Orologi biologici in un pesce cieco

Autore: Nicola Cavallari Un pesce di grotta dal deserto somalo ha un orologio con un ciclo di 47 ore, insensibile alla luce.

Abstract Non sorprende qualche volta di trovare il proprio orologio scarico o rotto. Nel migliore dei casi, questa piccola noia, si può risolvere cambiando la batteria oppure sostituendo gli ingranaggi usurati. La cosa si complica quando a “rompersi” è il nostro orologio biologico interno, provocando insonnia e depressione.

L'orologio biologico è infatti un meccanismo fisiologico che consente agli organismi viventi di anticipare e adattarsi ai diversi cicli giornalieri (luce, temperatura, cibo o interazioni sociali). Dal momento che la durata del suo ciclo non è esattamente 24 ore, è vitale che si sincronizzi ogni giorno attraverso segnali ambientali come la luce e per questo viene definito circadiano (circa diem = circa un giorno).

I meccanismi molecolari con cui la luce regola l'orologio sono ancora quasi del tutto sconosciuti.

In questo lavoro abbiamo studiato una specie di pesce, P.andruzzii, che si è evoluto per milioni di anni nel buio perpetuo delle grotte sotterranee che giacciono al di sotto del deserto somalo. Come molti altri animali di grotta, questi pesci mostrano caratteristici adattamenti al loro ambiente estremo tra cui la completa degenerazione oculare.

Immagine - Phreatichthys andruzzii (click per ingrandire) - CREDIT: Saulo Bambi, Museo di Storia Naturale - Università degli studi di Firenze.

Nonostante un’evoluzione in un ambiente costante, questo pesce cieco conserva ancora un orologio biologico interno funzionante. Tuttavia, questo orologio misura lo scorrere del tempo con un periodo incredibilmente lungo (quasi 47 ore) e, soprattutto, non risponde alla luce.

La perdita degli occhi non è tuttavia responsabile della cecità dell’orologio stesso. Le responsabili del fenotipo cieco dell’orologio in questo pesce sotterraneo sono le mutazioni a carico di due fotorecettori ampiamente espressi (le opsine). Questo studio dimostra infine la grande utilità dei pesci di grotta per studiare l'evoluzione e la regolazione dell'orologio circadiano.

Perché è importante questo articolo

La comprensione dell’orologio biologico è indispensabile al fine di prevenire tutti quei disturbi causati da un ritmo di vita frenetico e sregolato. I modelli animali (quali i pesci) possono aiutarci a capire i meccanismi di base e la regolazione dell’orologio negli organismi viventi.

L'orologio circadiano è una caratteristica altamente conservata di piante e animali.

Questo oscillatore biologico permette di misurare il tempo in relazione a molti aspetti della fisiologia e del comportamento. Di conseguenza, la generazione di un ritmo circadiano interno, permette agli organismi viventi di anticipare e adattarsi ai cicli ambientali giornalieri.

Al centro dell’orologio molecolare dei vertebrati si trova un complesso meccanismo composto da proteine attivatrici e repressori del ciclo perfettamente orchestrate tra loro ⁽¹⁾. Dal momento che la durata di un ciclo non è esattamente 24 ore (circa diem = circa un giorno), è di vitale importanza che l'orologio si sincronizzi su base giornaliera attraverso i segnali esterni (Zeitgeber = che dà il tempo) come la luce, per rimanere allineato con il susseguirsi del giorno e della notte.

I meccanismi attraverso i quali la luce regola l'orologio molecolare rimangono ancora poco comprensibili e dibattuti ^(2-5).

I pesci sono emersi come affascinanti modelli per studiare il rapporto tra lo stimolo luminoso e la regolazione del ritmo circadiano dato che, nella maggior parte dei loro tessuti, l'esposizione diretta alla luce sincronizza l'orologio ⁽⁶⁾. La situazione differisce invece nei mammiferi dove la luce regola l'orologio solo indirettamente attraverso gli occhi ⁽⁷⁾.

Tuttavia, la vera identità dei fotorecettori coinvolti nel processo è rimasta un mistero (essi devono essere ampiamente espressi nei tessuti del pesce).

Molti pesci si sono evoluti completamente isolati dalla luce solare in diversi sistemi di grotte disseminate intorno al mondo ⁽⁸⁾. Essi condividono un insieme comune di adattamenti, tra essi il più importante è la perdita degli occhi.

Qui mostriamo come il Phreatichthys andruzzii, un pesce sotterraneo che ha vissuto isolato per 2 milioni di anni sotto il deserto somalo, ha un orologio circadiano decisamente anomalo rispetto ai canoni finora conosciuti. Lo studio è stato perciò basato sul confronto tra l'orologio circadiano dei pesci ciechi somali, i cavefish, con quello di un pesce "normale", lo zebrafish.

L'attività locomotoria giornaliera, il comportamento più evidente derivante dal meccanismo circadiano, e il profilo di espressione dei geni orologio, sono stati registrati in entrambe le specie esposte a cicli alternati di luce e di buio. Anche se nello zebrafish era evidente la presenza di un robusto orologio circadiano sincronizzato con il ciclo di luce non è stata rilevata alcuna ritmicità nel P. andruzzi.

Tuttavia quando entrambi i pesci sono stati sottoposti ad un segnale di sincronizzazione alternativo, un alimentazione giornaliera regolare e programmata (un pasto al giorno sempre alla stessa ora), zebrafish e cavefish hanno dimostrato una evidente ritmicità sia in attività locomotoria che nel profilo di espressione genica.

Quindi P. andruzzi possiede ancora un orologio che può essere regolato dall’alimentazione ma sorprendentemente questo orologio non può essere sincronizzato dalla luce. La proprietà di sincronizzare l'orologio circadiano attraverso la luce, altamente conservata persino tra i diversi regni, è andata perduta in questo pesce.

Uno studio più approfondito, attraverso il confronto fra linee cellulari di zebrafish e di cavefish, ha dimostrato che l’orologio molecolare in P. andruzzi misura lo scorrere del tempo con un periodo insolitamente lungo (fino a 47 ore rispetto alle normali 24), e che la mancanza del suo azzeramento da parte della luce non è dovuta alla perdita degli occhi.

Al contrario, le mutazioni in due fotorecettori ampiamente espressi, opsine (Melanopsin e TMT-opsin), sono fattori chiave di questa “cecità” lasciando gli orologi dei diversi tessuti del pesce incapaci di rispondere alla luce. Infatti, sostituendo nelle cellule di cavefish i fotorecettori mutanti con i loro omologhi funzionali di zebrafish, viene ristabilita la sensibilità alla luce dell’orologio molecolare.

Conclusioni:

Questo lavoro quindi si dimostra di grande importanza per due principali settori di interesse:

1) fornisce nuovi indizi affascinanti su come l'evoluzione al buio costante influenzi la fisiologia animale. Mentre gli studi molecolari più dettagliati sui pesci ciechi si sono concentrati sui meccanismi riguardanti la perdita degli occhi, si sa molto poco su altri come gli adattamenti più ampi alla vita senza luce solare.

2) questo lavoro fornisce la prima evidenza genetica sull'identità dei fotorecettori circadiani nei pesci. Inoltre, questi pesci di grotta sono un modello affascinante per migliorare la nostra comprensione di come il comportamento alimentare degli esseri umani regoli l'orologio circadiano.

Questo studio pone le basi per una comprensione più completa di come gli orologi biologici rispondano al loro ambiente.

Note:

^1. Wager-Smith K, Kay SA (2000) Circadian rhythm genetics: from flies to mice to humans. Nat Genet 26: 23–27.

^2. Bertolucci C, Foa A (2004) Extraocular photoreception and circadian entrainment in nonmammalian vertebrates. Chronobiol Int 21: 501–519.".

^3. Hirayama J, Cho S, Sassone-Corsi P (2007) Circadian control by the reduction/oxidation pathway: catalase represses light-dependent clock gene expression in the zebrafish. Proc Natl Acad Sci U S A 104: 15747–15752.

^4. Kobayashi Y, Ishikawa T, Hirayama J, Daiyasu H, Kanai S, et al. (2000) Molecular analysis of zebrafish photolyase/cryptochrome family: two types of cryptochromes present in zebrafish. Genes Cells 5: 725–738.

^5. Moutsaki P, Whitmore D, Bellingham J, Sakamoto K, David-Gray ZK, et al. (2003) Teleost multiple tissue (tmt) opsin: a candidate photopigment regulating the peripheral clocks of zebrafish? Brain Res Mol Brain Res 112: 135–145.

^6. Whitmore D, Foulkes NS, Sassone-Corsi P (2000) Light acts directly on organs and cells in culture to set the vertebrate circadian clock. Nature 404: 87–91.

^7. Bailes HJ, Lucas RJ (2010) Melanopsin and inner retinal photoreception. Cell Mol Life Sci 67: 99–111.

^8. Colli L, Paglianti A, Berti R, Gandolfi G, Tagliavini J (2009) Molecular phylogeny of the blind cavefish Phreatichthys andruzzii and Garra barreimiae within the family Cyprinidae. Environ Biol Fish 84: 95–107.