Genetische Voraussetzungen für das Ticken der inneren Uhr

ÖAW-Forscher entdecken zentralen Steuerungsmechanismus für  cirkadiane Rhythmen

Das Leben aller Organismen, von Bakterien bis zum Menschen, wird durch eine innere Uhr mit den Zyklen der natürlichen Umwelt - allen voran mit dem Tagesrhythmus - synchronisiert. Jede Zelle nimmt dafür Signale aus der Umwelt auf. Das Steuerungssystem für die cirkadianen Rhythmen, wie diese innere Uhr auch genannt wird, reagiert aber nicht nur auf den Wechsel von Tag und Nacht, sondern auch auf Reize, die nicht durch Licht verursacht werden, wie etwa physische Aktivität, das Vorhandensein von Futter, oder die Gegenwart von Feinden. Licht- und andere ("Nicht-Licht"-) Reize wirken dabei oft gegensätzlich und haben einen evolutionär bedingten Einfluss auf das Verhalten von Tieren. Änderungen und Störungen der inneren Uhr findet man etwa bei Schichtarbeitern oder beim Jet Lag. Außerdem werden sie mit Schlafstörungen, Krebs, Depressionen durch Lichtentzug und Herzinfarkt in Verbindung gebracht.

Josef Penninger vom Institut für Molekulare Biotechnologie (IMBA) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) als Lead-Autor und sein Team haben in Kooperation mit Wissenschaftlern aus Kanada, den USA und Argentinien einen entscheidenden Regulator für die innere Uhr in Säugetieren identifiziert. Der neu entdeckte Regulator, ein Protein namens Dexras1, "verrechnet" Licht- und Nicht-Licht-Reize bei Mäusen simultan. Wenn er in den für die innere Uhr wichtigen Gehirnzellen der Mäuse vorhanden ist, reagieren die Tiere empfindlich auf Lichtreize. Wenn das Protein aber fehlt, verstärkt sich die Empfindlichkeit gegenüber anderen Signalen aus der Umwelt. "Die Ergebnisse deuten auf einen bislang unbekannten Mechanismus, durch den verschiedene Signalwege zusammengeschaltet werden, um eine integrative Antwort auf komplexe Umweltbedingungen zu ermöglichen", freut sich Josef Penninger über die neuen Erkenntnisse, die in der aktuellen Nummer der angesehenen Fachzeitschrift Neuron (www.neuron.org) publiziert werden.

Schaltstelle am Puls der Zeit
Wie stark Tiere auf die Zeitgeber aus der Umwelt reagieren, unterliegt einerseits einem genetisch festgelegten, artspezifischen und zeitabhängigen Muster. Es hängt aber zusätzlich vom Kontext und der Lebensgeschichte ab. Die Wissenschaftler können aufgrund der neuen Ergebnisse erklären, warum Licht- und Nicht-Licht-Reize gegensätzliche Reaktionen verursachen: Die Schaltstelle für die Weitergabe von Licht- beziehungsweise Nicht-Licht-Signalen ist nämlich ein einziges Protein: Dexras1. Es beeinflusst die Empfindlichkeit gegenüber beiden Arten von Signalen und ermöglicht es dem Organismus, gleichzeitig auf unterschiedlichste Reize zu reagieren.

Nachstellen der inneren Uhr
Josef Penninger und sein Team fanden durch diese Studie eine Erklärung für die unterschiedlichen Aktivitätsmuster verschiedener Tierarten. So reagieren Mäuse üblicherweise nicht auf bestimmte Reize, die beim Hamster die innere Uhr umstellen. Mäuse ohne Dexras1 aber ändern in diesem Fall ihr Verhalten grundlegend. "Wir haben in den Studien durch die Änderung eines einzigen Gens den cirkadianen Regelkreis so verändert, dass eine Maus ein Hamster ähnliches Verhalten zeigt", erklärt Josef Penninger. "Es ist daher gut möglich, dass bestimmte Moleküle wie Dexras1 auch die innere Uhr des Menschen und somit sein Verhalten beeinflussen können."

Die aktuellen Ergebnisse können dazu beitragen, Phänomene wie Jet Lag, Depressionen durch Lichtentzug oder gesundheitliche Probleme bei Schichtarbeitern besser zu verstehen. Für die moderne Gesellschaft, wo oft die Nacht zum Tag zur gemacht wird, ist es essentiell, die molekularen Zusammenhänge der cirkadianen Rhythmen aufzuklären. "Zu erforschen wie die innere Uhr unseren Körper an die Umwelt anpasst, finde ich als eine der spannendsten und wichtigsten Gebiete der Wissenschaft", meint Josef Penninger begeistert.

Diese Studie wurde von der ÖAW und vom Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft und Kultur unterstützt.

Kontakt:
Prof. Dr. Josef Penninger
Institut für Molekulare Biotechnologie (IMBA) der
Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW)
T (01) 79730-454
email: josef.penninger@imba.oeaw.ac.at
www.imba.oeaw.ac.at



Büro für Öffentlichkeitsarbeit
Österreichische Akademie der Wissenschaften
Dr. Waltraud Niel Dr. Ignaz Seipel-Platz 2, A-1010 Wien
T +43 1 51581-1218, 1219, 1235
F +43 1 51581-1227
email: waltraud.niel@oeaw.ac.at