Le cellule dotate di un orologio molecolare funzionante sono in grado di adattarsi meglio alle variazioni nell’apporto di glucosio e di riprendersi più rapidamente dalla malnutrizione a lungo termine, come dimostrato in uno studio pubblicato su eLife. Questa scoperta aiuta a spiegare perché i cambiamenti nel ritmo circadiano dell’organismo, come il lavoro notturno e il jet lag, possono aumentare il rischio di malattie metaboliche come il diabete.

Messa a punto dell’orologio circadiano

L’orologio circadiano è un sistema endogeno di misurazione del tempo con un periodo di circa 24 ore che organizza numerosi processi fisiologici, in particolare il metabolismo. A livello molecolare, si basa su cicli di feedback trascrizione-traduzione strettamente interconnessi. Al centro di questa regolazione ci sono i fattori di trascrizione CLOCK e BMAL1. Queste proteine formano un complesso eterodimero che si lega a specifiche sequenze di DNA e attiva la trascrizione di vari geni bersaglio. Questi geni bersaglio includono i geni della famiglia period e cryptochrome, ovvero il gene PER e il gene CRY.

Dopo la trascrizione, le proteine PER e CRY vengono sintetizzate nel citoplasma, dove inizialmente si accumulano. Nel corso di diverse ore, formano complessi proteici e poi ritornano al nucleo cellulare. Lì inibiscono l’attività del complesso CLOCK-BMAL1, sopprimendo così la propria espressione genica. Questo feedback negativo provoca una graduale diminuzione della produzione delle proteine PER e CRY. Una volta che le proteine esistenti sono state degradate dai processi di degradazione cellulare, l’inibizione del complesso CLOCK-BMAL1 viene rimossa e il ciclo ricomincia. Il ritardo temporale tra l’attivazione, l’accumulo e l’inibizione crea un ritmo autosufficiente di circa 24 ore.

Oltre a questo ciclo centrale, esistono ulteriori meccanismi di regolazione che contribuiscono alla stabilizzazione e alla regolazione fine dell’orologio circadiano. I recettori nucleari REV-ERBα e RORα, che regolano l’espressione di BMAL1, svolgono un ruolo importante in questo processo. Mentre RORα attiva la trascrizione di BMAL1, REV-ERBα ha un effetto repressivo. Questa interazione antagonistica crea un altro ciclo di feedback che aumenta la precisione temporale e la robustezza del sistema circadiano.

Orologio circadiano e metabolismo

Gli orologi circadiani sono strettamente legati al metabolismo: da un lato, l’orologio modula ritmicamente molte vie metaboliche e, dall’altro, i nutrienti e gli stimoli metabolici influenzano la funzione dell’orologio. Ciò è possibile grazie a circuiti di retroazione finemente regolati in cui alcune componenti positive dell’orologio ne attivano altre, che a loro volta hanno un effetto negativo sulle componenti originariamente attivanti. Ad esempio, il metabolismo del glucosio, la sintesi dei lipidi e la produzione di energia mitocondriale sono soggetti a fluttuazioni circadiane. Allo stesso tempo, i segnali metabolici agiscono sull’orologio e ne modulano l’attività. Un esempio è l’enzima SIRT1, la cui attività dipende dal livello cellulare di NAD⁺. Poiché questo livello è strettamente legato allo stato energetico della cellula, SIRT1 può influenzare l’attività dei fattori di trascrizione circadiani e quindi adattare l’orologio allo stato metabolico. Un altro esempio è la proteina chinasi attivata dall’AMP (AMPK), che viene attivata in caso di carenza di energia e può, tra le altre cose, influenzare la stabilità delle proteine CRY.

Questo accoppiamento bidirezionale crea un sistema finemente sintonizzato in cui l’orologio circadiano coordina i processi metabolici, mentre i nutrienti, lo stato energetico e i segnali metabolici modulano la funzione dell’orologio. Questa stretta interazione consente all’organismo di adattare in modo ottimale i processi metabolici al ritmo giorno-notte e alle mutevoli condizioni ambientali. “Poiché il glucosio influenza così tante vie di segnalazione, si presume che una carenza di glucosio possa compromettere i circuiti di retroazione dell’orologio circadiano e ostacolare la sua capacità di mantenere un ritmo costante”, spiega l’autrice principale Anita Szöke, dottoranda presso l’Istituto di Fisiologia dell’Università Semmelweis di Budapest, in Ungheria. “Volevamo studiare come la carenza cronica di glucosio influisca sull’orologio molecolare e quale ruolo svolga l’orologio nell’adattamento alla fame”.

I componenti dell’orologio hanno un’influenza importante sull’equilibrio del metabolismo energetico all’interno delle cellule

Utilizzando il fungo Neurospora crassa come modello, il team ha prima studiato come una carenza di glucosio di 40 ore influenzasse due componenti fondamentali dell’orologio, il cosiddetto White Collar Complex (WCC), che consiste delle due subunità WC-1 e 2, e Frequency (FRQ). Hanno scoperto che le concentrazioni di WC1 e 2 sono diminuite gradualmente fino a circa il 15% e il 20% dei livelli pre-digiuno, rispettivamente, mentre le concentrazioni di FRQ sono rimaste invariate ma sono state alterate dall’aggiunta di molti gruppi fosfato (un processo chiamato iperfosforilazione). Normalmente, l’iperfosforilazione impedisce all’FRQ di inibire l’attività del WCC, quindi gli autori hanno ipotizzato che la maggiore attività potesse accelerare la degradazione del WCC. Quando hanno esaminato le azioni a valle del WCC, hanno riscontrato poche differenze tra le cellule affamate e quelle che continuavano a crescere nel glucosio. Nel complesso, ciò suggerisce che l’orologio circadiano ha continuato a funzionare in modo robusto durante la carenza di glucosio, guidando l’espressione ritmica dei geni cellulari.

Per indagare ulteriormente l’importanza dell’orologio molecolare nell’adattamento alla privazione di glucosio, il team ha utilizzato un ceppo di Neurospora privo del dominio WC-1 del WCC. Ha quindi confrontato i livelli di espressione genica dopo la privazione di glucosio con quelli della Neurospora contenente un orologio molecolare intatto. Hanno scoperto che la privazione di glucosio a lungo termine ha influenzato più del 20% dei geni codificanti e che 1.377 di questi 9.758 geni codificanti (13%) hanno mostrato cambiamenti specifici del ceppo a seconda che le cellule avessero o meno un orologio molecolare. Ciò suggerisce che l’orologio è un meccanismo importante per la risposta delle cellule alla privazione di glucosio.

Successivamente, il team ha studiato se un orologio funzionante fosse importante per il recupero cellulare dopo la privazione di glucosio. Hanno scoperto che la crescita delle cellule Neurospora senza un FRQ o WCC funzionante era significativamente più lenta rispetto a quella delle cellule normali dopo l’aggiunta di glucosio, suggerendo che un orologio funzionante supporta la rigenerazione cellulare. Quando hanno esaminato il sistema di trasporto del glucosio della Neurospora, hanno anche scoperto che le cellule senza un orologio funzionante non erano in grado di aumentare la produzione di un importante trasportatore di glucosio per trasportare più nutrienti nella cellula. “Le chiare differenze nel comportamento di recupero tra ceppi fungini con e senza orologi molecolari funzionanti suggeriscono che l’adattamento alla disponibilità variabile di nutrienti è più efficiente quando un orologio circadiano funziona in una cellula”, ha spiegato l’autrice principale Krisztina Káldi, professore associato presso l’Università Semmelweis. Ciò suggerisce che i componenti dell’orologio hanno un’influenza importante sull’equilibrio del metabolismo energetico all’interno delle cellule e sottolinea l’importanza dell’orologio nella regolazione del metabolismo e della salute.