Je höher die Temperaturen, desto schneller laufen physiologische Prozesse ab. Doch es gibt eine Ausnahme: die sogenannte circadiane Uhr, die den Schlaf-Wach-Rhythmus im Organismus regelt. Eine spannende Frage für Wissenschaftler ist, warum die innere Uhr trotz Temperaturschwankungen nahezu unverändert läuft. Dies ist ein Phänomen, das als Temperaturkompensation bekannt ist. Studien weisen darauf hin, dass verschiedene molekulare Mechanismen dazu beitragen.
Ein Team von Biologen unter der Leitung von Prof. Ralf Stanewsky von der Universität Münster (Deutschland) und in Zusammenarbeit mit Teams der Dalhousie University in Kanada und der Universität Mainz in Deutschland hat nun ein wichtiges Puzzleteil gefunden, das eine Antwort liefert diese Frage. Die Ergebnisse ihrer Arbeit wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Aktuelle Biologie.
Das Team entdeckte eine Punktmutation in der Fruchtfliege Drosophila melanogaster, die zu einer temperaturabhängigen Verlängerung der circadianen Uhrenperioden führt. Es befindet sich in einem zentralen „Uhren-Gen“, das als „Periode“ (per) bekannt ist. Fliegen mit dieser perI530A-Mutation zeigen einen normalen Schlaf-Wach-Rhythmus von 24 Stunden bei 18 Grad Celsius. Bei 29 Grad Celsius läuft die innere Uhr dagegen etwa fünf Stunden langsamer, dh sie dauert 29 Stunden. Diese Periodenverlängerung beeinflusst auch die Expression, also die Aktivität, des Periodengens in den Uhrneuronen des Gehirns.
Normalerweise wird das betreffende Protein (PERIOD) innerhalb von 24 Stunden nach und nach chemisch verändert, nämlich phosphoryliert. Nach maximaler Phosphorylierung wird es abgebaut. Auch hier läuft dieser Vorgang normalerweise bei Temperaturen zwischen 18 und 29 Grad Celsius ab, bei denen Fruchtfliegen aktiv sind. Wie die Forscher zeigten, findet die Phosphorylierung bei der perI530A-Mutante bei 18 Grad Celsius normal statt, nimmt aber mit steigender Temperatur ab. Dies führt zu einer Stabilisierung des „PERIOD“-Proteins bei wärmeren Temperaturen.
Die vom Team untersuchte Mutation betrifft ein sogenanntes Kernexportsignal (NES), das in dieser Form auch in den Period-Genen von Säugetieren vorkommt und beim Transport der PERIOD-Proteine aus dem Zellkern eine Rolle spielt. Bisher war keine biologische Funktion dieses Exports aus dem Zellkern bekannt. Die aktuelle Studie zeigt, dass die Mutation zu einer verlängerten Retention des PERIOD-Proteins im Zellkern von zentralen Uhrenneuronen führt – und zwar nur bei höheren Temperaturen. „Wir gehen daher davon aus“, sagt Ralf Stanewsky, „dass der Export des Proteins aus dem Zellkern eine wichtige Rolle beim Temperaturausgleich spielt – zumindest was die Fruchtfliege betrifft.“
Die Wissenschaftler verwendeten für ihre Untersuchungen Fruchtfliegen-Mutanten mit einer Modifikation des Period-Gens (perI530A), die sie mit modernen molekulargenetischen Methoden (CRISPR/Cas9-Mutagenese und homologe Rekombination) hergestellt hatten. Diese Tiere wurden daraufhin getestet, ob sich ihr Schlaf-Wach-Rhythmus – und damit ihre Laufaktivität – in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur unterschied.
Mit verschiedenen Methoden visualisierten die Forscher die Uhrengene und ihre Aktivität in den Neuronen des Gehirns. Dabei kam unter anderem eine neue Methode namens Locally Activatable BioLuminescence (LABL) zum Einsatz, die das Münsteraner Team gemeinsam mit Forschern in Kanada entwickelt hatte. Mit dieser Methode der Biolumineszenz lässt sich die rhythmische Genexpression in Uhrenneuronen – die nur einen Bruchteil aller Gehirnneuronen ausmachen – in lebenden Fliegen messen.
Mehr Informationen:
Astrid Giesecke et al., Eine neuartige Periodenmutation, die den Kernexport in die Temperaturkompensation der zirkadianen Uhr von Drosophila impliziert, Aktuelle Biologie (2022). DOI: 10.1016/j.cub.2022.12.011