Zirkadiane Uhr ohne DNA - Geschichte und die Kraft der Metapher

Letzte Woche erschienen zwei faszinierende und ausgezeichnete Artikel in der Zeitschrift Natur, das zeigt, dass die Transkription und Translation von Genen oder sogar das Vorhandensein von DNA in der Zelle nicht notwendig ist, damit die täglichen ("zirkadischen") Rhythmen auftreten (O'Neill & Reddy 2011, O'Neill et al., 2011) ). ( ist Teil der Nature Publishing Group.)

Die beiden Zeitungen erhielten in den Medien eine große Berichterstattung, und dies zu Recht, aber nur wenige wissenschaftliche Blogger versuchten, ausführliche Blogbeiträge über sie zu schreiben und sie in einen umfassenderen historischen, theoretischen und methodologischen Kontext zu stellen. Ich hatte das Gefühl, dass alle auf mich warteten. Deshalb lesen Sie das jetzt. Ich weiß, dass es ein langer "Explainer" ist (was heutzutage im Wissenschaftsjournalismus der letzte Schrei ist), aber ich hoffe, Sie haben Geduld dafür und finden es informativ und lohnend.

Was ich vorhabe, ist, zuerst die Forschung in diesen beiden Artikeln kurz zu beschreiben und zu erklären, obwohl die Pressemitteilung und die Medienberichterstattung diesmal ziemlich genau waren. Diana Gitig hat die beste Arbeit bei Ars Technica geleistet - ich empfehle Ihnen dringend, dass Sie ihren Beitrag lesen, um Hintergrundinformationen zu erhalten.

Dann werde ich versuchen, Ihnen eine historische Perspektive zu geben, damit Sie ein Gefühl für den Kontext bekommen, in dem diese Forschung durchgeführt wurde. Dieser Blick auf die Geschichte wird deutlich zeigen, wie stark die wissenschaftlichen Metaphern die Fragen lenken, die die Forscher in ihren Labors zu beantworten versuchen. Ein Blick auf die Berichterstattung in den Medien zeigt schließlich, dass das Laienpublikum (einschließlich Journalisten) von anderen Metaphern geleitet wird - nicht immer von denen, die von Forschern verwendet werden.

Was haben Sie gemacht?

In jeder der beiden Arbeiten wählten die Forscher für ihre Studie ein ungewöhnliches Labormodell. Beiden Modellen gemeinsam ist, dass a) sie beide eukaryotische Zellen sind und b) in den Zellen keine DNA-Transkription oder RNA-Translation stattfindet.

In der ersten Studie (O’Neill & Reddy 2011) verwendeten sie menschliche rote Blutkörperchen (Foto links), da diese Zellen keinen Kern haben, also überhaupt keine DNA.

In der zweiten Studie (O’Neill et al. 2011) war das Modell der Wahl ein kleiner Protist Ostreococcus tauri Das hat eine interessante Eigenschaft - bei konstanter Dunkelheit ist keine DNA-Transkription oder RNA-Translation nachweisbar.

Ausgangspunkt beider Studien war der Nachweis von Peroxiredoxinen im Zytoplasma. Peroxiredoxine sind Enzyme (also chemisch Proteine), die die Zellen vor Schäden durch stark oxidierende Moleküle schützen (oft als "freie Radikale" bezeichnet). Die Neutralisierung solcher Oxidationsmittel verändert vorübergehend die chemische Struktur des Peroxiredoxins, das dann wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehrt - das Molekül wechselt ständig zwischen den beiden Zuständen. Diese Schwingung zwischen den beiden Zuständen folgt einem täglichen (~ 24h) Zyklus, der mit dem Tag-Nacht-Zyklus der Umgebung synchronisiert ist.

In beiden Studien wurden Peroxiredoxine unter Verwendung von Antikörpern nachgewiesen ("Immunoblotting"). Mit dieser Methode kann einer der chemischen Zustände des Moleküls nachgewiesen werden, während der andere Zustand indirekt durch das vergleichende Signalmangel erfasst wird. Ein zirkadianer Rhythmus würde somit als abwechselnde Folge von Erhöhungen und Abfällen des detektierten Signals mit einer Periode von fast 24 Stunden angesehen.

Und genau das haben sie in beiden Fällen entdeckt - es gab einen klaren zirkadianen Rhythmus der Peroxiredoxine, die sowohl in roten Blutzellen (oben rechts) als auch in Kultur kultiviert wurden Ostreococcus tauri (unten).

Darüber hinaus verwendeten sie in der Protistenstudie die Messung von Licht, das von Luciferase emittiert wurde, die der Meerwasserlösung zugesetzt wurde, als Marker für die DNA-Transkription und -Translation. Während die Zellen in konstanter Dunkelheit gehalten wurden, konnte kein durch die Anwesenheit von Luciferase emittiertes Licht nachgewiesen werden.

Zu Beginn des Umgebungslichts zeigten jedoch Luciferase-induzierte Lichtmessungen, dass die Transkription in der Phase begann, die vom Zustand der Uhr vorhergesagt wurde Vor Die Zellen wurden im Dunkeln aufgestellt. Dies bedeutet, dass der zirkadiane Rhythmus der DNA-Transkription nicht bei irgendeiner "Phase Zero" begann, die durch das Einschalten des Lichts ausgelöst wurde, sondern dass es von einer Uhr angetrieben wurde, die die ganze Zeit in Betrieb war, während der Organismus im Dunkeln gehalten wurde - eine Uhr dies erfordert keine DNA-Transkription und -Translation.

Das Erkennen eines 24-Stunden-Rhythmus reicht nicht aus, um sicherzustellen, dass der Rhythmus tatsächlich circadian ist. Damit ein biologischer Zyklus als zirkadian betrachtet werden kann, muss er eine Reihe von Kriterien erfüllen, z. B. muss er endogenonisch sein (innerhalb der Zelle erzeugt, nicht durch die Umgebung dazu gezwungen), er muss mehrere Zyklen bestehen bleiben Um von den Temperaturniveaus nicht beeinflusst zu werden (dh die Rhythmusperiode sollte unabhängig von der im Labor konstant gehaltenen Umgebungstemperatur gleich sein), muss sie durch auferlegte Zyklen in der Umgebung usw. mitreißbar (synchronisierbar) sein.

In beiden Modellsystemen führten die Forscher (entweder in diesen oder in früheren Studien) die gesamte Standardprotokollreihe aus, um zu beweisen, dass dies tatsächlich zirkadiane Rhythmen in beiden Labormodellen sind.

Die Verwendung von Temperaturzyklen anstelle von Hell-Dunkel-Zyklen zur Demontage der Mitnahme im ersten Experiment ist sinnvoll, da menschliche rote Blutkörperchen kein Licht erfahren (und kein Licht erkennen können), während sie normalerweise täglichen Schwankungen der Körpertemperatur ausgesetzt sind. Der Unterschied zwischen der minimalen Morgendämmerung und der maximalen Abendtemperatur im menschlichen Körper kann bis zu 1 Grad Celsius betragen, mehr als ausreichend für das Mitreißen - einige ganze kaltblütige Tiere wie Eidechsen, die durch Haut und Schuppen von der Umgebung isoliert werden, können ihre Mitreißer mitreißen Rhythmus-zu-Temperatur-Zyklen, wobei der Unterschied zwischen hoch und niedrig nur 2 Grad Celsius beträgt und bei einigen Personen bis zu 0,1 Grad beträgt (Underwood und Calaban 1987).

In dem roten Blutkörperchenpapier gingen die Forscher noch weiter. Sie haben auch zirkadiane Rhythmen in einigen anderen biochemischen Prozessen nachgewiesen. Beispielsweise kann Hämoglobin, das Molekül, das Sauerstoff von der Lunge zu den Zellen transportiert, und Kohlendioxid von den Zellen zu den Lungen, in zwei verschiedenen Formen in roten Blutkörperchen vorliegen. Es ist ein komplexes Proteinmolekül, das aus vier nahezu identischen Einheiten aufgebaut ist. In dieser Form kann Hämoglobin seine normale Funktion erfüllen. Es gibt aber auch eine Form mit zwei Einheiten, die die Funktion beim Gaswechsel nicht erfüllen kann. Darüber hinaus werden durch die Zweieinheitenform die oxidierenden kleinen Moleküle erzeugt - genau die Moleküle, die Peroxiredoxine entwickelt haben, um diese abzufangen und zu neutralisieren. Es ist nicht überraschend, dass das Umschalten zwischen zwei- und vier-Einheiten-Formen von Hämoglobin ebenfalls als circadian angesehen wurde - und im Einklang mit dem Peroxiredoxin-Rhythmus.

Ebenso im Protistenpapier (vgl O.tauri Auf dem Foto rechts) führten die Forscher eine ganze Reihe weiterer Experimente durch, um eine Vielzahl möglicher alternativer Hypothesen auszuschalten. Die pharmakologische Suppression der DNA-Transkription und -Translation eliminierte beispielsweise nicht den zirkadianen Rhythmus in der Peroxiredoxin-Chemie, sondern zeigte ein komplexes Zusammenspiel zwischen der durch die Transkription von Genen gesteuerten Uhr und der durch spontane biochemische Reaktionen im Zytoplasma getriebenen Uhr.

Zusammenfassend sind die beiden Arbeiten sehr solide, die Experimente sind gut geplant und durchgeführt, die Ergebnisse sind überzeugend und die Namen der Autoren geben mir die Sicherheit, dass die Daten vertrauenswürdig sind.

Was bedeutet das alles?

Die Ergebnisse beider Arbeiten zeigten, dass die Transkription von DNA und die Translation von RNA für die Erzeugung zirkadianer Rhythmen in zwei verschiedenen Typen von eukaryotischen Zellen, die evolutionär sehr weit entfernten Verwandten gehören - Protisten und Säugetieren - nicht notwendig ist.

Bei roten Blutkörperchen ist das Ergebnis eindeutig - in diesen Zellen befindet sich weder DNA noch RNA. Daher müssen die zirkadianen Rhythmen in diesen Zellen im Zytoplasma erzeugt werden.

Im Falle von O.tauriDas Bild ist etwas komplexer: Die Zellen haben einen Zellkern mit DNA. Es gibt eine Uhr, die durch Transkription und Übersetzung kanonischer "Taktgene" gesteuert wird. Wenn dieser Mechanismus jedoch entweder durch konstante Dunkelheit oder durch Chemikalien unterdrückt wird, zeigen die Zellen immer noch zirkadiane Rhythmen, die von den im Zytoplasma befindlichen Molekülen erzeugt werden (und einige dieser Moleküle können zumindest während des ersten oder zweiten Tages Stränge sein) RNA wurde früher transkribiert.

Ferner wird die Phase, in der die DNA-zentrierte Uhr ihren Zyklus beginnt, durch die Phase der zytoplasmatischen Uhr bestimmt, nicht umgekehrt, d. H. Die zytoplasmatische Uhr dominiert die Kernuhr.

Warum ist das so spannend?

Kommt darauf an, wen Sie fragen!

Als die Artikel zum ersten Mal veröffentlicht wurden, hatte ich noch keine Zeit, sie sorgfältig zu lesen. Ich habe jedoch E-Mail-Benachrichtigungen eingerichtet, sodass jedes Mal, wenn Google einen Nachrichtenartikel oder einen Blogeintrag mit dem Wort "zirkadian" findet, eine Nachricht angezeigt wird. Daher habe ich eine Reihe von Medienartikeln über diese Studien gelesen, bevor ich die Studien selbst gelesen habe.

In den Medienberichten (siehe einige Beispiele) wurden zwei Gründe genannt, warum diese Studien wichtig sind.

Der erste war eine Überraschung, dass sowohl Menschen als auch Protisten die gleichen Moleküle haben, die dasselbe tun. Ihre Überraschung war für mich eine Überraschung! Circadiane Uhren sind überall zu finden. Peroxiredoxine kommen in fast allen lebenden Organismen der Erde vor. Genau wie die Struktur der Zellmembran, die Prozesse der DNA-Transkription und RNA-Translation, der genetische Code oder die Verwendung von ATP (Adenosintriphosphat) als Energiewährung der Zelle, sind Peroxiredoxine in fast allen Lebensbereichen der Erde ubiqutöse Moleküle .

Dies sind Universals des Lebens, etwas, das erwartet wird, da wir die Einheit des Lebens bereits vor Darwin verstanden haben. Diese Universalien gelten für einen Biologen normalerweise als ziemlich nutzlos und langweilig - der Hintergrund. Was einen Biologen aufregt, ist Variation - die Ausnahme von den Universalien. Wenn die meisten Organismen ein bestimmtes Molekül für eine bestimmte Funktion verwenden, tut dies ein Organismus jedoch nicht - jetzt ist das spannend! Warum ist das? Wie und warum hat dieser Organismus diesen Funktionswechsel entwickelt? Was war die ursprüngliche Mutation, wie war der Selektionsdruck? Das sind nützliche Fragen in der Biologie, die uns helfen, die Evolution zu verstehen.

Meiner Meinung nach ist es so, dass die Journalisten sich entweder auf Laienpublikum konzentrieren oder ihre Artikel auf das Laienpublikum abzielen, wenn sie es verstehen, sich auf die Universalien - die "Unity Of Life" - konzentrieren, als etwas, das in ihren Augen ein Beweis für die Entwicklung und das Nachdenken ist ein Gegenargument gegen nichtwissenschaftliche Lebensvorstellungen (zB intelligenter Designkreationismus). Während Biologen Überraschungen und Freude an Ausnahmen finden, die nützliche Einträge für detaillierte Studien über evolutionäre Mechanismen sind, sind viele Laien immer noch überrascht von der offensichtlichen Tatsache der Einheit des Lebens, die sich aus einem einzigen gemeinsamen Vorfahren entwickelt hat.

Der zweite Grund, der in MSM-Artikeln (Mainstream-Medien) angegeben wurde, warum diese Studien wichtig sind, ist ihre Neuheit. Zum Beispiel, Chemie & Technik News stellt fest, dass dies "... einen zuvor unbekannten Zyklus von posttranslationalen Modifikationen beinhaltet, zusätzlich zur Transkription einer bekannten Handvoll Taktgene ..."

Wenn man die gesamte Berichterstattung liest, hat man das Gefühl, dass dies so neuartig, kreativ und revolutionär ist, dass es das erste Mal gewesen sein muss, dass jemand darüber nachgedacht hat! Und noch besser - dies ist eine großartige "Konflikt" -Geschichte, in der eine einzelne Studie ein ganzes Feld in Frage stellt! Eine kleine Gruppe junger Genies hat das ganze alte Establishment als falsch erwiesen!

Nicht so schnell!

Beide Studien wurden zuvor durchgeführt. Mehrmals.

Ich ging schnell zu den PDFs der beiden Papiere und ja, die Hinweise auf die alten Studien sind da. Die Autoren kennen die Geschichte des Feldes, die Riesen, auf deren Schultern sie kletterten, um weiter sehen zu können. Das sind natürlich Natur Papiere mit strengen Einschränkungen hinsichtlich des Weltraums und der Anzahl der Referenzen. Mit so vielen Experimenten und so viel über ihre Methoden und Ergebnisse zu erklären, konnten sie nicht genug Zeit für die Geschichte der Idee und für die Arbeit ihrer Vorgänger aufwenden. Und sie konnten nicht alle vorangegangenen Studien zitieren. Aber sie wählten die Schlüssel aus und notierten sie kurz im Text - nicht prominent, aber sie sind da.

Warum haben die MSM-Artikel dies nicht aufgegriffen? Erstens, indem sie die Neuheit betonen - und die "Konflikt" -Geschichte von Genies, die die Etablierung als falsch beweisen, machen sie die neuen Studien mehr nachdenklich, so dass sie von den Herausgebern eher für den Druck freigegeben werden.

Zweitens sind die MSM-Artikel durch Leerzeichen begrenzt und es gibt nur so viel, dass man 500 Wörter eingeben kann. Wie immer ist es also der Kontext, der ausgelassen wird und der Neuheitsfaktor, der im Stück bleibt.

Selbst wenn ein schwerer Journalist den Hintergrund verfolgen wollte, stieß er mit den gefürchteten Paywalls zusammen.

Niemand erwartet, dass ein Journalist so viel über das Feld weiß wie seine Praktizierenden. Ich wusste genau, wonach ich suchen sollte, und sogar ich brauchte ein paar Tage, um alle Papiere einzusammeln und zu lesen. Deshalb lesen Sie diesen Beitrag jetzt anstatt der letzten Woche.

Als Mitglied der Gesellschaft zur Erforschung biologischer Rhythmen habe ich freien Zugang zum Journal of Biological Rhythms, die erste Zeitschrift im Feld. Nachdem ich mich eingeloggt hatte, wusste ich genau, welche fünf Artikel gesucht werden sollten. Diese fünf Artikel (alle unten zitiert) enthielten die Verweise auf alle anderen Artikel, an denen ich interessiert war. Da keiner von ihnen Open Access war, musste ich zu Twitter gehen und mit dem Hashtag #ICanHazPDF meine Follower bitten, mich und zu finden Senden Sie mir PDFs von allen diesen Papieren. Ich habe die meisten davon bekommen (obwohl einige nicht verfügbar sind oder noch nicht einmal digitalisiert wurden, da viele von ihnen ziemlich alt sind). Dann musste ich einige Zeit damit verbringen, sie zu lesen.

Das alles braucht Zeit, und ich hatte den Vorteil, zu wissen, wo ich anfangen sollte ... vielleicht sogar den Vorteil, dass man sich zunächst bewusst ist, dass es solche Studien gibt. Sogar Allison Brager, der auf dem Gebiet der Chronobiologie tätig ist, hat in ihrem Blog Dormivigilia nicht die Existenz früherer Forschungen bemerkt und mit Erregung ausgerufen, dass "... die klinische und wissenschaftliche Relevanz dieser Arbeit RIESIG ist !!!! ..." "Es wird nicht immer schwer genug betont, Studenten zu studieren, wie wichtig es ist, historische Fachliteratur zu lesen.

Lassen Sie uns kurz einige Aspekte der Geschichte der circadianen Forschung durchgehen, die für das Verständnis des Zusammenhangs, in dem diese beiden Veröffentlichungen erschienen, am wichtigsten sind.

Kurze Geschichte der Uhrenforschung

Während die Beobachtungen des Tagesrhythmus bei Pflanzen und Tieren bis in die Antike zurückreichen, wurde das erste Feldversuch 1729 von Jean-Jacques d'Ortous de Mairan durchgeführt, der das Aufsteigen und Abfallen von Blättern eines Tieres beobachtete Mimose Pflanze in ständiger Dunkelheit gehalten. Viele frühe Forschungen wurden im 19. Jahrhundert durchgeführt, hauptsächlich zu Pflanzen, aber auch zu Insekten und Menschen.

Im frühen 20. Jahrhundert begannen einige Menschen, rhythmische Phänomene in lebenden Organismen zu untersuchen. Sie stammten aus sehr unterschiedlichen wissenschaftlichen Disziplinen, z. B. Botanik (Bunning), Ökologie (DeCoursey), Tierverhalten (Kramer, Beling, Sauer), Protozoologie (Hastings), Evolutionsbiologie (Pittendrigh), Säugetierphysiologie (Richter), Humanbiologie und Medizin (Aschoff, Halberg) und Landwirtschaft (Garner und Allard). Es dauerte einige Jahrzehnte, bis sie die Arbeit des jeweils anderen entdeckten und erkannten, dass sie mit dem gleichen Phänomen zu tun haben, unabhängig von dem Organismus, den sie untersuchten, sei es Geigenkrebse, Stare, Tabak oder Menschen.

Der Gründungszeitpunkt des Feldes war das Treffen von 1960 in Cold Spring Harbor. Das Buch von Verfahren aus der Sitzung (Symposia on Quantitative Biology, Vol.XXV) ist ein Gründungsdokument des Fachs: Ich besitze drei Kopien, die strategisch an drei verschiedenen Stellen im Haus platziert sind, so dass mindestens eine Kopie im Brandfall die Chance hat, gerettet zu werden. Und Sie können darauf wetten, dass ich es während meiner 10-jährigen Schulzeit (und danach) immer wieder gelesen habe.

Im Jahr 1960 war die Struktur der DNA sehr neu und es war vergleichsweise wenig über das Innenleben einer Zelle bekannt. Die meisten Forscher waren jedoch bestrebt, in die "Black Box" einzudringen und zu untersuchen, wie die zirkadiane Uhr in den Zellen tickt. Es wurde eine Reihe konzeptioneller Modelle vorgeschlagen, von denen sich einige auf Zellmembranen und andere auf DNA konzentrierten. Daher wurden Experimente gestartet, um die beiden Teile der Zelle zu trennen und die Rolle von Kern und DNA im Uhrmechanismus zu testen.

Roenneberg und Merrow (2005) liefern seitdem einen hervorragenden Zeitplan für die Forschung, insbesondere die Entstehung molekularer und genetischer Techniken und nachfolgende Ergebnisse. Kurz, in den nächsten zwei Jahrzehnten wurden Circadian-Mutanten bei einem Protisten entdeckt (Chlamidomonas), Insekt (Drosophila) und Säugetier (Goldhamster). Das erste kanonische Uhrgen - das Drosophila Zeitraum Gen - wurde kurz danach sequenziert.

Um 1995 explodiert die Genetik der Uhr. Neue Uhrgene wurden links und rechts in verschiedenen Organismen entdeckt, von Cyanobakterien bis zum Menschen.Es kam zu einem plötzlichen Zustrom von Menschen aus anderen Bereichen der Genetik in das Feld, und es brauchte ein paar Jahre, um die Geschichte und Theorie des Feldes einzuholen, bevor sie aufhörten, in ihren experimentellen Entwürfen Fehler zu machen (siehe Dunlap 2008 für andere Perspektiven) diese Geschichte). Aber es gab viele von ihnen, sie hatten reichlich Geld, sie waren aufgeregt und kreativ, hatten mächtige neue Techniken, und sie arbeiteten schnell, und so schien es jede Woche, oder so schien es damals, eine neue Entdeckung der beteiligten Gene zirkadiane Rhytmen.

Hier ist eine Zeitleiste der wichtigsten Ereignisse in diesem Aspekt der Feldgeschichte:

Entdeckung der Gene der circadianen Uhr bei Dipity.

Was aus all dieser Aktivität hervorging, ist das Transkriptions- / Übersetzungsmodell (Hardin, Hall & Rosbash 1990) für den circadianen Mechanismus: Eine Reihe kanonischer Clock-Gene wird transkribiert und translatiert, und ihre Proteinprodukte hemmen nach einiger Verzögerung die Transkription und Translation dieser Gene. Tag ein, tag aus. Diese Gene und ihre Produkte regulieren dann auch die Expression aller anderen Gene, die die Zelle in ihrer täglichen Funktion verwendet.

Aber nicht alle waren damit zufrieden.

Wenn Sie Dunlap 2008 lesen, werden Sie sicherlich eine Spannung zwischen Forschern feststellen, die ganze Organismen (immer mit Evolution im Hinterkopf) untersuchten und die Uhr Jahrzehnte vor der genetischen Explosion als "Black Box" behandelten, und den Genetikern, die kamen Mitte der 1990er Jahre ins Feld. Die ersteren betrachteten die letzteren als arrogant und simpel in ihrem vollständigen Fokus auf DNA. Letztere betrachteten die ersteren als veraltete Holisten, die die großartige Kraft der DNA nicht verstehen, und behandelten sie wie Lysenko von denen, die Lysenko nicht verstehen.

Sie müssen sich daran erinnern, dass dies mitten im Hype des Human Genome Project war, als es einen riesigen Verkauf von groben genozentrischen und gendeterministischen Ideen gab, von denen viele zu dieser Zeit von den Genetikern voll angenommen wurden (sie haben seitdem besser gelernt dann).

Ich möchte die Spannung nicht übertreiben - sie war meistens gedämpft. Genetiker waren hauptsächlich im Feld willkommen. Schließlich brachten sie ihre Werkzeuge und Fähigkeiten ein, um das zu tun, was das Feld von Anfang an erhofft hatte - die "Black Box" zu öffnen und nach innen zu schauen. Die beiden Gruppen behandelten einander respektvoll und begannen bald mit der Zusammenarbeit. Der alte Wächter der Chronobiologie war beeindruckt von der Geschwindigkeit und Leistungsfähigkeit der Genetiklabors, der Geschwindigkeit, mit der neue Techniken entwickelt und verbessert wurden, und der Geschwindigkeit der Entdeckungen. Sie lernten (oder schickten ihre Schüler, um die Techniken zu erlernen) und überlegten, wie sie sie einsetzen sollten, um zirkadiane Phänomene zu studieren, die bereits in früheren Organisationen auf höheren Organisationsebenen gezeigt wurden.

Die Hoffnung bestand darin, dass die Genetik und molekularen Ansätze schnell alle Core-Clock-Gene und die Art und Weise, wie sie sich gegenseitig beeinflussen, erkennen können, sodass der Fokus wieder auf das Erkennen der wirklich wichtigen Dinge zurückgehen kann - Eigenschaften der Ensembles von Clock-Zellen und das Verhalten des Ganzen Organismen (schließlich ist DNA für die Selektion nicht sichtbar - Phänotyp des gesamten Organismus ist das, worauf Ökologie und Evolution wirken können).

Die Entdeckung von Uhr-Genen erforderte die Verwendung einer begrenzten Anzahl von Labormodellen, die für die genetische Dissektion geeignet sind: Maus als Modell für alle Wirbeltiere, Fruchtfliege für alle Wirbellosen Neurospora Crassa für alle pilze stehen, Arabidopsis "die Pflanze" sein und Synechococcus als einziges Bacteirum verwendet, das (zu dieser Zeit) eine zirkadiane Uhr besitzt. In den frühen Jahren wurden auch einige Protisten eingesetzt - Paramecium, Euglena, Gonyalax, Acetabularia und Chlamydomonas, aber sie wurden später weitgehend aufgegeben, während neue Modelle wie Xenopus und Zebrafisch betrat die Arena.

Dies war ein äußerst ungewöhnlicher Zustand für das Feld - die Chronobiologie war immer sehr vergleichend, wobei über die Jahre Tausende von Organismenarten untersucht wurden. Die Hoffnung war, dass, sobald die Gene in Modellorganismen entdeckt wurden, die Erkenntnisse auf andere Lebewesen übertragen werden können, um ein umfassenderes und vergleichendes Forschungsprogramm zu erstellen.

Ebenso wurde der Fokus auf Gene als temporär angesehen, etwas, das "abgewartet" werden muss, bis die Ergebnisse auf andere Organisationsebenen integriert werden können. So wurden ganze Forschungslinien reduziert oder im Wesentlichen gestoppt - Gezeiten-, Mond- und Kreislaufrhythmen, Sonnenkompass-Orientierung, Photoperiodismus, Entwicklung, Ökologie und Evolution - und warteten auf neue Techniken und neue Erkenntnisse, die ihnen einen Neustart ermöglichen.

Und genau das ist passiert - etwa ein Jahrzehnt später kam das Feld zu dem Schluss, dass alle Core-Clock-Gene entdeckt wurden und das Transkriptions- / Translations-Feedback-Schleifenmodell gut genug ist. Die Erforschung der zuvor aufgegebenen Themen (und Organismen) begann mit neuem Eifer und Begeisterung.

Anhaltende Probleme

Zum Zeitpunkt des Cold Spring Harbor-Symposiums im Jahr 1960 gab es zwei Hauptlinien, über den zellulären Mechanismus der zirkadianen Uhr nachzudenken. Eine konzentrierte sich auf den Kern und die DNA (Ehret und Trucco 1966). Der andere konzentrierte sich auf die Zellmembran (Njus et al. 1974).

Wie kann man herausfinden, welches der beiden Modelle mit den zur Zeit verfügbaren Techniken richtig ist?

Ein Ansatz besteht darin, Zellen zu verwenden, die normalerweise keinen Kern oder keine DNA besitzen - wie rote Blutkörperchen von Säugetieren -, um zu sehen, ob sie zirkadiane Rhythmen haben. Wenn ja - Nuklues sind nicht wichtig, ist Membran (oder Zytoplasma). Die Studien waren schwierig und die Ergebnisse nicht immer klar, aber die meisten konnten Rhythmen in roten Blutkörperchen nachweisen (Cornelius und Rensing 1976, Mabood et al. 1978, Ohm-Schradera et al. 1980, Peleg et al. 1990a, b).

Der zweite Ansatz besteht darin, sehr große Zellen zu verwenden, die lange genug überleben können, wenn der Kern entfernt ist - der Protist kommt herein Acetabularia (Sweeney und Haxo 1961, Schweiger ua 1964, Vanden Driesche 1966, Terborgh und McLeod 1967, Vanden Driesche und Bonotto 1969, Sweeney 1974, Mergenhagen und Schweiger 1975a, Hartwig et al. 1985, Woolum 1991, Runft, Linda und Mandoli 1996). Diese Studien zeigten, dass die Uhr funktioniert, nachdem der Kern entfernt wurde. Sobald der Kern wieder eingeführt ist, bestimmt die Uhr im Zytoplasma die Phase und nimmt die Kernuhr mit.

Der dritte Ansatz besteht darin, die DNA-Transkription und RNA-Translation pharmakologisch zu blockieren. Dies wurde im Laufe der Jahre in einer Reihe von Organismen durchgeführt, einschließlich Acetabularia (Foto rechts) und in jüngster Zeit die Meeresschnecke Bulla Gouldiana (Seite 2000). Wiederum bestanden Rhythmen ohne DNA-Transkription.

Der vierte Ansatz besteht darin, einzellige Organismen zu finden, die sich öfter als einmal am Tag vermehren oder teilen und feststellen, ob die circadiane Phase während des Prozesses erhalten bleibt - während der Zellteilung findet keine DNA-Transkription statt. Dies wurde anfänglich beim Protisten gemacht Paramecium (Barnett 1966), später wurden jedoch Cyanobakterien verwendet (Mori et al. 1996, Kondo et al. 1997). Die circadiane Phase bleibt während der Reproduktion in erhalten Paramecium und Zellteilung in Bakterien.

Der fünfte Ansatz besteht darin, Organismen zu finden, die einen circadianen Rhythmus haben, aber keine Taktgene haben. Hefe (Saccharomyces cerevisiae) ist ein solcher Organismus. In der Nematode Caenorhabditis elegans, die zirkadiane Rhythmen zeigen, werden die Gene, die üblicherweise für das zirkadiane Timing verwendet werden, stattdessen für das Entwicklungs-Timing verwendet (sogenannte heterochrone Gene).

Der sechste Ansatz besteht darin, die Rhythmen in den Zellmembranen zu untersuchen (zum Beispiel im Protisten) Gonyalax-Polyedra, Adamich et al. 1976 oder erfolgreich, Nitabach et al. 2005) oder Elemente des Zytoplasmas direkt in einer Schale (unter Verwendung bakterieller Uhrproteine, Tomita et al. 2004, Mehra et al. 2006, Mori et al., 2007). Die isolierten Zellmembranzyklen und das Blockieren der Membranprozesse blockieren ebenfalls offene Rhythmen in ganzen Organismen. Bakterielle Uhrproteine ​​(nicht DNA) kaiA, kaiB und kaiC oszillieren spontan auf zirkadiane Weise, wenn sie in ein Reagenzglas gegeben werden.

Schließlich kann man die Uhr genetisch beeinflussen: Mutieren, Löschen, Herunterfahren oder Überexpression (Erzwingen der Expression zu jeder Zeit ohne Zyklusbildung), kanonische Uhrgene und sehen, ob verbleibende Rhytmizität übrig bleibt. Dies geschah in der Fruchtfliege (Helfrich-Förster 2000), wo der Aktivitätsmorgen am Morgen beseitigt wird, wenn das Gen-Takten der Uhr gestoppt wird, der abendliche Aktivitätszyklus bei männlichen Fliegen jedoch bestehen bleibt. Ein Genetik-Papier sagte manchmal triumphierend aus, dass eine Streichung eines Gens die Hälfte der Fliegen zu Rhythmusstörungen machte, nur um die Frage zu beantworten: "Wie kommt es, dass die andere Hälfte der Fliegen noch ohne sie zirkuliert?"

Dieses Forschungsprogramm begann unmittelbar nach dem Symposium mit Begeisterung und lieferte im Laufe der Jahre viele interessante Daten. Sobald die Genetiker in den Kampf eingedrungen waren, wurden diese Ergebnisse vergessen oder ignoriert. Sie entsprachen nicht dem DNA-basierten Modell. Der einfachste Weg, um einen circadianen Genetiker Mitte der 1990er Jahre wütend auf eine Konferenz zu machen, war das Wort "Acetabularia" auszusprechen - dies war "Geräusch", das ignoriert und unter den Teppich gekehrt werden sollte.

Die Zeitleiste der Geschichte dieses "Schattenforschungsprogramms" finden Sie hier:

Geschichte der Herausforderungen an die DNA-basierte circadiane Uhr bei Dipity.

Warum blieb diese Forschung trotz des Victorius-Laufs des Transkriptions- / Translationsmodells bestehen?

Die ersten Studien in diesem Bereich waren ein direkter Nachwuchs der in Cold Spring Harbor diskutierten Ideen. Sie alle ergaben die Daten, die darauf schließen lassen, dass die DNA nicht der einzige Teil des Uhrmechanismus ist. Nachdem die Genetik jedoch begonnen hatte, wurden diese Ergebnisse ignoriert. Zumindest einige der Leute in der Branche waren besorgt, dass die genetische Arbeit möglicherweise etwas Wichtiges ignoriert.

Wer sich im Feld Sorgen machte, hing von seinem eigenen Hintergrund und seiner eigenen Erfahrung ab. Erstens, Menschen, die an Organismen arbeiteten, die ungewöhnliche experimentelle Daten in der Geschichte der circadianen Forschung erbracht haben, einschließlich der Pilze und der Protisten (insbesondere Gonyaulax Polyedra, kürzlich umbenannt Lingulodinium polyedrum Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass viele zirkadiane Zeitungen unter dem neuen Namen zu finden sind und die Systematik möglicherweise noch im Fluss ist.

Menschen, die mit Wirbeltieren, die keine Säugetiere sind (Fische, Amphibien, Reptilien und Vögel), arbeiteten, waren sich der Komplexität der zirkadianen Organisation bewusst - gleiche Uhrgene, die in verschiedenen Geweben exprimiert wurden, führten zu Uhren mit unterschiedlichen Eigenschaften. Die Uhr im Zirbeldrosselorgan, die Uhr in der Netzhaut, die Uhr im SCN (suprachiasmaticus Nucleus des Hypothalamus), die peripheren Uhren in allen anderen Geweben - jedes von ihnen verhielt sich trotz der gleichen molekularen Maschinerie unterschiedlich. Die Eigenschaften müssen also durch etwas anderes in der Zelle oder durch die Wechselwirkungen zwischen Zellen im Gewebe verändert worden sein.

Darüber hinaus sind viele Phänomene, z. B. Photoperiodismus oder Schlaf, nicht Eigenschaften einzelner Zellen, sondern Wechselwirkungen zwischen Zellensembles in den Geweben oder sogar Wechselwirkungen zwischen dem Organismus und seiner Umgebung. Das vereinfachte Modell "Dieses Gen ist für Uhren" konnte die Komplexität der beobachteten Realität nicht erklären.

Nachdem alle Uhr-Gene entdeckt worden waren, tauchten die Kritiken auf (Roenneberg und Merrow 1998, 1999, 2005, Lakin-Thomas 2000, 2006) und versuchten, die zirkadiane Forschung auf Organisationsniveaus auf das Zusammenspiel von Zellen und Geweben zu bringen Organe und Organismen. Die meisten dieser Aufrufe zur Rückkehr in den Organismus waren Reviews aller Studien, die zeigten, dass DNA nicht genug ist - so wie dieser Artikel auch ist. Die Zwei Natur Artikel der letzten Woche sind nur die neuesten Forschungsergebnisse in dieser Tradition.

Die Kraft der Metapher

Woher kommt dieses grundlegende Missverständnis zwischen Molekular- und Organisationsbiologen? Sie sind beide Biologen, richtig? Daher sollte von ihnen erwartet werden, dass sie nach den gleichen Grundprinzipien arbeiten.

Aber sie tun es nicht. Genetiker stammen aus einer Tradition, die mit Schrödingers Buch von 1944 begann Was ist Leben? Dies ist eine lineare, hierarchische Sicht des Lebens mit aufwärts gerichteter Verursachung: Gene verursachen und Steuerung alles andere. Gen ist auch die einzige Ebene, auf der die natürliche Selektion wirkt (Dawkins 1976). Die amtierende Metapher dieses Weltbildes ist das "Programm".

Auf der anderen Seite haben Biologen, die aus der Erforschung der Evolution, der Ökologie und des Verhaltens von Tieren stammen, eine "Systemsicht" des Lebens, in der viele interagierende Elemente, keines von ihnen mit einem Primat, das Verhalten des gesamten Systems bestimmen. Es gibt kein einzelnes Element in Steuerung. Die Phänomene sind das Ergebnis von Interaktionen, nicht der Dominanz eines bestimmten Akteurs.

Die Verursachung ist nach unten (natürliche Auslese). DNA ist nur eines der Elemente im System. Selektionshandlungen gleichzeitig auf mehreren Ebenen, darunter ganze Organismen und Gruppen (Brandon 1996, Gannett 1976, Godfrey-Smith 1999, Griffiths und Gray 1994, Hubbard und Wald 1993, Keller 1995, Lewontin 1992, Nijhout 1990, Nelkin und Lindee 2004, Kitcher, S. 1999, Rose et al., 1990, sind nur ein Tipp des Eisberges der Literatur (Analyse und Kritik der hierarchischen Weltanschauung der DNA-ersten Welt). Die amtierende Metapher dieses Weltbildes ist "die verschränkte Bank".

Das circadiane Feld ist nicht das einzige Gebiet der Biologie, in dem diese beiden Weltanschauungen zusammenstießen. Es ist jedoch erwähnenswert, dass die Studien über Uhrgene alles andere ignorierten, während die Studien, die die DNA-Vorherrschaft in Frage stellten, niemals die Kontrolle auf ein anderes Element verlagerten - all diese Studien besagen, dass DNA dies ist nicht ausreichend, das ist es nicht durch einen anderen Controller ersetzt.

Schauen wir uns das "Programm" als Metapher an. Ein Programm ist ein Begriff aus der Informationstheorie. Es ist ein deterministischer Algorithmus, der zu einem bestimmten Ergebnis führt. Aber was lesen Sie dieses Programm? Was ist der "Computer", auf dem er läuft? Die Zelle?

Und wo ist die Person, die den Computer verwendet, derjenige, der das Programm ausführt und entscheidet, ob das Programm nützlich ist oder nicht? Wo ist natürliche Auslese?

Schauen Sie sich die gesamte Terminologie der Molekularbiologie an: Transkription, Übersetzung ... das sind alles Begriffe aus der Informationstheorie, die linear, deterministisch und hierarchisch sind - es gibt eine Ursache, die die Wirkung steuert.

Sogar der Artikel "News and Views", der den beiden Vorträgen der letzten Woche (Bass und Takahashi 2011) beilag, formuliert die Ergebnisse der Beiträge in eine informationstheoretische Metapher. Alles, was sich im Zytoplasma abspielt, wird als "posttranslational" bezeichnet, als wäre es nur etwas, das von der DNA "verursacht" wurde, vielleicht etwas weiter stromabwärts als üblich.

Aber es ist nicht. Die Zyklen im Zytoplasma werden durch nichts verursacht, was irgendein Stück DNA getan hat. Im Gleichlauf wirken die genetischen Rückkopplungsschleifen und die zytoplasmatischen Uhren synergistisch. Im Gegensatz dazu dominiert die zytoplasmatische Uhr (bestimmt z. B. die Phase, die Periode usw.).

Die zentrale Bedeutung des Gens in einem großen Teil des biologischen Denkens führte zu einem weiteren Fehler dieser beiden Papiere Natur gerade behoben. Da verschiedene Lebensbereiche (Bakterien, Protista, Pflanzen, Pilze und Tiere) unterschiedliche Taktgene haben, wurde trotz der identischen mechanistischen Logik des Mechanismus davon ausgegangen, dass sich die Uhr mehrmals unabhängig voneinander entwickelte. Die Identität der Spieler übertraf den Mechanismus der Interaktion zwischen ihnen.

Wenn jedoch, wie die Papiere zeigen, alle Organismen zytoplasmatische Uhren haben, die auf antioxidativen Enzymen basieren, dann ist diese zytoplasmatische Uhr das Gerüst, die Basis, die die Entwicklung und den Ersatz aller Arten von Uhrgenen in verschiedenen Gruppen ermöglicht. Wenn Uhrengene kommen und gehen, können sie sich immer an die allgegenwärtige zytoplasmatische Uhr anschließen. Und der Organismus kann ungeachtet des sich entwickelnden Stadiums, in dem sich ein bestimmtes Uhrengen befindet, weiter ticken. Dies spricht für einen einzigen Ursprung der circadianen Uhr, aufgrund der universellen Anpassungsfähigkeit der Uhr, wie sie von Colin Pittendrigh vor Jahrzehnten postuliert wurde.

Die Uhrmetapher

Die Theorie der biologischen Rhythmen hat von der Verwendung der Uhr als Metapher enorm profitiert. Das Denken biologischer Rhythmen im Sinne der oszillatorischen Theorie (entlehnt aus der Physik) hat es uns ermöglicht zu verstehen, wie die biologische Uhr funktioniert, wie sie mit der Umgebung synchronisiert wird (Entrainment) und wie Systeme mit mehreren Uhren zusammenwirken können, um eine höhere Ordnung zu erzeugen Phänomene (z. B. Photoperiodismus - Messung saisonaler Änderungen der Tageslänge).

Die Metapher der Uhr war auch ein Schlüssel zum Verständnis des Mechanismus als eine Sammlung interagierender Zahnräder und Räder. Dies war entscheidend für die spätere Entdeckung der Uhrgene.

Sobald jedoch die Anzahl der Uhrgene als sehr klein eingestuft wurde und die ineinandergreifenden Rückkopplungsschleifen zwischen ihnen das dominierende Paradigma für den Mechanismus waren, verschob sich die Bedeutung der Uhrmetapher - anstatt alle möglichen Zahnräder und Räder zu betrachten, nur diese hergestellt aus oder aus DNA gezählt. Es ist nichts Falsches daran, alles zu zählen - Gene und zytoplasmatische Elemente und die Zellmembran, und die Wechselwirkungen zwischen den Uhrenzellen in einem Gewebe - als Zahnräder und Räder der biologischen Uhr, aber irgendwo, irgendwo, haben wir das vergessen und uns für einen entschieden Nur-DNA-Ansicht.

Jede Metapher, die Wissenschaftler erfinden, hat einen heuristischen Wert. Das informationstheoretische Denken über Gene beschleunigte die Forschung in Genetik und Molekularbiologie. Die Metapher der Uhr beschleunigte die circadiane Forschung.

Es ist jedoch immer eine gute Idee, manchmal zurückzutreten und zu prüfen, ob die dominante Metapher in gewisser Weise einschränkend ist, wenn sie die Vorstellungskraft einschränkt. Ich habe schon früher argumentiert, dass ein gelegentlicher Wechsel zu einer anderen zirkadianen Metapher - vielleicht Player-Piano oder Endlos-Tonbandgerät oder Rube-Goldberg-Maschine oder Nockenwelle oder Moebius-Streifen - ein guter Weg sein kann, um das Problem von einem Neuen zu betrachten Winkel. Dies kann ein sehr produktives Unterfangen sein, indem man die Augen für neue Perspektiven öffnet und neue Wege der Forschung eröffnet. Jedes Wissenschaftsfeld hat seine Metaphern, und es ist immer eine gute Idee, sie manchmal zu analysieren und manchmal zu ersetzen, wenn sie ihre Nützlichkeit überleben.

Welche Metaphern werden vom Laienpublikum und den Medien verwendet?

Es gibt einen Unterschied zwischen Metaphern, die von Wissenschaftlern als Leitfaden für ihre Forschungsprogramme verwendet werden, und Metaphern, die von Journalisten verwendet werden, um Forschung für Laien zu erklären.

Die Metapher der Uhr bedeutet zum Beispiel "ineinandergreifende Zahnräder und Räder zum Lernen" für Forscher, aber "Zeitmesser in Ihrem Gehirn, die Ihnen sagen, wann Sie aufwachen und wann Sie einschlafen" für das Publikum.

Ebenso ist die Gen-Kontroll-Metapher etwas, das für das Publikum leicht verständlich ist und für ein hierarchisches Weltbild der Top-Down-Kontrolle (in Gesellschaft, Familie, Religion, Politik oder simplen Mechanismen des Alltags) verwendet werden kann.Eine System-Weltsicht erfordert etwas mehr Toleranz für Mehrdeutigkeit (was nicht jeder hat) und ein etwas differenzierteres Verständnis dafür, wie komplexe Systeme funktionieren (dh wie komplexe Verhaltensweisen aus Interaktionen zwischen mehreren Elementen entstehen, in denen die Art der Interaktionen liegt ist wichtiger als die Identität und das Verhalten einzelner Elemente).

Dies ist wahrscheinlich der Grund, warum die Medienberichte die Komplexität der Ergebnisse nicht erfassen konnten. Es lieferte eine oder Option statt einer und Option - der Laienleser wird wahrscheinlich denken, dass DNA nichts mit der Uhr zu tun hat, anstatt zu verstehen, dass sowohl DNA als auch andere Elemente der Zelle Partner sind. Dennoch ist in den Medien, die mit "gene for X" -Geschichten gesättigt sind, eine gelegentliche "Nicht in unseren Genen" -Geschichte ein positives Ereignis.

Auf der anderen Seite haben sich die Genetiker seit den frühen 2000er Jahren (nachdem der Hype um das Humangenomprojekt ein wenig nachgelassen hatte) bis zu einem gewissen Grad von der Genkontrollmetapher entfernt. Ja, sie schlüpfen manchmal immer noch in alte Gewohnheiten (und ihre Terminologie zeigt es) - wie wenn sie den Begriff "posttranslational" für alles verwenden, was keine DNA in der Zelle beinhaltet, sondern die Ergebnisse ihrer eigenen Studien. Von der quantitativen Genetik bis zum Anstoßen mit Wänden in einigen Forschungsbereichen haben sie zu einem systemähnlicheren Denken geführt. Sie erfinden die Physiologie neu und nennen es Systembiologie. Und es geht uns allen besser. Es ist eine vollständigere Physiologie, wobei die "Black Box" jetzt weit geöffnet ist.

Eine andere Möglichkeit, die Genpräzision in die Wissenschaft einzugliedern, besteht darin, dass neue Studien mit molekularen Techniken durchgeführt werden sollen Bestätigt die alten Studien mit traditionellen Methoden. Ein aktuelles Beispiel zeigt, wie die Hypothese der Schmetterlingsmigration und der Speziation durch Nabokov durch eine kürzlich durchgeführte molekulare Studie bestätigt wurde. Molekulare Techniken sind jedoch neu und werden immer noch getestet, kalibriert und bewertet. In der Nabokov-Geschichte geht es wirklich um gut gemachte Arbeit aus der Vergangenheit, bei der bewährte alte bewährte Techniken zum Einsatz kamen, die durch die neue Studie gestärkt und die molekulare Methode bestätigt wurden. Die vergleichende Anatomie hat die genetische Methode bestätigt, nicht umgekehrt.

Ebenso ist es in diesem Beispiel bei Uhren sehr schön, dass neue Techniken die alten Ergebnisse wiederholten. Jeder stärkt den anderen. Die neue Studie bestätigt die alten nicht so sehr, wie sie sich alle gegenseitig bestätigen. Aber für diejenigen, die mit Molekülen verliebt sind (oder diejenigen, die denken, dass Neues besser ist als alt), wird dieses Duo von Papieren den Deal besiegeln, wenn die alten Papiere dies nicht tun.

Fazit

Zusammenfassend die Veröffentlichung dieser beiden Studien in Natur Letzte Woche ist meiner Meinung nach ein Meilenstein auf diesem Gebiet. Erstens zeigte es, dass es möglich war, dass die Uhr nur einmal auf der Erde entstanden ist und eine Reihe verschiedener molekularer Elemente entwickelt wurde - die zytoplasmatische Uhr war die ganze Zeit über da und hielt die Zeit, während die Gene ausgetauscht wurden.

Zweitens wurde die Diskussion über den Mechanismus neu gestaltet. Es zeigte eindrücklich, was viele frühere Studien in kleinen Schritten taten, diesmal jedoch mit modernen Techniken, die wir lieben und mit enormer Kraft. Indem sie die Menschen daran erinnert, dass die DNA ein wichtiges, aber nicht ausreichendes Element der Uhr ist, wird sie hoffentlich die zukünftige Forschung mit einem vollständigeren Blick auf die Uhr leiten und vielleicht sogar einigen Menschen die Möglichkeit geben, sich auf den Weg zu machen und probieren Sie stattdessen andere produktive Metaphern aus.

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Bildnachweis: Rote Blutkörperchen, Wikimedia Commons; Ostreococcus tauriDas Joint Genome Institute; Acetabularia crenulata, Das College der Erforschung; Grafiken - von O’Neill JS, & Reddy AB (2011) und O’Neill JS. et al. 2011; und Transkriptions-Übersetzung, Feedback-Loop-Modell, Nature Reviews Neuroscience

Die geäußerten Ansichten sind die des Autors und sind nicht notwendigerweise die.

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