Steuerung der inneren Uhr durch Licht – der Jetlag und unsere Gene

6. Juni 2007

Alle Pflanzen und Tiere besitzen innere Uhren, die ihren Tagesablauf steuern und bei Tieren unter anderem den Schlaf- und Wachrhythmus bestimmen. Diese Uhren laufen biochemisch und werden durch ein komplexes Wechselspiel von Genen und Licht reguliert. Eine Gruppe von Wissenschaftlern aus der Abteilung von Prof. Gregor Eichele am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen hat jetzt einen neuen Mechanismus entdeckt, wie diese inneren Uhren auf Licht reagieren – ein Problem, dem wir bei Flugreisen ständig ausgesetzt sind. (Neuron, 7. Juni 2007)

Ein inneres Uhrwerk sorgt in uns allen dafür, dass wir tagsüber wach sind und nachts schlafen, und das Tag für Tag im gleichen Rhythmus. Diese sog. "zirkadiane" Uhr (vom Lateinischen "circa" – ungefähr – und "dies" – der Tag) hat zwei besonders wichtige Eigenschaften: Sie folgt einem exakten inneren Rhythmus und ist durch Zeitgeber von außen verstellbar. Bei den meisten Pflanzen und Tieren ist Licht das wirksamste Signal zur Anpassung der zirkadianen Uhr an die "externe" Zeit. Das wird z.B. beim Jetlag offenkundig: Auf Flugreisen nach Osten oder Westen verschiebt sich der Tag-Nacht-Rhythmus der Umgebung. Am Zielort angekommen, kann man an sich selbst beobachten, wie sich die eigene innere Uhr über ein paar Tage hin an den neuen Rhythmus anpasst. Dies geschieht primär durch den Einfluss von Licht.

Prof. Gregor Eichele und Dr. Vladia Jakubcakova untersuchen die Steuerung der inneren Uhr durch Licht und Gene an Mäusen, die während bestimmter Zeiten ihres Tagesablaufs besonders aktiv sind.

Um die direkte Wirkung von Licht auf die innere Uhr zu erforschen, setzt man den Organismus kurz einem Lichtpuls aus und studiert dann, wie sich der Schlaf-/ Wachrhythmus am Tag darauf verschiebt, z.B. an Mäusen. Mäuse sind in der Nacht besonders aktiv und mögen es, wenn sie dann in einem Laufrad rennen können. Die Forschung macht sich das zunutze, indem sie die Umdrehungen des Laufrades über Tage und Wochen hin aufzeichnet. So erkennt man, dass die Nager beim Einbruch der Dunkelheit zu laufen beginnen und in den frühen Morgenstunden ruhen. Wenn man nun nur ein einziges Mal zu Beginn der Nacht einen 20-minütigen Lichtpuls gibt, kann man beobachten, dass sich der Aktivitätsrhythmus abrupt verschiebt. Am nächsten Tag beginnt das Tier etwa eine Stunde später zu laufen: Die innere Uhr wurde zurückgestellt.

Expressionsmuster des Gens Rorb im Querschnitt des erwachsenen Maushirns. Rorb ist ein Nuklear-Rezeptor, der besonders stark in einer spezifischen Schicht der Großhirnrinde (oben) und in den beiden birnenförmigen suprachiasmatischen Kernen (SCN, am unteren Rand des Schnittes), dem Zentrum der inneren Uhr, aktiv ist.

Wie funktioniert das? Schon einige Zeit ist bekannt, dass die zirkadiane Uhr durch Uhrengene und deren Proteine gesteuert wird. Ein Schlüsselprotein ist dabei das "PERIOD2"-Protein (PER2). Die Menge von PER2 im Nucleus Suprachiasmaticus (SCN) – einem winzigen Kern im Gehirn und Sitz der zirkadianen Zentraluhr bei Säugetieren – nimmt im Laufe des Tages zunächst zu. Wie alle Proteine befindet sich das neu produzierte PER2 zunächst im Zellplasma. Wenn es allerdings in großen Mengen vorliegt, dringt PER2 auch in den Zellkern ein und schaltet dann dort sein eigenes Gen ab. Dieser als negative Rückkopplung bezeichnete Prozess bewirkt einen selbstregulierenden Rhythmus der PER2-Produktion im SCN, eine Art molekularer Oszillator im 24-Stunden-Takt, ein zelluläres Uhrwerk. Darüber hinaus ist PER2 auch in die Lichtregulation der zirkadianen Uhr eingebunden. Es wurde z.B. beobachtet, dass Licht den Transkriptionsfaktor "CREB" aktiviert, der dann an die Kontrollregion des Per2-Gens bindet und dadurch dessen Aktivierung bewirkt, d.h. neues PER2-Protein wird produziert.

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