La combinazione di modelli matematici ed esperimenti identifica la differenza nell’orologio molecolare dei neuroni master e slave della Drosophila. Questo risolve l’annoso mistero dei meccanismi molecolari responsabili delle proprietà paradossali dell’orologio circadiano (~24 ore) di robustezza (ritmi forti) e plasticità (adattamento flessibile).

Come viene regolato il nostro ritmo quotidiano

Dai minuscoli moscerini della frutta agli esseri umani, tutti gli animali sulla Terra mantengono il loro ritmo giornaliero utilizzando il loro orologio circadiano interno. L’orologio circadiano consente agli organismi di subire cambiamenti ritmici nel comportamento e nella fisiologia sulla base di un ciclo circadiano di 24 ore. Ad esempio, il nostro orologio biologico indica al cervello di rilasciare la melatonina, un ormone che favorisce il sonno, durante la notte. La scoperta del meccanismo molecolare dell’orologio circadiano è stata premiata con il Premio Nobel 2017 per la Fisiologia o la Medicina. Secondo le nostre attuali conoscenze, non esiste un orologio centrale responsabile dei nostri cicli circadiani. Il meccanismo funziona invece in una rete gerarchica in cui sono presenti un “orologio master” e “oscillatori slave”.

L’orologio master riceve vari segnali in ingresso dall’ambiente, come la luce. Il master controlla poi l’oscillatore slave, che regola vari output come il sonno, la nutrizione e il metabolismo. Nonostante le diverse funzioni dei neuroni pacemaker, è noto che essi condividono meccanismi molecolari comuni, ben conservati in tutte le forme di vita. Ad esempio, nei moscerini della frutta sono stati studiati in dettaglio sistemi interconnessi di anelli di feedback trascrizionali multipli (TTFL) costituiti da proteine dell’orologio nucleare.

L’orologio master e l’orologio slave funzionano attraverso meccanismi molecolari diversi

Tuttavia, c’è ancora molto da imparare sul nostro orologio biologico. La natura gerarchicamente organizzata dei neuroni dell’orologio master e slave porta all’ipotesi diffusa che abbiano orologi molecolari identici. Allo stesso tempo, i diversi ruoli che svolgono nella regolazione dei ritmi corporei sollevano la questione se possano funzionare con orologi molecolari diversi. Guidati dai professori KIM Jae Kyoung e KIM Eun Young, i ricercatori dell’Institute for Basic Science (IBS) e dell’Università Ajou hanno utilizzato una combinazione di approcci matematici e sperimentali utilizzando i moscerini della frutta per rispondere a questa domanda. Il team ha scoperto che l’orologio master e l’orologio slave funzionano attraverso meccanismi molecolari diversi.

Una proteina del ritmo circadiano chiamata PER viene prodotta sia nei neuroni master che in quelli slave dei moscerini della frutta e viene degradata a ritmi diversi a seconda dell’ora del giorno. In precedenza, il team aveva scoperto che i neuroni dell’orologio master (_sLNvs) e i neuroni dell’orologio slave (_DN1ps) nei mutanti wild-type e Clk-Δ di Drosophila presentano profili PER diversi. Ciò ha suggerito che potrebbe esserci una differenza nei meccanismi molecolari dell’orologio tra i neuroni master e slave.

Tuttavia, a causa della complessità dell’orologio molecolare, era difficile identificare la causa di queste differenze. Il team ha quindi sviluppato un modello matematico che descrive il meccanismo molecolare degli orologi master e slave. Tutte le possibili differenze molecolari tra i neuroni dell’orologio master e quelli dell’orologio slave sono state quindi analizzate sistematicamente mediante simulazioni al computer. Il modello prevedeva che il PER fosse prodotto in modo più efficiente nell’orologio master e poi degradato più rapidamente rispetto ai neuroni dell’orologio slave. Questa previsione è stata successivamente confermata da esperimenti di follow-up negli animali.

Quando l’orologio circadiano perde la sua robustezza e flessibilità, possono insorgere disturbi circadiani del sonno

Perché, allora, i neuroni dell’orologio master hanno proprietà molecolari così diverse dai neuroni dell’orologio slave? Per rispondere a questa domanda, il team di ricerca ha nuovamente combinato simulazioni di modelli matematici con esperimenti. Hanno scoperto che la sintesi più rapida di PER nei neuroni orologio master consente loro di generare ritmi sincronizzati con un’ampiezza elevata. La generazione di un ritmo così forte con un’ampiezza elevata è fondamentale per inviare segnali chiari ai neuroni orologio slave. Tuttavia, tali ritmi forti sono generalmente sfavorevoli quando si tratta di adattarsi ai cambiamenti ambientali. Questi includono cause naturali come le diverse ore di luce in estate e in inverno, ma anche casi artificiali più estremi come il jet lag dopo un viaggio internazionale.

Grazie alla particolare proprietà dei neuroni dell’orologio maestro, essi possono subire una dispersione di fase quando il normale ciclo luce-buio viene interrotto, causando un drastico calo dei livelli di PER. I neuroni dell’orologio maestro possono quindi adattarsi facilmente al nuovo ciclo giornaliero. La plasticità del nostro orologio maestro spiega perché, dopo un volo internazionale, riusciamo ad adattarci rapidamente al nuovo fuso orario dopo una breve fase di jet lag. Si spera che i risultati di questo studio abbiano in futuro implicazioni cliniche per il trattamento di vari disturbi che influenzano il nostro ritmo circadiano. Il ricercatore principale Kim ha spiegato: “Quando l’orologio circadiano perde la sua robustezza e flessibilità, possono verificarsi disturbi circadiani del sonno. Poiché questo studio identifica il meccanismo molecolare che genera la robustezza e la flessibilità dell’orologio circadiano, può facilitare l’identificazione della causa e della strategia di trattamento dei disturbi circadiani del sonno”.