Neue Einblicke in die innere Uhr der Taufliege / Zur Synchronisierung des Tag-Nacht-Rhythmus



Bio-News vom 28.05.2018

Forscher um den Biologen Prof. Dr. Ralf Stanewsky von der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) präsentieren neue Erkenntnisse zur Steuerung der inneren Uhr bei der Taufliege (Drosophila melanogaster). Sie fanden Hinweise darauf, wie Licht und Temperatur dabei zusammenspielen. Zudem entdeckten sie bislang nicht bekannte molekulare Reaktionswege in den Sehzellen der Augen. Die beiden Studien sind in der Fachzeitschrift „Current Biology“ veröffentlicht.

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.


Prof. Dr. Ralf Stanewsky

Publikation:


Ogueta M. et al.
Non-canonical Phototransduction Mediates Synchronization of the Drosophila melanogaster Circadian Clock and Retinal Light Responses.
Current Biology

DOI: 10.1016/j.cub.2018.04.016



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

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.


Diese Newsmeldung wurde mit Material des Informationsdienstes der Wissenschaft (idw) erstellt

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