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Zukunftslabor Lindau : Das Potential der inneren Uhr

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Benzers Team isolierte drei Fruchtfliegenstämme mit jeweils unterschiedlicher Mutation. Der erste Stamm hatte einen arrhythmischen 24-Stunden-Zyklus, ein anderer eine kürzere Periode von 19 Stunden und ein dritter Stamm eine längere von 28. Benzer fand heraus, dass sich alle drei Mutationen im gleichen Gen befanden. Dies wurde später „Period“-Gen genannt. Benzer und Konopka vermuteten, dass die Fruchtfliegen mit dem arrhythmischen Zyklus eine sogenannte Nonsense-Mutation im Gen eingebaut hatten, das die Erbanlage inaktivierte, und dass die Fruchtfliegen mit dem längeren und kürzeren Zyklus Mutationen hatten, die das Genprodukt gegensätzlich beeinflussten. Beide Vermutungen waren richtig, wie sich später herausstellte.

Die innere Uhr auf molekularer Ebene

Mitte der achtziger Jahre gelang es den Chronobiologen Jeffrey C. Hall und Michael Rosbash von der Brandeis-Universität in Massachusetts und Michael W. Young von der Rockefeller-Universität in New York, das Period-Gen zu isolieren und zu sequenzieren. Wie die zirkadiane Uhr auf molekularer Ebene funktionierte, war damit aber auch noch nicht geklärt. Forscher stellten diverse Theorien auf, wie das Genprodukt, das Protein „Per“, arbeiten könnte. Beispielsweise wie eine Pumpe, die einen Gradienten in der Zellmembran aufbaut und quasi wieder „ausgeschaltet“ wird, wenn eine bestimmte Helligkeit erreicht ist.

Die Ergebnisse der Nobelpreisträger im Überblick: Wie unsere innere Uhr tickt.
Die Ergebnisse der Nobelpreisträger im Überblick: Wie unsere innere Uhr tickt. : Bild: dpa-infografik

Andere Forscher meinten, Per könnte ein Proteoglykan sein, das Zellen näher zueinanderbringt, damit diese leichter Verbindungen eingehen könnten. Hall und Rosbash fanden schließlich heraus, dass das Per-Protein in der Nacht akkumulierte und tagsüber abgebaut wurde. So schwankten die Per-Spiegel über einen Zeitraum von 24 Stunden synchron mit dem zirkadianen Rhythmus. Sie vermuteten, dass Per die Aktivität des Period-Gens blockierte. Hat eine Zelle genügend Per produziert, verhindert das Protein selbst, dass noch mehr Per hergestellt wird. So reguliert es seine eigenen Konzentrationen in einem kontinuierlichen Rhythmus.

Schul- und Arbeitsbeginn zu früh?

Es fehlten aber immer noch ein paar Puzzleteile. Das Per-Protein blockiert die Aktivität des Period-Gens, so viel war klar. Aber dazu musste das Per-Protein, das im Zytoplasma produziert wird, in den Zellkern gelangen, wo sich das Erbgut mit dem Gen befindet.

Der dritte Preisträger, Michael Young, entdeckte ein zweites Gen für den zirkadianen Rhythmus, das Timeless-Gen. Das führt zur Produktion des Tim-Proteins, das wie ein Taxi wirkt: Bindet Per an Tim, können beide Proteine in den Zellkern gelangen, wo sie die Aktivität des Period-Gens blockieren. Dass unsere innere Uhr genau 24 Stunden lang ist, gewährleisten andere Gene wie doubleTime, clock, cycle und Cryptochrome, deren Genprodukte, also die Proteine Clk, Cyc und Cry, in einem komplizierten Zusammenspiel den Per-Kreislauf fein regulieren und Einflüsse aus der Umwelt integrieren. So aktiviert zum Beispiel Licht das Cry-Protein und bewirkt, dass es an das Tim-Taxi bindet, was letztendlich zum schnelleren Abbau von Per führt.

„An die innere Uhr sind elementare Prozesse gekoppelt wie der Temperaturhaushalt, Stoffwechselprozesse und das Herz-Kreislauf-System sowie die Ausschüttung von Kortisol und Wachstumshormonen“, sagt Christian Baumann, leitender Schlafmediziner an der Uniklinik in Zürich. Diese werden durch den Hell-Dunkel-Rhythmus tagaus, tagein getaktet. Es gibt verschiedene Chronotypen, was sich auch im täglichen Leben widerspiegelt: Die Lerchen unter uns kommen schlechter mit Schichtarbeit zurecht als Eulen. „Für viele Spättypen ist der Schul- und Arbeitsbeginn zu früh. Die Folge sind Tagesschläfrigkeit, vermehrt Fehler im Straßenverkehr oder am Arbeitsplatz.

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