Innere Uhr besitzt ein Zahnrad aus Zink

Taktgeber der inneren Uhr: Das Spurenelement Zink spielt eine wichtige Rolle bei der Regulierung des menschlichen Tagesrhythmus, haben deutsche Wissenschaftler herausgefunden. Fehlt das Zink, kommen wichtige Bindungen der inneren Uhr nicht zustande. Die neuen, in der Fachzeitschrift „Cell“ veröffentlichten Erkenntnisse könnten auch zur Entwicklung neuer Therapieformen beitragen.

Ein mehrstündiger Flug in eine andere Zeitzone oder eine durchgearbeitete Nacht, und schon ist unsere innere Uhr falsch eingestellt: Die molekularen Wechselwirkungen, die unseren Tagesrhythmus bestimmen, passen nicht mehr zu unserem Eindruck der Tageszeit. Diese Wechselwirkungen finden zwischen ganz bestimmten Proteinen und spezifischen Ziel-Genen statt.

Proteine lassen innere Uhr ticken

Wie beim Zusammenspiel der mechanischen Teile einer Armbanduhr binden sogenannte Uhrproteine zu ganz bestimmten Zeitpunkten aneinander. Die gebundenen Proteine wiederum aktivieren die Gene für zeitspezifische Vorgänge im Körper sowie weitere Proteine, die die Uhr weiter ticken lassen. So entsteht ein Rhythmus von etwa 24 Stunden, der unser Schlaf-Wach-Verhalten, aber auch viele andere hormonelle und Stoffwechselprozesse steuert.

„Das Grundverständnis der Funktionsweise unserer inneren Uhr ist in vielen Lebensbereichen von großer Bedeutung“, erklärt Achim Kramer von der Charité – Universitätsmedizin Berlin. „So ist beispielsweise bei den Volkskrankheiten Krebs und Diabetes bekannt, dass die innere Uhr der Zellen falsch eingestellt ist. Auch die Probleme, die uns ein Jetlag oder Schichtarbeit bereiten, hängen mit der inneren Uhr zusammen.“

Zink-Ion in hochauflösender Strukturanalyse

Zwei der verantwortlichen Proteine haben sich Wissenschaftler der Charité zusammen mit Kollegen vom Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried genauer angeschaut – und zwar im wörtlichen Sinne. Ein hochaufgelöstes Bild der Uhrproteine „Period“ (PER) und „Cryptochrome“ (CRY) zeigte den Forschern die Struktur des Komplexes, den diese Proteine vorwiegend in der Nacht miteinander bilden. Dieser Komplex trägt entscheidend zum reibungslosen Funktionieren des inneren Uhrwerks bei.

Die Strukturanalyse enthüllte ein entscheidendes, zuvor unbekanntes Merkmal des PER/CRY-Proteinkomlexes: Ein Zink-Ion befindet sich zwischen den Proteinen, genau dort, wo sie aneinander binden. Das Zink an dieser Stelle bildet gewissermaßen eine Brücke zwischen den Proteinen und stabilisiert damit die Bindung.

Wie äußere Faktoren die innere Uhr regulieren

Die Anwesenheit eines solchen Spurenelements liefert einen wichtigen Hinweis: Das Zink ist wahrscheinlich nur unter bestimmten physiologischen Bedingungen vorhanden. Durch diesen Mechanismus sind die Proteine der inneren Uhr empfänglich für äußere Faktoren, beispielsweise aufgenommene Nahrung. So lässt sich das Uhrwerk verstellen: Regelmäßige Mahlzeiten sorgen für einen stabileren Tagesrhythmus.

„Die Ergebnisse dieser Arbeit erweitern unser Verständnis, wie Umwelteinflüsse auf unsere innere Uhr wirken“, sagt Kramer. Die vollständige Analyse der Struktur des PER/CRY-Proteinkomplexes könnte demnach die Suche nach Wirkstoffen, die das molekulare Uhrwerk regulieren, entscheidend voranbringen. Auch ganz neue Therapie-Ansätze könnten bald möglich sein: Bei sogenannten Chronotherapien werden Medikamente zu ganz bestimmten Tageszeiten verabreicht. Da sie gezielt auf den Tagesrhythmus abgestimmt sind, so die Hoffnung der Forscher, zeigen sie eine größere Wirkung oder geringere Nebenwirkungen.

(Cell, 2014; doi: 10.1016/j.cell.2014.03.057)

(Charité – Universitätsmedizin Berlin, 27.05.2014 – AKR)