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 Zebras: Immer der Erinnerung nach
24.05.2017 | Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseen

nachricht Wichtiges Regulator-Gen für die Bildung der Herzklappen entdeckt
24.05.2017 | Universität Basel

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: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Im Focus: A quantum walk of photons

Physicists from the University of Würzburg are capable of generating identical looking single light particles at the push of a button. Two new studies now demonstrate the potential this method holds.

The quantum computer has fuelled the imagination of scientists for decades: It is based on fundamentally different phenomena than a conventional computer....

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Im Focus: Turmoil in sluggish electrons’ existence

An international team of physicists has monitored the scattering behaviour of electrons in a non-conducting material in real-time. Their insights could be beneficial for radiotherapy.

We can refer to electrons in non-conducting materials as ‘sluggish’. Typically, they remain fixed in a location, deep inside an atomic composite. It is hence...

Im Focus: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Meeresschutz im Fokus: Das IASS auf der UN-Ozean-Konferenz in New York vom 5.-9. Juni

24.05.2017 | Veranstaltungen

Diabetes Kongress in Hamburg beginnt heute: Rund 6000 Teilnehmer werden erwartet

24.05.2017 | Veranstaltungen

Wissensbuffet: „All you can eat – and learn”

24.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Hochspannung für den Teilchenbeschleuniger der Zukunft

24.05.2017 | Physik Astronomie

3D-Graphen: Experiment an BESSY II zeigt, dass optische Eigenschaften einstellbar sind

24.05.2017 | Physik Astronomie

Optisches Messverfahren für Zellanalysen in Echtzeit - Ulmer Physiker auf der Messe "Sensor+Test"

24.05.2017 | Messenachrichten