Avanzano le nuove ricerche genetiche di UMass Amherst

Il neuroscienziato si concentra sui ritmi circadiani

immagine: Eric Bittman è Professore Emerito di Biologia presso UMass Amherst.
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Crediti: UMass Amherst

La ricerca dell’Università del Massachusetts Amherst sulle mutazioni genetiche che influenzano i ritmi circadiani offre nuove informazioni sul ciclo riposo-veglia e fornisce un nuovo modello per indagare sulle malattie umane e, in ultima analisi, sviluppare trattamenti medici.

Le interruzioni dell’orologio interno del corpo, che coordina i tempi dei processi biochimici, fisiologici e comportamentali, sono associate a una serie di malattie, tra cui il cancro, le condizioni cardiovascolari e la suscettibilità alle infezioni, nonché un rischio maggiore di incidenti. Le interruzioni comuni dei ritmi circadiani sono il jet lag e il lavoro a turni, che viene svolto da circa 30 milioni di persone negli Stati Uniti

“Stiamo studiando due mutazioni, che influiscono entrambe sulla nostra capacità di rispondere ai cambiamenti del ciclo della luce”, afferma il neurobiologo Eric Bittman, professore emerito di biologia. “Entrambi accelerano il tempo. Rivelano quanto siamo vulnerabili alle interruzioni nella luce: programma oscuro.

Nei mammiferi, i ritmi circadiani sono generati internamente da un pacemaker maestro nel nucleo soprachiasmatico dell’ipotalamo nel cervello. Inoltre, ogni cellula del corpo ha il proprio orologio circadiano, coordinato dal pacemaker principale. Nell’ambiente normale, chiaro: scuro e fluttuante, gli orologi circadiani creano cicli di 24 ore. Tuttavia, in condizioni costanti, come quando i criceti vengono studiati al buio, i ritmi generano cicli il cui periodo è più o meno lungo di 24 ore.

“Ciò che questo ci rivela è che c’è un meccanismo interno che sta generando ritmicità e che gli animali stanno usando i segnali dell’ambiente, il più potente dei quali è il ciclo luce: buio, per sincronizzarlo esattamente fino a 24 ore”, disse Bittman.

In ricerche precedenti, Bittman e il team hanno identificato una mutazione recessiva, che chiamano duper, come un difetto nel gene regolatore circadiano Cryptochrome 1 (CRY1) dei criceti siriani. Migliorando la bozza del genoma del criceto utilizzando la mappatura dell’omozigosi veloce, hanno creato un moderno modello di ricerca genetica per studiare le malattie umane.

In un documento di follow-up pubblicato di recente nel Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze (PNAS), il team di ricerca si concentra sugli effetti del duper nei criceti geneticamente modificati. Gli scienziati identificano funzioni precedentemente insospettate di CRY1 nel trascinamento circadiano, che è la sincronizzazione dell’orologio biologico con segnali esterni, e malattie cardiache.

“Duper accelera l’orologio in condizioni costanti e lo rende in grado di spostarsi fino a 180 gradi in risposta anche a un breve impulso di luce”, spiega Bittman. “Sospettiamo che questo possa essere rilevante per comprendere gli effetti del jet lag e del lavoro a turni”.

Gli organi del corpo ripristinano i loro orologi a velocità diverse dopo l’interruzione circadiana. Si ritiene che questo disallineamento temporale causi gli effetti negativi sulla salute associati al lavoro a turni. “Quasi tutti i nostri processi fisiologici sono ritmici”, afferma Bittman.

I ricercatori hanno scoperto che il rientro circadiano è accelerato nei criceti mutanti duper, indipendentemente dall’accelerazione dell’orologio. Nel tentativo di capire di più sulle conseguenze sulla salute del disallineamento circadiano, i ricercatori hanno esaminato gli effetti del duper e degli sfasamenti su un modello di criceto di malattie cardiache noto per essere aggravato dagli sfasamenti.

Il jet lag simulato, sotto forma di sfasamenti di otto ore ogni due settimane, ha ridotto la durata della vita dei criceti cardiomiopatici. Tuttavia, la durata della vita ridotta è stata invertita nei criceti duper poiché la mutazione ha accelerato il loro adattamento allo spostamento dei cicli luce: buio. Bittman afferma che i risultati hanno implicazioni per individuare i percorsi coinvolti negli orologi biologici umani.

“Per le persone con jet lag o milioni di lavoratori a turni, possono volerci giorni e talvolta settimane prima che il corpo – i diversi organi – tornino alla loro normale relazione temporale”, dice. Molti di noi interrompono il nostro sistema circadiano quando siamo esposti alla luce a tarda sera, ad esempio guardando i telefoni cellulari e gli schermi dei computer. “Potrebbero volerci un paio di settimane prima che il tuo cervello abbia la giusta relazione con fegato e reni”, aggiunge Bittman.

La ricerca suggerisce che tutti dobbiamo essere consapevoli di come l’ambiente influenza i nostri orologi biologici. In particolare, gli ospedali devono essere sensibili ai tempi delle luci e dell’oscurità nelle stanze dei pazienti. “Dobbiamo prestare attenzione alla relazione temporale tra gli organi e tra l’orologio principale e il cervello, e come regola l’orologio nel cervello, così come negli organi periferici, ed essere sensibili alla luce: ambiente buio”, disse Bittman.

Inoltre, la comprensione dei ritmi degli organi è un aspetto cruciale nella tempistica del trattamento medico. “Un sacco di farmaci che vengono somministrati sono più efficaci in un momento della giornata rispetto a un altro perché l’orologio circadiano sta regolando tutti questi percorsi metabolici che in realtà sono presi di mira da questi farmaci”, afferma Bittman.

La ricerca in corso si concentrerà sull’identificazione dei meccanismi alla base degli orologi biologici e del loro ruolo nelle malattie.


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