L’intricato meccanismo alla base degli orologi circadiani può essere attribuito a una complessa rete di geni e proteine ​​che formano un sistema di cronometraggio interno agli organismi. Il motore principale dei ritmi circadiani è un insieme di geni noti come geni dell’orologio. Questi geni codificano per proteine ​​che regolano l’espressione di altri geni secondo uno schema ritmico, creando un ciclo di feedback molecolare che oscilla circa ogni 24 ore. Ecco una spiegazione semplificata di come ticchettano gli orologi circadiani:

1. Geni dell'orologio:al centro dell'orologio circadiano c'è un gruppo di geni dell'orologio, spesso definiti "geni dell'orologio centrale". Nei mammiferi, i geni orologio più studiati sono Clock (Circadian Locomotor Output Cycles Kaput) e Bmal1 (Brain and Muscle Arnt-Like 1). Questi geni codificano per proteine ​​che formano un complesso eterodimerico chiamato complesso CLOCK-BMAL1.

2. Ciclo di feedback trascrizione-traduzione:il complesso CLOCK-BMAL1 agisce come un fattore di trascrizione che regola l'espressione di altri geni orologio. Si lega a specifiche sequenze di DNA chiamate E-box all'interno dei promotori di questi geni orologio, promuovendone la trascrizione. Tra i geni attivati ​​da CLOCK-BMAL1 ci sono i geni Period (Per) e Criptocromo (Cry).

3. Ciclo di feedback negativo:man mano che le proteine ​​PER e CRY si accumulano, si accumulano gradualmente nel citoplasma e alla fine si traslocano nuovamente nel nucleo. Nel nucleo formano complessi e inibiscono l'attività del complesso CLOCK-BMAL1, riducendo così la trascrizione dei geni Per e Cry. Questo ciclo di feedback negativo si traduce in una diminuzione dei livelli di proteine ​​PER e CRY, consentendo al ciclo di ricominciare.

4. Regolazione post-traduzionale:oltre alla regolazione trascrizionale, i ritmi circadiani sono influenzati anche da modifiche post-traduzionali delle proteine ​​​​dell'orologio. Queste modifiche, come la fosforilazione e l’ubiquitinazione, influenzano la stabilità, la localizzazione e l’attività delle proteine ​​orologio, contribuendo ulteriormente alla precisa tempistica del ciclo circadiano.

È importante notare che l'orologio circadiano non dipende esclusivamente da questi geni fondamentali dell'orologio. Anche altri fattori, come segnali ambientali (ad esempio la luce), segnali ormonali e input neuronali, possono influenzare la tempistica e la sincronizzazione dei ritmi circadiani.

La notevole precisione e adattabilità degli orologi circadiani consentono agli organismi di anticipare e rispondere ai cambiamenti quotidiani nel loro ambiente, ottimizzando i processi fisiologici e comportamentali per la sopravvivenza e il benessere generale.