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Biologie : Der zwanglose Rhythmus

  • -Aktualisiert am

Futterzeiten als Taktgeber in den peripheren Organen Bild: dpa

In allen Körperorganen ticken biologische Uhren, deren wichtigster Zeitgeber das Licht ist. Wie die unzähligen Uhren in der Peripherie im Takt gehalten werden und wie sie zu einem harmonischen Zusammenspiel finden, ist noch ungeklärt.

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          Die Maus geht am hellichten Tag ebensowenig auf Vorratssuche, wie der Mensch sich um Mitternacht plötzlich topfit für einen Waldlauf fühlt. Ihre inneren Uhren sorgen dafür, daß Physiologie und Verhalten in artgerechter Weise ganz bestimmten Tag-Nacht-Rhythmen folgen. Diese biologischen Uhren gehen aber etwas ungenau, weshalb sie vom Hell-Dunkel-Rhythmus des Sonnenlichts täglich von neuem auf einen etwa 24-Stunden-Takt, den sogenannten zirkadianen Rhythmus, eingestellt werden.

          Licht ist der wichtigste Zeitgeber biologischer Uhren. Beim Menschen und bei den Säugetieren gelangt es über die Netzhaut des Auges in den als suprachiasmatischen Nukleus bezeichneten Gehirnteil, die Steuerungszentrale für 24-Stunden-Rhythmen. Zunächst hatte man angenommen, daß dieses Hirnareal das zentrale Zeitgeberorgan im Körper ist. Zur großen Überraschung ticken unabhängige zirkadiane Uhren jedoch in fast allen Körperorganen. Über diese Entdeckungen berichtete Ueli Schibler von der Universität Genf unlängst auf einem Symposion am Zentrum für Molekularbiologie (ZMBH) in Heidelberg.

          Licht wichtiger Zeitgeber

          Wie die unzähligen Uhren in der Peripherie im Takt gehalten werden und wie sie zu einem harmonischen Zusammenspiel finden, ist noch ungeklärt. Fest steht, daß Fehler in den Steuerungsmechanismen der inneren Uhren schwerwiegende Folgen haben können und Krankheiten verursachen. Bei manchen Lebewesen, etwa den Pflanzen mit ihren molekularen Lichtantennen im Blattgrün und auch bei lichtdurchlässigen, kleinen Tieren wie dem Zebrafisch oder der Fruchtfliege Drosophila, ist Licht möglicherweise der einzige Zeitgeber.

          Auch beim Menschen und bei den Tieren ist Licht immer noch ein wichtiger Zeitgeber. Dieser wird aber ergänzt durch viele weitere Taktgeber, die lichtunabhängig arbeiten. Diese peripheren Uhren werden einerseits von der zentralen Uhr im Gehirn eingestellt, andererseits können sie unabhängig von diesem Zeitgeber weiterticken. So behielt das nierenartige Ausscheidungsorgan von Drosophila, die Malpighischen Tubuli, seinen mitgebrachten Rhythmus längere Zeit bei, wenn man es in ein Empfängertier verpflanzte, bei dem man zuvor den Tag-Nacht-Rhythmus umgekehrt hatte.

          Auch Versuche mit Nagern zeigen, daß man die peripheren Uhren vom Hauptschalter im Gehirn völlig abkoppeln kann. Fütterte man die Tiere eine Woche lang nicht in der Nacht, sondern ausschließlich am Tage, stellten sich die inneren Uhren in Bauchspeicheldrüse, Leber, Herz und Niere völlig auf den neuen Rhythmus ein. Das war an den entsprechenden Genaktivitäten in diesen Organen zu erkennen. Umgekehrt hatten die neuen peripheren Rhythmen aber keinen Einfluß auf den Hauptschalter im Gehirn. Sobald man bei Nagetieren den suprachiasmatischen Nukleus im Gehirn zerstörte, gerieten die peripheren Uhren aus dem Takt. Offenbar sendet der Zeitgeber im Gehirn Signale an die peripheren Uhren und synchronisiert deren Zusammenspiel. Umgekehrt beeinflussen die untergeordneten Oszillatoren den Hauptschalter jedoch nicht. Welcher Natur die vom Gehirn ausgehenden Signale sind, die die Uhren in den Organen einstellen, ist noch weitgehend unbekannt. Auch die entsprechenden Empfangsantennen in den Körperorganen kennt man noch nicht.

          Gefüge molekularer Uhren

          Der wohl wichtigste Taktgeber in den peripheren Organen sind die Futterzeiten. Die Forscher haben zahlreiche Moleküle im Visier, die beim Einstellen der Uhren in den Verdauungsorganen eine Rolle spielen könnten, vom Zucker über vom Darm gebildete Peptidhormone bis zu giftigen Stoffwechselprodukten. Auch die Körpertemperatur ist einer der Schrittmacher, der als Taktgeber in der Peripherie wirkt. So hat man beobachtet, daß das Aktivitätsmuster bestimmter Gene umgekehrt werden kann, wenn im Lebensraum der Tiere entgegen ihrer gewohnten Umgebung heiße Nächte und kalte Tage herrschen. Sowohl die Futterzeiten als auch die Körpertemperatur werden ihrerseits vom Zeitgeber im Gehirn gesteuert.

          In diesem hierarchisch geordneten Gefüge von molekularen Uhren ist der Organismus nicht vor Fehlern gefeit. So hat man beobachtet, daß Mäuse leicht an Krebs erkranken, wenn ihnen eine Komponente des übergeordneten Zeitgebers im Gehirn, das sogenannte Per2-Gen, fehlt. Der Gendefekt hatte zur Folge, daß verschiedene den Zellzyklus steuernde Erbanlagen nicht mehr im richtigen Takt zusammenarbeiteten. Bestimmte Zellen vermehrten sich unkontrolliert, so daß die Tiere leicht einen Lymphknotenkrebs entwickelten. Wie Schibler beobachtet hat, kann auch ein Mangel an rhythmisch gebildeten Genprodukten, welche die Aktivität von Genen speziell im suprachiasmatischen Nukleus und in der Leber steuern, schwere Gesundheitsstörungen hervorrufen. So verursachte der Ausfall der zirkadian gebildeten Transkriptionsfaktoren vom Typ PAR bei der Maus einen Mangel an den Neurotransmittern Serotonin und Dopamin. Die Folgen waren schwere Epilepsien.

          Nicht zuletzt sind die molekularen Uhren in den Organen auch für die Wirksamkeit von Medikamenten von Bedeutung. So hat man bei schnell wachsenden Tumoren beobachtet, daß sich die Zellen zur gleichen Zeit teilen und daß sie demzufolge zu einem bestimmten Zeitpunkt besonders anfällig gegenüber Zellgiften sind. Wenn man solche Zusammenhänge noch besser durchschaut, könnte es gelingen, Chemotherapien nach den zirkadianen Rhythmen der Patienten auszurichten, um auf diese Weise eine bessere Wirksamkeit bei geringerer Toxizität zu erreichen.

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