Das Zeckenbock der biologischen Uhr - - Die Wissenschaften - 2020

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Anonim

Biologische Uhren zählen in den meisten Lebensformen 24-Stunden-Intervalle. Die Genetik hat gezeigt, dass verwandte molekulare Uhren in Fruchtfliegen, Mäusen und Menschen am Werk sind

Anmerkung des Herausgebers (10.2.17): Siebzehn Jahre vor dem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin gingen drei US-amerikanische Wissenschaftler zu Forschungszwecken an biologischen Uhren. Einer von ihnen, Michael W. Young, legte einen Bericht vor Beschreibung der genetischen Studien, die die im gesamten Tierreich allgegenwärtigen „molekularen Zeitmesser“ identifizierten. Wenn Sie daran interessiert sind, die Biologie zirkadianer Rhythmen zu verstehen - wer hat nicht unter Jetlag gelitten? - bietet Young die vielleicht überzeugendste und zugänglichste Geschichte, die Sie an einer beliebigen Stelle finden können, wie sich diese Studien entwickelt haben. Bitte lesen Sie diese klare Beschreibung der Jagd nach molekularen Uhren Sie haben den größten Teil von zwei Jahrzehnten zu Ihnen gebracht, bevor die drei Forscher Jetlag auf ihrer Reise nach Stockholm konfrontiert haben.

Sie müssen dem Drang widerstehen, abends um 7:00 Uhr einzuschlafen. Sie sind um 3 PM heißer. aber haben Sie keinen Appetit, wenn das Abendessen sich herumrollt. Sie wachen um 4:00 Uhr morgens auf und können nicht mehr einschlafen. Dieses Szenario ist vielen Menschen bekannt, die von der Ostküste der USA nach Kalifornien geflogen sind. Diese Reise erfordert einen Zeitunterschied von drei Stunden. Während einer einwöchigen Geschäftsreise oder eines Urlaubs gewöhnt sich Ihr Körper kaum an den neuen Zeitplan, als es Zeit ist, nach Hause zurückzukehren, wo Sie sich wieder an die alte Routine gewöhnen müssen. Fast jeden Tag legen meine Kollegen und ich eine Menge davon ab Drosophila Obst fliegt durch den Jetlag einer simulierten Reise von New York nach San Francisco oder zurück. Wir haben mehrere Inkubatoren in Kühlschrankgröße im Labor: eine mit New York und eine mit San Francisco. Die Lichter in diesen Inkubatoren gehen an und aus, wenn die Sonne in diesen beiden Städten auf- und untergeht. (Aus Gründen der Konsistenz planen wir für beide Standorte einen Sonnenaufgang um 6:00 Uhr und einen Sonnenuntergang um 6:00 Uhr.) Die Temperatur in den beiden Brutschränken beträgt konstante, milde 77 Grad Fahrenheit.

Die Fliegen machen ihre simulierte Reise in kleine Glasröhrchen, die in speziellen Tabletts verpackt sind und deren Bewegungen mit einem engen Infrarotlichtstrahl überwachen. Jedes Mal, wenn sich eine Fliege in den Strahl bewegt, wirft sie einen Schatten auf einen Fototransistor in der Ablage, der mit einem Computer verbunden ist, der die Aktivität aufzeichnet. Von New York nach San Francisco zu reisen, bedeutet für unsere Fliegen keinen fünfstündigen Flug: Wir trennen einfach ein mit Fliegen gefülltes Tablett in einem Inkubator, verschieben es in das andere und schließen es an.

Wir haben unseren transkontinentalen Express verwendet, um die Funktionen verschiedener Gene zu identifizieren und zu studieren, die in den Werken der biologischen Uhr, die die Tag-Nacht-Zyklen einer Vielzahl von Organismen steuert, die nicht nur Fruchtfliegen umfassen, wie Zahnräder und Räder wirken aber auch Mäuse und Menschen. Durch die Identifizierung der Gene können wir die Proteine ​​bestimmen, die sie kodieren - Proteine, die als Angriffspunkt für Therapien für eine Vielzahl von Erkrankungen dienen können, von Schlafstörungen bis hin zu saisonalen Depressionen.

Das wichtigste Element in der menschlichen biologischen Uhr ist der suprachiasmatische Kern (SCN), eine Gruppe von Nervenzellen in einer Region an der Basis des Gehirns, die als Hypothalamus bezeichnet wird. Wenn Licht jeden Morgen auf die Netzhaut der Augen trifft, senden spezialisierte Nerven Signale an das SCN, das wiederum den Produktionszyklus einer Vielzahl biologisch aktiver Substanzen steuert. Der SCN stimuliert beispielsweise eine nahe gelegene Hirnregion, die Zirbeldrüse. Gemäß den Anweisungen des SCN produziert die Zirbeldrüse rhythmisch Melatonin, das sogenannte Schlafhormon, das heute in Pillenform in vielen Bioläden erhältlich ist. Wenn der Tag in den Abend übergeht, bildet die Zirbeldrüse allmählich mehr Melatonin. Wenn der Hormonspiegel im Blut ansteigt, nimmt die Körpertemperatur leicht ab und die Tendenz zum Schlafen steigt.

Die menschliche Uhr

Obwohl das Licht die biologische Uhr jeden Tag neu einzustellen scheint, funktioniert der Tag-Nacht- oder Zirkadiane-Rhythmus auch bei Personen, denen Licht vorenthalten wird, was darauf hinweist, dass die Aktivität des SCN angeboren ist. Anfang der 1960er-Jahre zeigte Jürgen Aschoff am Max-Planck-Institut für Verhaltensphysiologie in Seewiesen und seine Kollegen, dass Freiwillige, die in einem Isolationsbunker lebten - ohne Tageslicht, ohne Uhren oder andere Hinweise auf die Zeit - sich dennoch grob behielten Normaler Schlaf-Wach-Zyklus von 25 Stunden.

In jüngerer Zeit haben Charles Czeisler, Richard E.Kronauer und ihre Kollegen an der Harvard University haben festgestellt, dass der zirkadiane Rhythmus des Menschen tatsächlich näher an 24 Stunden liegt - 24,18 Stunden, um genau zu sein. Die Wissenschaftler untersuchten 24 Männer und Frauen (davon 11 im Alter von 20 und 13 im Alter von 60), die mehr als drei Wochen in einer Umgebung lebten, in der es keine Zeitvorgaben gab, abgesehen von einem schwachen Licht- und Dunkelzyklus, der künstlich war auf 28 Stunden eingestellt und das gab den Probanden ihre Signale für das Schlafengehen.

Sie gemessenen die Körpertemperatur der Teilnehmer, die normalerweise nachts fällt, sowie die Blutkonzentrationen von Melatonin und eines Stresshormons namens Cortisol, das abends abfällt. Die Forscher beobachteten, dass die Körpertemperatur und die Melatonin- und Cortisolwerte der Versuchspersonen trotz anormaler Verlängerung der Tage um vier Stunden nach ihrer internen 24-Stunden-Uhr weiter funktionierten. Darüber hinaus schien das Alter keinen Einfluss auf das Ticken der Uhr zu haben: Im Gegensatz zu den Ergebnissen früherer Studien, die darauf hingewiesen hatten, dass das Altern den zirkadianen Rhythmus stört, waren Körpertemperatur und Hormonschwankungen der älteren Probanden in der Harvard-Studie genauso regelmäßig wie die der jüngeren Gruppe.

So informativ wie die Bunkerstudien sind, um die Gene zu untersuchen, die der biologischen Uhr zugrunde liegen, mussten sich die Wissenschaftler Fruchtfliegen zuwenden. Fliegen sind ideal für genetische Studien, da sie eine kurze Lebensdauer haben und klein sind. Das bedeutet, dass Forscher Tausende von ihnen im Labor züchten und miteinander kreuzen können, bis interessante Mutationen auftauchen. Um den Mutationsprozess zu beschleunigen, setzen Wissenschaftler die Fliegen normalerweise mutationsverursachenden Chemikalien (Mutagenen) aus.

Die ersten Fliegenmutanten, die veränderte zirkadiane Rhythmen zeigten, wurden in den frühen 70er Jahren von Ron Konopka und Seymour Benzer vom California Institute of Technology identifiziert. Diese Forscher fütterten einige Fruchtfliegen mit einem Mutagen und beobachteten dann die Bewegung von 2.000 Nachkommen, zum Teil mit einer Form des gleichen Apparates, den wir jetzt in unseren Experimenten von New York nach San Francisco verwenden. Die meisten Fliegen hatten einen normalen zirkadianen Rhythmus von 24 Stunden: Die Insekten waren ungefähr 12 Stunden am Tag aktiv und ruhten sich für die anderen 12 Stunden aus. Aber drei Fliegen hatten Mutationen, die das Muster brachen. Einer hatte einen 19-stündigen Zyklus, einer hatte einen 28-stündigen Zyklus, und die dritte Fliege schien überhaupt keinen circadianen Rhythmus zu haben, ruhte sich aus und wurde scheinbar willkürlich aktiv.

Zeit vergeht

1986 fanden meine Forschungsgruppe an der Rockefeller University und eine weitere von Jeffrey Hall von der Brandeis University und Michael Rosbash vom Howard Hughes Medical Institute in Brandeis angeführte Forschungsergebnisse, dass die drei mutierten Fliegen drei verschiedene Veränderungen in einem einzigen Gen hatten Zeitraum, oder pro, die jedes unserer Teams zwei Jahre zuvor unabhängig voneinander isoliert hatte. Da verschiedene Mutationen in demselben Gen die drei Verhaltensweisen verursachten, schlussfolgerten wir das pro ist irgendwie aktiv daran beteiligt, zirkadiane Rhythmen in Fliegen zu erzeugen und das Tempo des Rhythmus festzulegen.

Nach dem Isolieren proWir fragten uns, ob das Gen den Tag-Nacht-Zyklus allein beeinflusst hat. Um herauszufinden, haben zwei Postdoktoranden in meinem Labor, Amita Sehgal und Jeffrey Price, mehr als 7.000 Fliegen gescreent, um zu sehen, ob sie andere Rhythmusmutanten identifizieren könnten. Sie fanden schließlich eine Fliege, die wie eine der pro Mutanten hatten keinen scheinbaren circadianen Rhythmus. Die neue Mutation befand sich auf Chromosom 2, während pro war auf das X-Chromosom abgebildet worden. Wir wussten, dass dies ein neues Gen sein musste, und wir nannten es zeitlos, oder tim.

Aber wie verhält sich das neue Gen? pro? Gene bestehen aus DNA, die Anweisungen zur Herstellung von Proteinen enthält. DNA verlässt niemals den Zellkern; Seine molekularen Rezepte werden in Form von Messenger-RNA ausgelesen, die den Zellkern verlässt und in das Zytoplasma gelangt, wo Proteine ​​hergestellt werden. Wir haben das benutzt tim und pro Gene, um PER- und TIM-Proteine ​​im Labor herzustellen. In Zusammenarbeit mit Charles Weitz von der Harvard Medical School beobachteten wir, dass die beiden Proteine ​​beim Mischen aneinander hafteten, was darauf hindeutete, dass sie in Zellen interagieren könnten.

In einer Reihe von Experimenten fanden wir heraus, dass die Produktion von PER- und TIM-Proteinen eine taktartige Rückkopplungsschleife beinhaltet Siehe Abbildung links. Das pro und tim Gene sind aktiv, bis die Konzentrationen ihrer Proteine ​​hoch genug sind, dass die beiden beginnen, sich aneinander zu binden. Wenn sie dies tun, bilden sie Komplexe, die in den Kern eindringen und die Gene, aus denen sie entstanden sind, abschalten. Nach einigen Stunden bauen Enzyme die Komplexe ab, die Gene starten wieder und der Zyklus beginnt von neuem.

Die Hände der Zeit bewegen

Nachdem wir zwei Gene gefunden hatten, die zusammen eine molekulare Uhr bauten, fragten wir uns, wie die Uhr zurückgestellt werden konnte. Schließlich passen sich unsere Schlaf-Wach-Zyklen für eine beliebige Anzahl von Zeitzonen an, auch wenn die Anpassung einige Tage oder Wochen dauern kann.

Zu diesem Zeitpunkt fingen wir an, Flügeltische zwischen den Inkubatoren von New York und San Francisco hin und her zu transportieren. Eines der ersten Dinge, die wir und andere bemerkten, war, dass jedes Mal, wenn eine Fliege von einem dunklen Inkubator zu einem hell beleuchteten Tageslicht gebracht wurde, die TIM-Proteine ​​im Gehirn der Fliege verschwanden - in wenigen Minuten.

Interessanterweise stellten wir fest, dass die Flugrichtung der Fliegen die Menge ihrer TIM-Proteine ​​beeinflusste. Wenn wir um 8.00 Uhr Fliegen aus New York entfernten Ortszeit, als es dunkel war, und legte sie nach San Francisco, wo es um 5 PM noch hell war. Ortszeit sanken ihre TIM-Werte. Aber eine Stunde später, als in San Francisco die Lichter ausgehen, begann sich TIM erneut zu akkumulieren. Offensichtlich wurden die molekularen Uhren der Fliegen anfangs durch die Übertragung gestoppt, aber nach einer Verzögerung setzten sie im Muster der neuen Zeitzone fort.

Im Gegensatz dazu bewegten sich die Fliegen um 4 Uhr morgens. aus San Francisco erlebte einen vorzeitigen Sonnenaufgang, als sie in New York platziert wurden, wo es 7 uhr war. Diese Bewegung führte auch zu einem Abfall der TIM-Werte, aber dieses Mal begann sich das Protein nicht wieder aufzubauen, da die molekulare Uhr durch den Zeitzonenwechsel vorgerückt wurde.

Wir haben mehr über den Mechanismus hinter den verschiedenen molekularen Reaktionen gelernt, indem wir den Zeitpunkt der Produktion von untersucht haben tim RNA. Ebenen von tim RNA ist am höchsten bei etwa 8 PM. Ortszeit und niedrigste zwischen 6 uhr und 8 A.M. Eine Fliege, die sich um 8 PM bewegt. von New York nach San Francisco produziert Höchstwerte tim RNA, also Proteinverlust durch Lichteinwirkung in San Francisco, kann nach Sonnenuntergang am neuen Standort leicht ersetzt werden. Eine Fliege um 4 Uhr morgens von San Francisco nach New York machte jedoch sehr wenig tim RNA vor der Abreise. Was die Fliege als vorzeitiger Sonnenaufgang erlebt, eliminiert TIM und ermöglicht den nächsten Produktionszyklus mit einem früheren Zeitplan.

Nicht nur Bugs

Es hat sich herausgestellt, dass das Jetlag der Fliegen direkte Auswirkungen auf das Verständnis des circadianen Rhythmus bei Säugetieren, einschließlich des Menschen, hat. 1997 führten Forscher, die von Hajime Tei von der Universität von Tokio und Hitoshi Okamura von der Kobe-Universität in Japan geleitet wurden, und unabhängig davon Cheng Chi Lee vom Baylor College of Medicine die Entsprechung von Mäusen und Menschen pro. Eine weitere Flut von Arbeit, diesmal mit vielen Laboratorien, drehte sich um Maus- und menschliche Formen tim 1998. Und die Gene waren im suprachiasmatischen Kern aktiv.

Studien mit Mäusen halfen auch bei der Beantwortung einer Schlüsselfrage: Was macht die Aktivität des pro und tim Gene in erster Linie? 1997 isolierten Joseph Takaha-shi vom Howard Hughes Medical Institute an der Northwestern University und seine Kollegen ein Gen, das sie genannt hatten Uhr dass, wenn mutiert, Mäuse ohne erkennbaren circadianen Rhythmus ergeben. Das Gen kodiert für einen Transkriptionsfaktor, ein Protein, das in diesem Fall an DNA bindet und es als Messenger-RNA auslesen kann.

Kurz darauf eine Fliegenversion der Maus Uhr Das Gen wurde isoliert, und verschiedene Forschungsteams begannen, Kombinationen der pro, tim und Uhr Gene in Säugetier- und Fruchtfliegenzellen. Diese Experimente zeigten, dass das CLOCK-Protein die Zielgruppe angreift pro Gen in Mäusen und beide pro und tim Gene in Fliegen. Das System hatte sich geschlossen: In Fliegen, deren Uhren am besten verstanden werden, ist das CLOCK-Protein - in Kombination mit einem Protein, das von einem sogenannten Gen kodiert wird Zyklus- bindet an und aktiviert das pro und tim Gene, aber nur wenn im Kern keine PER- und TIM-Proteine ​​vorhanden sind. Diese vier Gene und ihre Proteine ​​bilden das Herz der biologischen Uhr in Fliegen. Mit einigen Modifikationen scheinen sie einen Mechanismus zu bilden, der den zirkadianen Rhythmus im gesamten Tierreich regelt, von Fischen über Frösche, Mäusen bis hin zu Menschen.

Vor kurzem haben Steve Repperts Gruppe in Harvard und Justin Blau in meinem Labor begonnen, die spezifischen Signale zu untersuchen, die die biologischen Uhren von Maus und Fruchtfliege mit dem zeitlichen Ablauf verschiedener Verhaltensweisen, Hormonschwankungen und anderen Funktionen verbinden. Es scheint, dass einige Output-Gene durch eine direkte Interaktion mit dem CLOCK-Protein aktiviert werden. PER und TIM blockieren die Fähigkeit von CLOCK, diese Gene gleichzeitig einzuschalten, während sie die Oszillationen der zentralen Rückkopplungsschleife erzeugen, wodurch erweiterte Muster der zyklischen Genaktivität geschaffen werden.

Eine aufregende Perspektive für die Zukunft besteht in der Rückgewinnung eines gesamten Systems von Uhr-regulierten Genen in Organismen wie Fruchtfliegen und Mäusen. Es ist wahrscheinlich, dass zuvor nicht charakterisierte Genprodukte mit faszinierenden Auswirkungen auf das Verhalten in diesen Netzwerken entdeckt werden. Vielleicht wird einer davon oder ein Bestandteil der molekularen Uhr selbst ein bevorzugtes Ziel für Medikamente, um Jetlag, die Nebenwirkungen der Schichtarbeit oder Schlafstörungen und damit verbundene depressive Erkrankungen zu lindern. Die Umstellung auf eine Reise von New York nach San Francisco könnte eines Tages viel einfacher sein.

DIE BIOLOGISCHE UHR

Der Autor beantwortet einige wichtige Fragen

Wo ist die biologische Uhr? Bei Säugetieren befindet sich die Hauptuhr, die den Tag-Nacht-Zyklus der Aktivität bestimmt, der als circadianer Rhythmus bekannt ist, in einem Teil des Gehirns, der als suprachiasmatic Nucleus (SCN) bezeichnet wird. Zellen an anderer Stelle zeigen aber auch Uhrenaktivität.

Was treibt die Uhr an? Innerhalb einzelner SCN-Zellen werden spezialisierte Clock-Gene durch die Proteine, die sie kodieren, in einer Rückkopplungsschleife, die einen 24-Stunden-Rhythmus aufweist, ein- und ausgeschaltet.

Ist die biologische Uhr von dem normalen 24-Stunden-Zyklus von Licht und Dunkelheit abhängig? Nein. Die molekularen Rhythmen der Clock-Gen-Aktivität sind angeboren und selbsttragend. Sie bleiben in Abwesenheit von Umwelt- und Umweltzyklen von Tag und Nacht bestehen.

Welche Rolle spielt Licht bei der Regulierung und Rückstellung der biologischen Uhr? Helles Licht, das tagsüber von der Netzhaut absorbiert wird, hilft, die Aktivitätsrhythmen der Uhrgene mit dem vorherrschenden Umweltzyklus zu synchronisieren. Die Einwirkung von hellem Licht in der Nacht setzt den circadianen Rhythmus zurück, indem die Menge einiger Clock-Gen-Produkte akut geändert wird.

Wie reguliert die molekulare Uhr die Tag-Nacht-Aktivität einer Person? Die von Clock-Genen synthetisierten fluktuierenden Proteine ​​steuern zusätzliche genetische Wege, die die molekulare Uhr mit zeitgesteuerten Änderungen in der Physiologie und im Verhalten eines Tieres verbinden.

Schließt überall

Sie sind nicht nur im Gehirn

Die meisten Forschungen zu den biologischen Uhren von Tieren konzentrierten sich auf das Gehirn, aber dies ist nicht das einzige Organ, das einen Tag-Nacht-Rhythmus beobachtet.

Jadwiga Giebultowicz von der Oregon State University hat PER- und TIM-Proteine ​​- Schlüsselkomponenten biologischer Uhren - in der Niere wie Malpighia-Tubuli von Fruchtfliegen identifiziert. Sie hat auch beobachtet, dass die Proteine ​​nach einem zirkadianen Zyklus produziert werden, der nachts steigt und tagsüber fällt. Der Zyklus bleibt auch bei enthaupteten Fliegen bestehen. Dies zeigt, dass die Malpighia-Zellen nicht nur auf Signale von den Insektengehirnen reagieren.

Darüber hinaus hat die Forschungsgruppe von Steve Kay am Scripps Research Institute in La Jol-la, Kalifornien, Beweise für biologische Uhren in den Flügeln, Beinen, im Mundbereich und in den Antennen von Fruchtfliegen gefunden. Durch die Übertragung von Genen, die die Produktion fluoreszierender PER-Proteine ​​in lebende Fliegen lenken, haben Kay und seine Kollegen gezeigt, dass jedes Gewebe eine unabhängige, photorezeptive Uhr trägt. Die Uhren funktionieren sogar weiter und reagieren auf Licht, wenn jedes Gewebe vom Insekt getrennt wird.

Und die extrakraniellen biologischen Uhren sind nicht auf Fruchtfliegen beschränkt. Ueli Schibler von der Universität Genf zeigte 1998, dass die pro-Gene von Rattenbindegewebszellen, die als Fibroblasten bezeichnet werden, gemäß einem circadianen Zyklus aktiv sind.

Die Verschiedenartigkeit der verschiedenen Zelltypen, die die Aktivität der zirkadianen Uhr zeigen, legt nahe, dass ein korrektes Timing für viele Gewebe wichtig genug ist, um es lokal zu verfolgen. Die Befunde könnten dem Begriff Körperuhr eine neue Bedeutung verleihen. - M.W.Y.

Dieser Artikel wurde ursprünglich mit dem Titel "Das Zecken der biologischen Uhr" veröffentlicht. 282, 3, 64-71 (März 2000)

doi: 10.1038 / scientificamerican0300-64