entrerà in free-running (corsa libera) disordinando quella serie di attività fisiologiche e metaboliche che avvengono nell’arco delle 24 ore, come, ad esempio, il ritmo sonno-veglia.

La luce non è il solo parametro che informa gli orologi endogeni degli organismi. Il segnale che l’ambiente esterno manda al sistema circadiano è in effetti una combinazione di luce, temperatura ed umidità e molti organismi possono essere sincronizzati principalmente dai cicli della temperatura. L'organismo, inoltre, può assumere una relazione di fase adattativa col tasso di umidità, sincronizzandosi con il ciclo di illuminazione, che a sua volta può avere una relazione di fase statisticamente affidabile con la temperatura e con il ciclo della umidità É pensabile, dunque, che l’alterazione di questo segnale, dovuta all’aumento della temperatura, porti a distorsioni fisiologiche e metaboliche degli orologi endogeni, ma è un effetto non ancora studiato. Ciò che registriamo già oggi nelle piante, ad esempio, è che, essendo i loro cicli legati anch’essi a luce-temperatura-umidità, in regime di riscaldamento globale non riescono a produrre, o producono quantità insufficienti di fitormoni per la fruttificazione e la riproduzione, a causa dello sfasamento del loro orologio cronoannuale. Inoltre, a temperature più elevate, molti processi metabolici risultano inibiti. Questo fatto si combina con il disallineamento dai cicli degli impollinatori ad esse infeudati. La fatica che compiono molte specie di insetti sociali, come api e formiche, per mantenere entro un range di sopravvivenza la temperatura e l’umidità in cui possono vivere le loro nidiate, dice che anche l’aumento di qualche grado di temperatura e/o la diminuzione di qualche punto percentuale del tasso di umidità, che esse non riescono più a compensare, significa la morte della colonia.