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Amico sonno: il nostro lato evolutivo che serve a riparare il danno quotidiano del DNA

Tutti hanno bisogno di dormire: gli esseri umani così come altri animali con un sistema nervoso. Gli esseri umani trascorrono una quantità straordinaria di tempo dormendo, circa un terzo della loro vita. Ottenere la giusta quantità di sonno al momento giusto – la qualità del sonno – è vitale per una buona salute ed essenziale per la sopravvivenza. Il sonno è un processo complesso che interessa tutto il corpo. È fondamentale per lo sviluppo del cervello e il mantenimento dei percorsi necessari per la memoria e l’apprendimento. Il sonno aiuta anche a supportare il corretto funzionamento del cuore, dei polmoni, dei processi metabolici, del sistema immunitario e quindi delle difese contro le malattie. Il rischio di sviluppare malattie croniche come diabete di tipo 2, malattie cardiovascolari, obesità e depressione è maggiore con un sonno inadeguato. I ritmi circadiani e l’omeostasi sonno-veglia sono meccanismi biologici interni che controllano congiuntamente i tempi, la durata e la qualità del sonno.

I ritmi circadiani sono cicli di 24 ore, che a volte si sincronizzano con segnali esterni, come la luce, che controllano i tempi del sonno, la temperatura corporea, il rilascio di ormoni e il metabolismo. L’omeostasi sonno-veglia fa sì che il corpo si senta stanco quando ha bisogno di dormire, costruendo fino al sonno. I requisiti di sonno degli esseri umani variano a seconda dell’età, con il neonato medio che richiede 14-17 ore e l’adulto medio 7 o più ore per notte. La ricerca preliminare su modelli animali suggerisce che i danni al DNA ai nervi o “rotture del DNA” si accumulano durante i periodi di veglia, con la riparazione che si verifica durante il sonno. Tuttavia, quali meccanismi cellulari avviano l’omeostasi sonno-veglia rimane un mistero. Ciò ha portato i ricercatori a eseguire una serie di esperimenti sulle larve di zebrafish per identificare i fattori scatenanti cellulari alla base dell’omeostasi sonno-veglia e il ruolo del sonno nel facilitare la riparazione del DNA.

Il prof. Lior Appelbaum della Bar-Ilan University, Facoltà di Scienze Biologiche di Goodman, ha spiegato: “Il danno al DNA si verifica a causa di normali processi legati all’attività neuronale, come pensare e dormire, è un’attività intrigante dal punto di vista evolutivo perché la sopravvivenza è a rischio durante il sonno. Quindi, ci deve essere un “costo” durante il giorno che spinge a dormire: Ci siamo chiesti prima: ‘Perché dormiamo?’ e ancora di più: ‘Perché siamo stanchi? Qual è il costo della veglia?’ Pertanto abbiamo usato il pesce zebra perché è trasparente, suscettibile di manipolazione genetica, ed è ancora un vertebrato, il che significa che il cervello è simile ai mammiferi o persino agli umani, nella struttura e nella funzione. Fondamentalmente, possiamo visualizzare le proteine ​​di riparazione nella cellula mentre il pesce è vivo, addormentato e sveglio e seguirne l’attività, il che è stato un grande passo avanti. Inoltre, le sue larve sono attive durante il giorno e i loro schemi di sonno sono molto simili a quelli dei mammiferi”.

Gli scienziati hanno prima misurato la quantità minima di sonno necessaria per ridurre la stanchezza, o la pressione omeostatica del sonno, consentendo un tempo adeguato per il riparo del DNA. Gli scienziati si sono chiesti quale sarebbe la quantità di tempo ottimale di cui un pesce ha bisogno per dormire per riparare il proprio DNA. Per scoprirlo, hanno esposto le larve di zebrafish alla luce dopo diversi periodi di oscurità e hanno scoperto che era necessario un minimo di 6 ore di sonno continuo per ridurre la pressione omeostatica. I ricercatori hanno quindi valutato il numero di ore di sonno necessarie alle larve di zebrafish per normalizzare i livelli di danno al DNA dimostrati nel loro studio precedente. I risultati hanno indicato che 6 ore erano sufficienti per le larve di zebrafish per invertire il danno al DNA che si è verificato mentre erano svegli. Quando le larve di zebrafish hanno dormito meno di 6 ore, hanno continuato a dormire anche dopo l’esposizione alla luce del giorno.

Questi risultati suggeriscono che il danno neuronale al DNA determina quanto sonno è necessario per superare la stanchezza. In esperimenti separati, i ricercatori hanno quindi indotto danni al DNA nelle larve di zebrafish stimolando l’attività nervosa ed esponendo le larve alla luce ultravioletta o UV, che induce delle specifiche lesioni sul DNA. Gli scienziati hanno scoperto che il danno al DNA indotto dalla luce UV e dalla stimolazione dei nervi ha anche causato il sonno delle larve di zebrafish, supportando l’ipotesi. Altri esperimenti hanno suggerito che il danno al DNA ha aumentato l’attività dei percorsi di riparazione e la dinamica dei cromosomi, promuovendo una riparazione efficiente durante il sonno. Quando gli scienziati hanno inibito cronicamente i percorsi di riparazione e le dinamiche cromosomiche, questo ha fatto addormentare le larve di zebrafish. Successivamente, i ricercatori hanno condotto esperimenti per scoprire il ruolo di una proteina riparatrice chiamata PARP1 nelle larve e nei topi di zebrafish.

PARP1 è un “rilevatore di danni al DNA che funziona come un’antenna sensibile. A seguito di stimoli specifici recluta svariate proteine di riparazione del DNA, poiché la sua massa è piuttosto grande. Fra queste proteine vi sono anche l’oncosoppressore p53, le proteine delle sindromi xeroderma (XPA, XPC) e di altre sindromi genetiche che predispongono ai tumori. Ogni volta che abbastanza PARP1 viene attivata, essa induce il comportamento del sonno, e quindi durante il sonno il sistema di riparazione, in modo da poter iniziare il nuovo giorno con una quantità di base di danno al DNA. I ricercatori hanno dimostrato che l’amplificazione di PARP1 nelle larve di zebrafish induce il sonno e la riparazione del DNA neuronale. Al contrario, nelle larve di zebrafish, quando gli scienziati hanno inattivato PARP1, questo le ha mantenute in stato di veglia e ha fatto mancare la riparazione del DNA. Per supportare i risultati, gli scienziati hanno inibito PARP1 nei topi adulti e hanno monitorato i loro schemi di sonno.

Hanno così scoperto una riduzione del sonno non-REM e della sua intensità, ipotizzando che potrebbe esserci un potenziale per future ricerche sugli esseri umani con disturbi neurodegenerativi legati a disturbi del sonno, come il morbo di Alzheimer. Non solamente, gli schemi del sonno sono alterati anche nel caso di coloro che fanno lavoro notturno, dai professionisti della sanità agli operatori nei complessi industriali. Alterati schemi di sonno sono stati abbastanza recentemente correlati ad un maggior rischio di sviluppare patologie come diabete mellito, cardiovasculopatie ed anche il declino cognitivo tipo Alzheimer. I lavoratori del turno di notte sperimentano un’interruzione del ritmo circadiano a causa del lavoro notturno. Si pensa che l’interruzione del sonno aumenti lo stress ossidativo, definito come uno squilibrio dei fattori pro-ossidativi in eccesso e delle specie reattive dell’ossigeno rispetto all’attività antiossidante. Lo stress ossidativo può danneggiare cellule, proteine e DNA ed è in grado di attivare anche l’enzima PARP1.

Questo enzima utilizza il cofattore enzimatico NAD+ per poter funzionare. Esso deriva dalla vitamina B3 o nicotinammide, che è stata recentemente vista migliorare l’accumulo di beta-amiloide nei topi adulti con un modello di Alzheimer. Una volta attivata, la PARP consuma molto NAD e questo rischia di sbilanciare le difese antiossidanti cellulari. Spesso questo succede in caso di lesioni estese del materiale genetico (come nel caso delle cellule tumorali irradiate con raggi gamma). Anche se non vi sono evidenze al momento che l’integrazione con vitamina B3 possa giovare a pazienti con declino cognitivo iniziale o a coloro che lavorano di notte per evitare che questo possa comparire nel tempo, il principio teorico è semplice e varrebbe la pena approfondirlo. In fondo si tratterebbe di implementare una dieta con alimenti ricchi di vitamina B3 e/o associarla a integratori dedicati per queste categorie di individui.

  • A cura del Dr. Gianfrancesco Cormaci, PhD, specialista in Biochimica Clinica.

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Pubblicazioni scientifiche

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Dott. Gianfrancesco Cormaci

Medico Chirurgo, Specialista; PhD. a CoFood s.r.l.
- Laurea in Medicina e Chirurgia nel 1998 (MD Degree in 1998) - Specialista in Biochimica Clinica nel 2002 (Clinical Biochemistry residency in 2002) - Dottorato in Neurobiologia nel 2006 (Neurobiology PhD in 2006) - Ha soggiornato negli Stati Uniti, Baltimora (MD) come ricercatore alle dipendenze del National Institute on Drug Abuse (NIDA/NIH) e poi alla Johns Hopkins University, dal 2004 al 2008. - Dal 2009 si occupa di Medicina personalizzata. - Guardia medica presso strutture private dal 2010 - Detentore di due brevetti sulla preparazione di prodotti gluten-free a partire da regolare farina di frumento enzimaticamente neutralizzata (owner of patents concerning the production of bakery gluten-free products, starting from regular wheat flour). - Responsabile del reparto Ricerca e Sviluppo per la società CoFood s.r.l. (Leader of the R&D for the partnership CoFood s.r.l.) - Autore di articoli su informazione medica e salute sul sito www.medicomunicare.it (Medical/health information on website) - Autore di corsi ECM FAD pubblicizzati sul sito www.salutesicilia.it
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