24.6 : Circadian Rhythms and Gene Regulation

Die biologische Uhr ist an vielen Aspekten der Regulierung der komplexen Physiologie bei allen Tieren beteiligt. Es war im Jahr 1935, als die deutschen Zoologen Hans Kalmus und Erwin Bünning die Existenz eines zirkadianen Rhythmus bei Drosophila melanogaster entdeckten. Die internen molekularen Mechanismen hinter der zirkadianen Uhr blieben jedoch bis 1984 ein Rätsel, als Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash und Michael W. Young die Expression des Per-Gens entdeckten, das über einen 24-Stunden-Zyklus oszilliert. In den folgenden Jahren wurden viele weitere assoziierte Gene identifiziert, und der Mechanismus der Regulation des zirkadianen Rhythmus wurde weiter entschlüsselt. Der Beitrag von Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash und Michael W. Young zum Verständnis der inneren biologischen zirkadianen Uhren wurde 2017 mit dem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin gewürdigt.

Der molekulare Mechanismus des zirkadianen Rhythmus

In Drosophila ist das Periodenprotein (PER) das wichtigste regulatorische Protein, das den internen zirkadianen Rhythmus in den Zellen steuert. PER bildet einen Komplex mit einem anderen essentiellen Protein namens Timeless (TIM) und dringt in den Zellkern ein. Hier kann es die Höhe der PER-Expression in der Zelle durch Rückkopplungshemmung regulieren. Darüber hinaus steuert es auch die Expression anderer Gene, indem es die Aktivität der transkriptionellen Aktivatoren Clock und Cycle hemmt. Wichtig ist, dass die Stabilität des PER/TIM-Komplexes von der An- oder Abwesenheit von Licht abhängt, was bedeutet, dass er unter Tagesbedingungen abgebaut wird. Das Ergebnis ist, dass die Expression von Genen, die dem PER/TIM-Komplex nachgeschaltet sind, durch Licht gesteuert wird, und dieses Phänomen ermöglicht eine Synchronisation der zirkadianen Uhr.

Bei Säugetieren funktioniert die Regulation des zirkadianen Rhythmus auf sehr ähnliche Weise. Aufgrund der Hinzufügung mehrerer Paralog-Gene ist die Regulation des gesamten Signalwegs jedoch viel komplizierter als bei Drosophila.

Bedeutung des zirkadianen Rhythmus

Alle lebenden Organismen auf der Erde haben sich in Gegenwart von 24-Stunden-Tag-Nacht-Zyklen entwickelt und ihre zellulären, physiologischen sowie Verhaltensreaktionen entsprechend angepasst. Zum Beispiel werden die Tageszyklen von Schlafen und Wachen, die Körpertemperatur und die Hormonfreisetzung bei Säugetieren durch den zirkadianen Rhythmus gesteuert. Unregelmäßige zirkadiane Rhythmen können zu vielen gesundheitlichen Problemen führen, wie z. B. bipolaren Störungen oder Schlafstörungen. Darüber hinaus kann eine Störung des zirkadianen Rhythmus zu nachteiligen Auswirkungen auf andere Systeme des Körpers führen, einschließlich des Herz-Kreislauf-Systems.