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Münster (upm/ch)

Neue Einblicke in die innere Uhr der Taufliege

Forscher um Prof. Dr. Ralf Stanewsky aus Münster veröffentlichen zwei Studien über Synchronisierung des Tag-Nacht-Rhythmus
Eine Taufliege. Die innere Uhr dieser Insekten ist für Chronobiologen weltweit ein spannendes Forschungsthema.<address>© colourbox.de</address>
Eine Taufliege. Die innere Uhr dieser Insekten ist für Chronobiologen weltweit ein spannendes Forschungsthema.
© colourbox.de

Es ist erst wenige Monate her, dass die Professoren Jeffrey Hall, Michael Rosbash und Michael Young einen Nobelpreis für ihre Arbeiten zur Entschlüsselung der biologischen inneren Uhr erhielten. Zahlreiche weitere Wissenschaftler weltweit forschen zu diesem Thema, darunter die Gruppe von Prof. Dr. Ralf Stanewsky an der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU). Obwohl bereits diverse grundlegende Mechanismen bekannt sind, gibt es noch zahlreiche offene Fragen dieser sogenannten Chronobiologie. In zwei aktuellen Veröffentlichungen in der Fachzeitschrift „Current Biology“ präsentiert das Team um den münsterschen Biologen nun neue Erkenntnisse zur Steuerung der inneren Uhr bei der Taufliege (Drosophila melanogaster). Einerseits haben die Wissenschaftler Hinweise darauf gefunden, wie Licht- und Temperaturreize bei der Steuerung zusammenspielen. Zum anderen fanden sie bislang nicht beschriebene molekulare Reaktionswege in den Sehzellen der Augen, die die innere Uhr stellen.

Zum Hintergrund: Tiere, Pflanzen und einzellige Organismen besitzen einen inneren circadianen Rhythmus, der Prozesse im Körper und das Verhalten periodisch steuert, beispielsweise den Schlaf-Wach-Rhythmus. Cirdadian bedeutet: Dieser innere Rhythmus dauert ungefähr einen Tag, also etwa 24 Stunden. Er wird durch „Uhr-Gene“ wie „period“ und „timeless“ vorgegeben. „Wie eine Armbanduhr müssen jedoch auch die inneren Uhren der Organismen regelmäßig gestellt werden“, sagt Ralf Stanewsky. Das heißt: Abhängig von äußeren, durch die Erdrotation bedingten Faktoren, nämlich Licht- und Temperaturzyklen, passt jeder Organismus seine eigene innere Uhr permanent an, damit sie synchron mit dem natürlichen Tag-Nacht-Rhythmus läuft.

Während die Mechanismen der Synchronisierung anhand des Zeitgebers Licht recht gut erforscht sind, ist bislang wenig darüber bekannt, wie die Temperatur die innere Uhr beeinflusst beziehungsweise wie Licht- und Temperatureinflüsse im Gehirn zusammengeführt werden. Das Team um Ralf Stanewsky untersuchte nun, welche Rolle ein bestimmtes Gen, „nocte“ genannt, dabei spielt.

Fehlt „nocte“, erhält das Gehirn falsche Temperatur-Signale

Prof. Dr. Ralf Stanewsky<address>© WWU/Laura Schenk</address>
Prof. Dr. Ralf Stanewsky
© WWU/Laura Schenk
Taufliegen, bei denen das „nocte“-Gen nicht funktionstüchtig ist, können ihren Schlafrhythmus nicht mehr anhand der Umgebungstemperatur synchronisieren – die Abkürzung „nocte“ steht für „no circadian temperature entrainment“, englisch für „keine Synchronisation der inneren Uhr mit der Umgebungstemperatur“. Die „nocte“-Mutanten sind allerdings nach wie vor in der Lage, ihre innere Uhr am Zeitgeber Licht auszurichten, solange die Temperatur konstant bleibt. Jedoch: Sobald wie in der Natur Licht und Temperatur gleichzeitig schwanken (zum Beispiel: nachts dunkel und kälter als tagsüber), gerät die innere Uhr aus dem Takt, was sich in einem gestörten Schlafrhythmus der Tiere widerspiegelt. „Wir zeigen: Das ‚nocte‘-Gen reguliert bei der Taufliege normalerweise die Weitergabe von Informationen über die Umgebungstemperatur an spezielle ‚Uhr-Neurone‘ im Gehirn. Fehlt das Gen, werden falsche Temperatursignale an die Uhr-Neurone weitergegeben, und der Schlafrhythmus der Fliege gerät aus dem Takt“, sagt Ralf Stanewsky.

Das Gen „nocte“ liefert den Bauplan für ein Protein, das in den Chordotonal-Organen von Insekten vorkommt. Diese winzigen Sinnesorgane liegen unter der Insektenhaut und registrieren äußere mechanische Reize, beispielsweise Schwingungen. Die neue Studie deutet darauf hin, dass die Chordotonal-Organe auch eine Rolle bei der temperaturabhängigen Regulierung der inneren Uhr spielen könnten.

Fotopigmente in den Augen tragen zur Hell-Dunkel-Synchronisation bei

In der zweiten Studie gingen die Forscher einem Phänomen auf den Grund, das sie zwar auch in früheren eigenen Studien hatten nachweisen können, für das es bislang aber keine Erklärung gab. Die Beobachtung betrifft den zur Synchronisation der inneren Uhr notwendigen Fotorezeptor Cryptochrom, der in einigen Uhr-Neuronen des Gehirns, also in für die circadiane Rhythmik zuständigen Nervenzellen, vorkommt und auf blaues Licht reagiert. Und zwar sind selbst Taufliegen, denen das Cryptochrom und das visuelle System fehlen, in der Lage, ihre innere Uhr an den täglichen Licht-Dunkel-Wechsel anzupassen – wenn auch viel langsamer als ihre gesunden Verwandten. Wie diese Anpassung ohne Cryptochrom funktioniert, war bisher nicht bekannt.

In der neuen Arbeit zeigen die Forscher nun, dass einige der in den Augen der Fliegen vorkommenden Fotopigmente über eine zuvor unbekannte molekulare Reaktionskaskade zur Synchronisation beitragen, und zwar die Fotopigmente Rhodopsin 1, 5 und 6. Diese drei Fotopigmente spielen eine zentrale Rolle im Sehprozess. „Überraschenderweise geben sie darüber hinaus auch unabhängig vom Sehprozess Lichtsignale aus dem Auge an die Uhr-Neurone im Gehirn weiter“, sagt Ralf Stanewsky. In bisherigen Studien war dieser Effekt nicht entdeckt worden, da sie sich auf die klassischen, aus der Sehreaktion im Auge bekannten molekularen Signalkaskaden fokussiert hatten.

Die Forscher zeigen auch, dass über den neu entdeckten Signalweg eine ganz spezielle Gruppe von Uhr-Neuronen synchronisiert wird. „Das sind andere Neurone, als diejenigen, die für die temperaturabhängige Synchronisation zuständig sind“, erläutert Ralf Stanewsky. „Es scheint also eine Art Aufgabenteilung unter den insgesamt 150 Uhr-Neuronen der Taufliege zu geben, wobei einige Neurone eher auf Licht und andere eher auf Temperatur reagieren.“

Zur Methode: Für ihre Studien setzten die Wissenschaftler Mutanten der Taufliege mit Veränderungen in den für die Fragestellungen zentralen Genen ein. Konkret waren dies: „nocte“ (das Gen sowie die Mutante hatten Forscher um Ralf Stanewsky bereits in früheren Arbeiten isoliert) sowie wichtige Gene der Lichtsynchronisation. Diese Tiere wurden daraufhin getestet, ob sie ihre innere Uhr und damit ihr Verhalten anhand äußerer Licht- und Temperaturzyklen synchronisieren können. Dazu verwendeten die Forscher ein sogenanntes Luziferase-Reportergen und spezielle Antikörperfärbungen, zwei Methoden, um die rhythmische Genaktivität in den Uhr-Neuronen sichtbar zu machen. Das Schlaf-Wach-Verhalten maßen die Forscher durch spezielle Verhaltenstests, bei denen automatisiert gemessen wird, wie häufig die Fliegen eine Infrarotschranke durchqueren – ein Maß für die Aktivität der Tiere.

An den Studien beteiligt waren auch Forscher des University College, London, wo Ralf Stanewsky vor seinem Ruf an die WWU seine Arbeitsgruppe leitete, und von der Universität Cambridge. Für ihre Arbeiten erhielten die Wissenschaftler Förderungen der Deutschen Forschungsgemeinschaft, des britischen „Biotechnology and Biological Sciences Research Council“ sowie der Europäischen Kommission.

 

Originalveröffentlichungen:

Ogueta M. et al. (2018): Non-canonical Phototransduction Mediates Synchronization of the Drosophila melanogaster Circadian Clock and Retinal Light Responses. Current Biology (in press), DOI: 10.1016/j.cub.2018.04.016; FREE ARTICLE

Chen C. et al. (2018): nocte Is Required for Integrating Light and Temperature Inputs in Circadian Clock Neurons of Drosophila. Current Biology 28: 1595-1605, DOI: 10.1016/j.cub.2018.04.001

 

 

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