Wenn wegen eines Gendefekts die Uhr nicht mehr richtig tickt
Die innere biologische Uhr, auch zirkadianer Rhythmus genannt, wird vom natürlichen Tag-Nacht-Rhythmus und vom Temperaturzyklus synchronisiert. Doch damit die zirkadianen Schrittmacherneuronen im Gehirn durch Temperaturwechsel synchronisiert werden können, benötigen sie Informationen aus dem umgebenden Gewebe, so das Ergebnis einer neuen EU-finanzierten Forschung. Die im Fachblatt Neuron veröffentlichten Ergebnisse heben hervor, wie der Tag-Nacht-Wechsel und Temperaturzyklen die Gehirnuhr der Fruchtfliege Drosophila auf unterschiedliche Weise einstellen. Ihre Erkenntnisse gewannen sie im Rahmen von EUCLOCK ("Entrainment of the circadian clock"), das mit 12,3 Mio. EUR aus dem Themenbereich "Biowissenschaften, Genomik und Biotechnologie im Dienste der Gesundheit" des Sechsten Rahmenprogramms (RP6) finanziert wird. Den britischen und deutschen Forschern zufolge reguliert die zirkadiane Uhr eine Reihe biologischer Prozesse, die den Organismen zugute kommen. Während diese Uhren sich selbst erhalten und unter immer gleich bleibenden Bedingungen funktionieren, werden sie durch sogenannte "Zeitgeber", zu denen der Tag-Nacht-Wechsel und Temperaturzyklen gehören, mit der Umgebung synchronisiert. "Die innere Uhr reguliert viele biologische Prozesse, damit sie zum richtigen Zeitpunkt dem Organismus zugute kommen", sagte Dr. Ralf Stanewsky vom Queen Mary College der Universität London im Vereinigten Königreich. "Obwohl wir bereits einiges darüber wissen, wie der natürliche Tag-Nacht-Wechsel die biologische Uhr von Organismen, angefangen bei Fliegen bis zu Säugetieren, beeinflusst, sind die Mechanismen der Temperatursynchronisierung quasi unbekannt", fügte der Leitautor der Studie hinzu. Bisher hatten die Forscher noch nicht herausgefunden, welche Zellen oder Strukturen die Fähigkeit besitzen, Tagestemperaturzyklen zu detektieren. Ein Grund sei auch, dass es nur ungenügende Informationen darüber gebe, wie Temperaturzyklussignale zur Uhr im Gehirn weitergeleitet würden, so die Forscher. In ihrer letzten Studie hatten Dr. Stanewsky und seine Kollegen zwei Mutationen in den Fruchtfliegen bestimmt, die die Synchronisierung der Temperatur behinderten. Sie entdeckten bei den Fliegen ein fehlerhaftes Gen mit der Bezeichnung "nocte", das zwar eine normale Synchronisierung mit Licht zuließ, auf molekularer und Verhaltensebene jedoch keine normale Synchronisierung mit der Temperatur ermöglichte. In dieser jüngsten Forschungsarbeit entdeckten die Forscher, dass in isolierten Fliegenhirnen zwar der Tag-Nacht-Wechsel synchronisiert wurde, Temperaturzyklen aber nicht. Sie vermuteten, dass die Neuronen der biologischen Uhr des Gehirns Informationen aus dem umgebenden Gewebe aufnehmen müssen, damit auch eine Temperatursynchronisierung erfolgen kann. Die Forscher stellten fest, wie die Temperatursynchronisierung durch die Unterbrechung von nocte in den peripheren Zellen behindert wurde. "Wird die Funktion des nocte-Gens in den Chordotonalorganen [Sinnesorgane von Insekten] reduziert, führt dies zur Struktur- und Funktionsveränderung dieser Sinnesorgane und stört die Temperatursynchronisierung der Verhaltensaktivität", so die Studie. Zudem entdeckten die Forscher, dass andere Mutationen, die die Funktion der Chordotonalorgane beeinflussen, auch die Temperatursynchronisierung behindern. Das zeigt, welche zentrale Rolle das nocte-Gen in diesem Prozess spielt und dass Chordotonalorgane wichtige Sensorstrukturen sind, die vor allem als zirkadiane Temperaturrezeptoren dienen. "Unsere Arbeit deckt erstaunliche und wichtige mechanistische Unterschiede zwischen Licht- und Temperatursynchronisierung auf. Sie erweitert unser Verständnis, wie sich die biologische Uhr in der Natur einstellt", erklärte Dr. Stanewsky. "Diese Studie demonstriert wieder einmal, wie wichtig die genetische Aufklärung von Mutationen ist, um neue Faktoren und Mechanismen zu entdecken. Wenn man sich die DNA-Sequenz des nocte-Gens nur einfach anschaut, würde man dahinter keine Funktion dieses Gens oder der Chordotonalorgane bei der Temperatursynchronisierung vermuten." Forscher vom Institut für Zoologie der Universität Regensburg waren an dieser Studie beteiligt.
Länder
Deutschland, Vereinigtes Königreich