Fruchtfliegen sind typischerweise morgens und abends besonders aktiv. Jetzt haben zwei Wissenschaftlerteams unabhängig voneinander herausgefunden, dass diese Aktivitätsschübe nicht von einer, sondern von zwei getrennten inneren Uhren gesteuert werden. Die Ergebnisse wurden in der aktuellen Ausgabe des Magazins Nature veröffentlicht.
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Biologische Uhren sowohl in Fliegen als auch im Menschen sind circadian, sie arbeiten in einem 24-Stunden Zyklus. Beim Menschen steuert die Innere Uhr wichtige Lebensvorgänge wie den Schlaf- und Wachrhythmus, die Körpertemperatur, den Wasserhaushalt, die Herztätigkeit und den Sauerstoffverbrauch. In der Fruchtfliege Drosophila dagegen steht der Einfluss auf den Aktivitätsrhythmus im Vordergrund. Bei beiden Organismen jedoch sind die Uhren ähnlich aufgebaut, sie bestehen aus Neuronenschaltkreisen, die natürlicherweise in einem circadianen Rhythmus oszillieren. Im Inneren dieser „Uhrenzellen“ laden sich die molekularen Komponenten der Uhr täglich durch Lichteinflüsse und andere Reize neu auf.
Zwei verräterische Peaks
Forscher des amerikanischen Howard Hughes Medical Institute um Michael Rosbash und eine zweite Arbeitsgruppe um François Rouyer am Centre National de la Recherche Scientifique in Frankreich haben jetzt neue Einblicke in die Funktionsweise der Fruchtfliegenuhr gewonnen. Die zentrale Ansatzstelle der Forscher war die Beobachtung, dass Fruchtfliegen zwei deutlich voneinander abgegrenzte Zeiten der Aktivität aufweisen. „Es war schon immer auffallend, dass die Fliegen zwei Peaks der Aktivität haben, eine morgens, die andere abends, mit einer Siesta während des Tages und nicht sehr viel Aktion in der Nacht“, erklärt Rosbash. „Es gibt mehrere Möglichkeiten, das zu erklären, aber eine davon war, das es zwei Innere Uhren gibt – die eine steuert den Morgenpeak, die andere die Abendaktivitäten.“
Rosbash und seine Kollegen gingen von der Annahme aus, dass zwei verschiedene Uhren auch unterschiedliche anatomische Positionen im Fiegengehirn einnehmen müssen. Sie wussten bereits, dass die Uhrenneuronen der Tiere zwei deutlich erkennbare Zellhaufen beinhalten, die so genannten ventralen lateralen Neuronen und die dorsalen lateralen Neuronen. Die ventralen lateralen Neuronen produzierten bekanntermaßen einen wichtigen circadianen Botenstoff, den Pigment Dispersing Faktor (PDF), der andere Zellhaufen ist Teile einer größeren Gruppe von Neuronen, die zwar keinen Botenstoff erzeugen, wohl aber die Produktion des Photorezeptors Phytochrom steuern.
Teamwork beider Uhren
Von diesen Parametern ausgehend nutzen die Wissenschaftler gentechnische Methoden, um selektiv Zelltodgene in die einzelnen Neuronengruppen einzuschleusen und anschließend das resultierende Verhalten der Fliegen zu beobachten. Die Experimente zeigten, dass die PDF-produzierenden ventralen Lateralen Neuronen die Morgenaktivität steuerten, während eine andere Neuronengruppe, zu der auch die dorsalen lateralen Neuronen gehörten, für den Abendpeak verantwortlich waren.
In einem zusätzlichen Experiment unterbrachen die Forscher selektiv den Uhrenmechanismus der circadianen Neuronen und stellten dabei fest, dass eine Uhr die andere antreibt. „Es scheint als wenn es eine Kabelverbindung zwischen beiden gibt, so dass unter natürlichen Bedingungen eine die Physiologie der anderen regulieren kann“, erklärt Rosbash. Die Wissenschaftler nehmen an, dass diese Art der Verbindung zwischen beiden circadianen Oszillatoren die beiden Aktivitätspeaks koordiniert und dazu beiträgt, auf Umweltfaktoren wie saisonale Helligkeitsänderungen reagieren zu können.
Nach Aussage von Rosbash existieren Hinweise darauf, dass auch Säugetiere, darunter der Mensch, solche duale circadiane Systeme besitzen und das diese Systeme miteinander kommunizieren. Doch der anatomische und biochemische Nachweis dieser „Doppeluhr“ steht zurzeit noch aus.
(Howard Hughes Medical Institute, 14.10.2004 – NPO)
