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Die innere Uhr

Für ihre herausragende Arbeit zur Entschluesselung der inneren Uhr. erhielten Jeffrey Hall (Universität Maine in Orono), Michael Rosbash (Brandheis Universität, Waltham, Massachusetts) und Michael Young ( Rockefeller Universität, New York City) den Nobelpreis 2017 in Physiologie oder Medizin.

Die drei US-Forscher entschlüsselten seit den 1980er Jahren, welche molekularen Mechanismen von vielen Lebenwesen den zirkadianen Rhythmus oder Bio-Rhythmus, also die innere Uhr , steuern.

Ihre Arbeit zeigt auf, wie die Zusammenarbeit verschiedener Gene die innere Uhr steuern. Die Entdeckungen der drei Wissenschaftler erklären ausserdem, wie Pflanzen, Tiere und Menschen ihren biologischen Rhythmus so anpassen, dass er mit dem Tag-Nacht-Rhythmus der Erde übereinstimmt.

Die Wissenschaftler haben exemplarisch für Lebewesen auf der Erde Fruchtfliegen untersucht und bei diesen 1984 ein Gen isoliert, das den täglichen Bio-Rhythmus bestimmt. Hall und Rosbash bewiesen, dass dieses Gen den Bauplan für ein Protein enthält, das sich nachts in der Zelle anhäuft und im Laufe des Tages wieder abgebaut wird. Young identifizierte 1994 ein zweites Gen, das maßgeblich die Innere Uhr von Lebewesen beeinflusst.

Der universelle Bio-Rhythmus

Eine innere Uhr ,die den Biorhythmus von Lebewesen steuert findet sich in nahezu allen Organismen auf der Erde, von der einzelligen Alge bis hin zu uns Menschen. Es ist ein grundlegender physiologischer Prozess von grosser Wichtigkeit, welcher die Körperfunktion an den Tag- Nacht- Verlauf anpasst und reguliert .

Die Innere Uhr beinflusst auf vielfältige Weise wichtige Funktionen des Körpers, unter anderem Körpertemperatur, Verhalten, Stoffwechsel und den Anstieg und Abfall von bestimmten Hormonen, wie zum Beispiel das für den Schlaf wichtige Melatonin.

Bereits im Jahr 1729 führte der Astronom Jean Jacques d’Ortous de Mairan erste Versuche zu inneren Uhr an Pflanzen durch. Er beobachtete bei Mimosen-Pflanzen die täglichen Veränderungen zwischen Tag und Nacht und fragte sich, was wohl passieren würde, wenn er die Pflanzen fortwährend in Dunkelheit stellen würde.

Das Ergebnis war, dass die Pflanzen noch ein paar Tage lang ihren üblichen Tag-Nacht-Rhythmus beibehielten – auch ohne die Hell-Dunkel-Information. Eigentlich war bereits dies der Beweis für die Existenz einer inneren Uhr. Aber warum die Pflanzen ihren ursprünglichen Rhythmus unabhängig von Tag und Nacht, noch beibehielten, sollte noch bis ins 20. Jahrhundert ein Rätsel bleiben.

 

Die genetischen Grundlagen der biologischen Uhr

Erste genetische Grundlagen fuer einen physiologischen Tagesrhythmus wurden 1970 in Fruchtfliegen entdeckt.

Hall und Rosbash hatten in Fruchtfliegen ein Gen identifiziert, welches  den Tageszyklus dieser Insekten steuert. Sie tauften dieses Gen daher „Period“. Das vom Gen hergestellte Protein PER wurde gemessen und ein Anstieg und Abfall über einen Zeitraum von 24 Stunden wurde dabei erkennbar, mit einem Konzentrationshoch in der Nacht und einem steten Abfall während des Tages.

Nach weiterer Forschung war bald klar, dass PER sich über einen Feedback-Mechanismus selbst reguliert: Das Protein wandert aus dem Zytoplasma der Zellen, wo es von seiner mRNA-Bauanleitung translatiert, also gebaut wurde, zurück in den Zellkern, um die Transkription, also das Entstehen der eigenen mRNA-Bauanleitung zu unterbinden.

Wenig später entdeckte Young 1994 ein zweites Gen, das mit „Period“in enger Wechselwirkung steht und nannte es „Timeless“. Dieses Gen codiert die Produktion des Proteins TIM. Ohne diese Protein funktioniert die innere Uhr von Fliegen trotz eines perfekt arbeitenden „Period“-Gens nicht. Das TIM Protein interagiert mit PER in einer verzögerten Rückkopplungsschleife der inneren Uhr: Beide Moleküle bilden Komplexe, die in den Zellkern eindringen und ihre eigenen Gene abschalten. Nach ein paar Stunden haben Enzyme die PER-TIM-Komplexe wieder abgebaut, und der Zyklus beginnt von vorn. Ohne TIM dagegen verschwindet PER deutlich schneller aus der Zelle.

Unklar blieb lange, was den Startpunkt der Produktion des Zeitgeberduos PER und TIM festlegt und nach Bedarf neu justieren kann.

Ende der 1990er Jahre entdeckten Chronobiologen dann die Gene clock und cycle–Heute sind insgesamt acht verschiedene „Uhren-Gene“ bekannt, von denen man weiß, dass sie Hunderte andere Gene beeinflussen und steuern können.

Mit den Forschungsergebnissen konnte erstmals erklärt werden, wie in allen Lebewesen auf diesem Planeten die Mechanismen, von denen die innere Uhr gesteuert wird, ablaufen und wie Pflanzen, Tiere und der Mensch sich physiologisch an den Tagesrhythmus anpassen können.

Eine Abfolge von Konsequenzen

Die Physiologienobelpreisträger Hall, Rosbash und Young haben durchaus preiswürdig das Fundament des boomenden Forschungsfeldes Chronobiologie gelegt.

Ein grundlegendes Verständnis wie alle Organismen auf der Erde an den natürlichen Tag-Nacht-Zyklus angepasst sind, ist extrem wichtig fürs Überleben, da so viele essentielle Lebensabläufe durch den Bio-Rhythmus gesteuert werden.

Denn wenn die innere Uhr nicht richtig funktioniert, hat dies oft gesundheitliche Folgen, meist verursacht durch Schlafstörungen, eine typische Begleiterscheinung gestörter Chronobiologie beim Menschen.

Kommt die innere Uhr aufgrund unseres Lebensstils - etwa bei Schichtarbeitern - dauerhaft aus dem Takt, steigt das Risiko für verschiedene Krankheiten und unser Wohlbefinden leidet.

So werden unter anderem Zusammenhänge mit Brustkrebs, Herz-Kreislauf-Leiden und einer verminderten Fruchtbarkeit diskustiert. Auch eine eine Reihe von Gedächtnisstörungen sowie neurologische und psychische Erkrankungen von Depressionen bis hin zu bipolaren Störungen werden mit falsch regulierten inneren Uhr in Verbindung gebracht:

Viel scheint schiefgehen zu können, wenn Zellen nicht im Einklang mit dem Tag-Nacht-Rhythmus stehen, der sie im Laufe ihrer Evolution stets begleitet hat.

 

References : 

http://www.sciencemag.org/news/2017/10/timing-everything-us-trio-earns-nobel-work-bodys-biological-clock

http://www.independent.co.uk/news/science/nobel-prize-medicine-winner-announce-circadian-rhythm-time-biological-clock-a7978261.html

http://www.nature.com/news/medicine-nobel-awarded-for-work-on-circadian-clocks-1.22736

https://www.theguardian.com/science/live/2017/oct/02/the-2017-nobel-prize-in-physiology-or-medicine-live

 


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