Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Was innere Uhr und Stress verbindet

15.09.2014

Zwei Phänomene bestimmen im Wesentlichen das Leben sämtlicher Organismen: Der beständige Rhythmus von Tag und Nacht und das Auftreten plötzlicher Ereignisse. Um darauf adäquat reagieren zu können, haben Lebewesen spezielle Mechanismen entwickelt – mit einer überraschenden Gemeinsamkeit.

Der unablässige 24-Stunden-Takt von Tag und Nacht und das unvorhersehbare Auftreten plötzlicher Ereignisse: Zwischen diesen beiden Polen spielt sich das Leben so gut wie aller Organismen auf der Erde ab – angefangen beim Einzeller bis zum Menschen.

Beide erfordern ganz unterschiedliche Antworten. Dementsprechend unterschiedliche Reaktionsmuster mit den dazugehörigen genetischen Grundlagen haben sich im Laufe der Evolution dafür entwickelt. So bereiten auf der einen Seite so genannte „innere Uhren“ den Organismus auf die regelmäßig wiederkehrenden Erfordernisse des Alltags vor. Auf der anderen Seite springt ein Stress-System immer dann an, wenn eine schnelle Reaktion auf ein unerwartetes Ereignis erforderlich ist.

Starker Stress stört den Tag-Nacht-Rhythmus

Trotz dieser Unterschiede: Jüngste Forschungsergebnisse zeigen, dass diese Systeme auch Gemeinsamkeiten besitzen, die sie miteinander verbinden. Viele Menschen können das vermutlich aus eigener Erfahrung bestätigen. Zu unterschiedlichen Tageszeiten reagieren sie ganz unterschiedlich auf Stress. Andererseits bringt starker Stress ihren Tag-Nacht-Rhythmus durcheinander und stört so den Schlaf.

Die molekularen und zellulären Grundlagen dieser Gemeinsamkeiten waren bislang im Detail unbekannt. Jetzt ist es Wissenschaftlern der Universität Würzburg gelungen, eines der verbindenden Elemente zu identifizieren. Die Chronobiologin Charlotte Helfrich-Förster und ihr Team konnten nachweisen, dass ein spezielles Enzym, die Mitogen-aktivierte Proteinkinase p38, in beiden Signalwegen eine wichtige Rolle spielt. In der Fachzeitschrift PLOS Genetics stellen die Wissenschaftler ihre Arbeit vor.

Eine Spezialistin für Chronobiologie

„Schon seit Längerem ist bekannt, dass p38 eine wichtige Komponente der Immun- und Stress-Signalwege ist. Wir konnten jetzt erstmals zeigen, dass das Enzym außerdem Bestandteil der zentralen inneren Uhr ist und dort wichtige Funktionen übernimmt“, erklärt Charlotte Helfrich-Förster das Ergebnis ihrer Studie. Die Professorin hat an der Universität Würzburg den Lehrstuhl für Neurobiologie und Genetik inne.

Chronobiologie, also die zeitliche Organisation aller Lebewesen, ist ihr Spezialgebiet. Sie ist außerdem Sprecherin des Sonderforschungsbereichs „Insect timing: mechanisms, plasticity and interactions“, der Anfang 2013 seine Arbeit aufgenommen hat. Auch er geht der Frage nach, wie die inneren Uhren im Tierreich funktionieren.

Die Würzburger Biologen haben am Beispiel der Taufliege Drosophila melanogaster die Rolle von p38 untersucht. Das Insekt bietet sich dafür an, weil viele seiner Gehirn- und Nervenfunktionen denen des Menschen sehr ähnlich sind – und das, obwohl es mit rund 80.000 Nervenzellen deutlich weniger besitzt als der Mensch, der über circa 100 Milliarden verfügt. Außerdem lässt sich Drosophila vergleichsweise einfach genetisch manipulieren – so können die Forscher zum Beispiel gezielt einzelne Proteine lahmlegen und dann untersuchen, welche Folgen das hat.

Forschung an der inneren Uhr der Taufliege

Diesen Weg haben Charlotte Helfrich-Förster und ihr Team auch für die jetzige Studie eingeschlagen. In einem ersten Schritt haben sie allerdings zunächst mit immunhistochemischen Methoden untersucht, ob das Enzym überhaupt im System der inneren Uhren der Taufliege vorliegt. Dieses setzt sich aus annähernd 150 „Uhren-Neuronen“ im Gehirn der Fliege zusammen, die sich in neun Untergruppen bündeln. Es zeigte sich, dass die beiden bekannten Varianten von p38 zwar nicht in allen, aber doch in einigen dieser Nervenzellen aktiv sind.

Im nächsten Schritt haben die Forscher diese beiden p38-Varianten in unterschiedlicher Kombination abgeschaltet oder überexprimiert – also ihre Konzentration über das normale Maß hinaus erhöht – und untersucht, welche Auswirkungen dies auf das Verhalten der Fliegen hatte. Die Ergebnisse waren teilweise wie erwartet; in manchen Fällen zeigten sich allerdings überraschende Befunde.

Was das Enzym in den Zellen der inneren Uhr bewirkt

Womit die Forscher nicht gerechnet hatten: „p38 ist in den Zellen der Taufliege besonders aktiv, wenn es dunkel ist. Im Hellen ist es inaktiv“, sagt Charlotte Helfrich-Förster. Zwar sind die für die Bildung der Enzyme verantwortlichen Gene den ganzen Tag über am Arbeiten; die Enzymaktivierung unterliegt jedoch einem zeitlichen Rhythmus. Und Licht kann den Aktivierungsprozess gänzlich stoppen.

p38 nimmt auch Einfluss auf die abendlichen Aktivitäten der Fliege und auf ihren 24-Stunden-Rhythmus. Verringerten die Wissenschaftler die p38-Aktivität in speziellen Uhren-Neuronen, verschoben die Fliegen ihr Aktiv-Sein am Abend nach hinten; ihr 24-Stunden-Rhythmus verlängerte sich deutlich auf mehr als 25 Stunden. Das gleiche Ergebnis zeigte sich, nachdem die Forscher die Konzentration von p38 erhöht hatten – ebenfalls eine Überraschung, da eigentlich das Gegenteil zu erwarten gewesen wäre. „Vermutlich gibt es einen optimalen Level dieser p38-Variante und jegliche Abweichung, egal in welcher Richtung, hat den gleichen Effekt“, erklärt Charlotte Helfrich-Förster den Befund.

Die Verbindung von Stress-System und innerer Uhr

„Diese Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass die Mitogen-aktivierte Proteinkinase p38 eine wichtige Komponente der inneren Uhr von Drosophila ist“, fassen die Wissenschaftler die Ergebnisse ihrer Arbeit zusammen.

In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Thomas Raabe, Professor für Molekulare Genetik am Lehrstuhl für Medizinische Strahlenkunde und Zellforschung der Uni Würzburg, die auch im Sonderforschungsbereich „Insect Timing“ mitwirkt, konnten die Wissenschaftler sogar zeigen, dass p38 das Uhren-Protein Period reguliert und somit die Geschwindigkeit der regelmäßigen molekularen Veränderungen direkt beeinflusst. „Dies kann erklären, warum die Fliegen ihre Aktivität nach hinten verschieben und sich ihr Rhythmus auf 25 Stunden verlängert, wenn p38 manipuliert wird“, so die Forscher.

Und da Stress ebenso zur Aktivierung von p38 führt, könne er auf diese Weise auch die innere Uhr verstellen. Die MAP-Kinase p38 verbindet also das Stress-System mit der inneren Uhr.

The MAP Kinase p38 Is Part of Drosophila melanogaster's Circadian Clock. Verena Dusik, Pingkalai R. Senthilan, Benjamin Mentzel, Heiko Hartlieb, Corinna Wülbeck, Taishi Yoshii, Thomas Raabe, Charlotte Helfrich-Förster.

Weitere Informationen:

http://www.plosgenetics.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pgen.1004565

Gunnar Bartsch | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Neue Materialchemie für Hochleistungsbatterien
19.09.2017 | Technische Universität Berlin

nachricht Zentraler Schalter der Immunabwehr gefunden
19.09.2017 | Medizinische Hochschule Hannover

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Im Focus: Hochautomatisiertes Fahren bei Schnee und Regen: Robuste Warnehmung dank intelligentem Sensormix

Schlechte Sichtverhältnisse bei Regen oder Schnellfall sind für Menschen und hochautomatisierte Fahrzeuge eine große Herausforderung. Im europäischen Projekt RobustSENSE haben die Forscher von Fraunhofer FOKUS mit 14 Partnern, darunter die Daimler AG und die Robert Bosch GmbH, in den vergangenen zwei Jahren eine Softwareplattform entwickelt, auf der verschiedene Sensordaten von Kamera, Laser, Radar und weitere Informationen wie Wetterdaten kombiniert werden. Ziel ist, eine robuste und zuverlässige Wahrnehmung der Straßensituation unabhängig von der Komplexität und der Sichtverhältnisse zu gewährleisten. Nach der virtuellen Erprobung des Systems erfolgt nun der Praxistest, unter anderem auf dem Berliner Testfeld für hochautomatisiertes Fahren.

Starker Schneefall, ein Ball rollt auf die Fahrbahn: Selbst ein Mensch kann mitunter nicht schnell genug erkennen, ob dies ein gefährlicher Gegenstand oder...

Im Focus: Ultrakurze Momentaufnahmen der Dynamik von Elektronen in Festkörpern

Mit Hilfe ultrakurzer Laser- und Röntgenblitze haben Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (Garching bei München) Schnappschüsse der bislang kürzesten Bewegung von Elektronen in Festkörpern gemacht. Die Bewegung hielt 750 Attosekunden lang an, bevor sie abklang. Damit stellten die Wissenschaftler einen neuen Rekord auf, ultrakurze Prozesse innerhalb von Festkörpern aufzuzeichnen.

Wenn Röntgenstrahlen auf Festkörpermaterialien oder große Moleküle treffen, wird ein Elektron von seinem angestammten Platz in der Nähe des Atomkerns...

Im Focus: Ultrafast snapshots of relaxing electrons in solids

Using ultrafast flashes of laser and x-ray radiation, scientists at the Max Planck Institute of Quantum Optics (Garching, Germany) took snapshots of the briefest electron motion inside a solid material to date. The electron motion lasted only 750 billionths of the billionth of a second before it fainted, setting a new record of human capability to capture ultrafast processes inside solids!

When x-rays shine onto solid materials or large molecules, an electron is pushed away from its original place near the nucleus of the atom, leaving a hole...

Im Focus: Quantensensoren entschlüsseln magnetische Ordnung in neuartigem Halbleitermaterial

Physiker konnte erstmals eine spiralförmige magnetische Ordnung in einem multiferroischen Material abbilden. Diese gelten als vielversprechende Kandidaten für zukünftige Datenspeicher. Der Nachweis gelang den Forschern mit selbst entwickelten Quantensensoren, die elektromagnetische Felder im Nanometerbereich analysieren können und an der Universität Basel entwickelt wurden. Die Ergebnisse von Wissenschaftlern des Departements Physik und des Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel sowie der Universität Montpellier und Forschern der Universität Paris-Saclay wurden in der Zeitschrift «Nature» veröffentlicht.

Multiferroika sind Materialien, die gleichzeitig auf elektrische wie auch auf magnetische Felder reagieren. Die beiden Eigenschaften kommen für gewöhnlich...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

»Laser in Composites Symposium« in Aachen – von der Wissenschaft in die Anwendung

19.09.2017 | Veranstaltungen

Biowissenschaftler tauschen neue Erkenntnisse über molekulare Gen-Schalter aus

19.09.2017 | Veranstaltungen

Zwei Grad wärmer – und dann?

19.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

»Laser in Composites Symposium« in Aachen – von der Wissenschaft in die Anwendung

19.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Zentraler Schalter der Immunabwehr gefunden

19.09.2017 | Biowissenschaften Chemie

Neue Materialchemie für Hochleistungsbatterien

19.09.2017 | Biowissenschaften Chemie