Ogni volta che giochi una partita di basket, ti fai una tazza di caffè o premi l'interruttore della luce, nel tuo cervello si accendono dei geni. Quegli stessi geni di solito si spengono quando cessa l'attività, ma se non accade ci possono essere delle conseguenze dannose.

Uno studio sui topi, pubblicato oggi 15 luglio su Science ed eseguito alla Washington University di St. Louis, dimostra come tali geni bloccati in posizione "acceso" possono portare a un cablaggio difettoso del cervello che danneggia l'apprendimento e la memoria.

"Abbiamo dimostrato nei topi che i geni semplicemente non si spengono da soli; c'è un meccanismo attivo che spegne i geni dopo che sono stati attivati​​", ha detto Azad Bonni MD/PhD, professore di Neuroscienze e capo del Dipartimento di Neuroscienze. "Se nel cervello questo meccanismo è interrotto, ci sono gravi conseguenze per l'apprendimento e la memoria".

I geni nelle cellule viventi sono continuamente accesi e spenti in risposta a segnali diversi come quelli ormonali, l'attività fisica e l'infezione microbica. Decenni di ricerca sono passati per capire come e perché i geni si accendono, ma molta meno attenzione è stata dedicata a capire come i geni si spengono.

Bonni, Yue Yang PhD, Tomoko Yamada PhD, e i colleghi hanno deciso di capire come si spengono i geni nel cervello e, nel farlo, hanno scoperto che l'impossibilità di disattivare tali geni conduce a un cablaggio difettoso del cervello. I ricercatori hanno studiato i geni nel cervelletto dei topi (la parte del cervello responsabile delle funzioni motorie, come il cammino), che si accendono quando i topi sono fisicamente attivi.

Essi hanno scoperto che un grande enzima si lega ai geni che si accendono ​​quando i topi si muovono, ma non ai geni che non sono attivati ​​dal movimento. L'enzima, chiamato complesso «rimodellamento nucleosomi e deacetilasi» (NuRD), sembra essere fondamentale per spegnere i geni. I topi che mancano dell'enzima non sono in grado di spegnere i geni dopo che è cessata l'attività fisica.

L'enzima, secondo quanto scoperto, spegne i geni scambiando un tipo di proteina associata al DNA con un altro. Queste proteine, chiamate «istoni», sono come bobine attorno alle quali è avvolto il filo del DNA, in alcuni punti strettamente e in altri meno. Scambiando un tipo di istone con un altro, l'enzima induce il DNA ad avvolgersi più strettamente, spegnendo tutti i geni in quella sezione di DNA.

"L'accensione e lo spegnimento dei geni è una proprietà fondamentale della biologia cellulare, e questo è il primo meccanismo epigenetico che spiega come si spengono i geni dopo che sono stati accesi", ha detto Bonni. "Credo che troveremo che questo meccanismo spegne i geni in molti contesti differenti". L'epigenetica si riferisce a fattori diversi dalla sequenza del DNA stesso che decidono se i geni sono accesi o spenti. "Pensiamo che il complesso NuRD abbia il potenziale di spegnere rapidamente migliaia di geni", ha detto la Yamada, co-autrice dello studio e assistente professore di medicina all'Università di Tsukuba in Giappone.

Durante lo sviluppo, i neuroni formano molte connessioni tra loro e poi le potano tutte, escluse le più importanti. I neuroni nel cervelletto dei topi privi dell'enzima non le potano, lasciando intatte le connessioni anomale.

"Siamo stati sorpresi di scoprire che la mancata potatura delle connessioni causa delle risposte anomale dei neuroni all'ambiente", ha detto Yang, ricercatore postdottorato e co-autore dello studio. "Il nostro studio rivela l'importanza di eliminare le connessioni in eccesso formate nel primo sviluppo". Tali connessioni non influenzano la capacità dei topi di camminare, ma danneggia la loro capacità di apprendere le abilità motorie da adulti. Nelle persone una abilità motoria può essere suonare il pianoforte o andare in bicicletta.

I topi adulti privi dell'enzima erano incapaci di imparare a camminare su un cilindro rotante che accelerava gradualmente, un compito che altri topi possono fare facilmente. "Camminano normalmente, sono coordinati, ma in effetti hanno una profonda compromissione dell'apprendimento", ha detto Bonni. "La cosa veramente sorprendente è che questi deficit sono dovuti non al fallimento nell'attivare i geni, ma all'incapacità di spegnerli".

Bonni e colleghi stanno lavorando per capire il meccanismo con cui le variazioni all'attività dei geni portano ai cambiamenti di attività delle cellule cerebrali: "Questo enzima è legato ad altri enzimi che sono mutati nelle malattie del neurosviluppo", ha detto Bonni. "La capacità di disattivare i geni risulta avere profonde conseguenze sul cablaggio del cervello e sull'apprendimento, e vogliamo capire come".