Analyse der zirkadianen Uhr in Echtzeit

Während sich unser Körper und unser Geist weiterhin an die jüngste Zeitumstellung anpassen, gehen die Debatten in der Gesellschaft weiter darüber, ob die Sommerzeit zu einer dauerhaften Einrichtung gemacht, abgeschafft oder bei der derzeitigen halbjährlichen Zeitumstellung bleiben soll.

Während diese Diskussionen weitergehen, haben Wissenschaftler der University of California San Diego und ihre Kollegen Fortschritte beim Verständnis der zirkadianen Uhr gemacht, des 24-Stunden-Zyklus, der sich mit der Hell-Dunkel-Exposition synchronisiert, und wie sie funktioniert (Wissenschaftler der zirkadianen und Schlafforschung empfehlen permanente Standardzeit als die gesündeste Option, wenn man Licht- und Dunkelexposition berücksichtigt).

Interne biologische Uhren existieren im gesamten Baum des Lebens und beeinflussen rhythmisch die täglichen Aktivitäten und das Verhalten. Vor zwei Jahren baute ein multiinstitutionelles Forscherteam zum ersten Mal eine zirkadiane Uhr in einem Reagenzglas zusammen, um die Komponenten der Rhythmen und Wechselwirkungen der Uhr zu untersuchen.

Die „In-Vitro-Uhr“ half den Forschern zu analysieren, wie die Komponenten der Uhr zu verschiedenen Zeiten des täglichen circadianen Zyklus interagieren, um die Genexpression zu steuern.

Eine neue Studie unter der Leitung von Forschern der UC San Diego und der UC Merced hat diese Grundlage mit der Entwicklung einer Methode erweitert, um zu untersuchen, wie sich die zirkadiane Uhr in Echtzeit mit der Umgebung synchronisiert. Wie in der Zeitschrift beschrieben Proceedings of the National Academy of Sciencesermöglichte die Echtzeitfähigkeit ihnen, tiefer in die zuvor unbekannten internen Funktionen der Uhr einzudringen, einschließlich der Übertragung von Zeiteinstellungssignalen von ihrem Kern – bekannt als Oszillator – an die Expression von Genen, die eine ordnungsgemäß funktionierende Uhr gewährleisten.

Der Postdoktorand Mingxu Fang und Professor Susan Golden von der School of Biological Sciences untersuchten zusammen mit ihren Kollegen einen aquatischen einzelligen Organismus namens Cyanobakterium, der eine zirkadiane Uhr mit ähnlichen Funktionen wie die eines Menschen aufweist. Ihr Ziel war es, mithilfe der In-vitro-Uhr zu untersuchen, was passiert, wenn die Uhr des Cyanobakteriums auf molekularer Ebene zurückgesetzt wird, ähnlich wie unsere circadianen Uhren Zeitzonenänderungen während der Reise unterliegen. Anstatt mit dem vorherigen System drei bis vier Tage lang kontinuierlich Proben aus In-vitro-Reaktionen zu sammeln, ermöglichte ihnen ihre neue Hochdurchsatzmethode die sofortige Verfolgung der Ergebnisse.

Einer der wichtigsten Echtzeit-Erkenntnisse konzentrierte sich auf die Komponenten der circadianen Uhr, die für die Weitergabe des circadianen Rhythmus vom Kernoszillator an die Genexpression verantwortlich sind. Die Forscher fanden heraus, dass die Elemente, die einen Regulator rhythmisch modifizieren, um eine zirkadiane Genexpression zu erzeugen – katalysierende Enzyme namens Kinasen – auch eine entscheidende Rolle bei der Funktionsweise der Uhr spielen.

„In den ersten zwei Jahrzehnten nach seiner Entdeckung konzentrierte sich der Großteil der Forschung auf den Kernoszillator“, sagte Fang. „Wir stellen jetzt fest, dass die Kinasen, die früher nur als Ausgangskomponenten betrachtet wurden, tatsächlich Teil der gesamten Uhr sind.“

Fang sagte, die Entdeckung ähnele einem in der Physik verwurzelten Konzept namens Beobachtereffekt, bei dem der Akt der Beobachtung auch das beobachtete System beeinflusst. In diesem Fall bringen Kinasen Störungen in den Kern (das beobachtete System), um die Zeitinformationen (den Beobachtungsvorgang) zu erhalten, die vom Kernoszillator gespeichert werden.

„Kinasen müssen den Kernoszillator durch physikalische Interaktion fragen, wie spät es ist, und so beeinflussen sie den Kern auf wahrnehmbare Weise“, sagte Golden, Professor und Direktor des Center for Circadian Biology der UC San Diego. „Das ist Teil ihrer natürlichen Funktion und jetzt sehen wir, dass sie Teil der Maschine geworden sind.“

Tatsächlich sind zwei Kinasen für eine richtig funktionierende zirkadiane Uhr erforderlich. Forscher, die sich mit circadianer Biologie befassen, bezeichnen den Kernoszillator oft als die „Zahnräder“ der Uhr und die beiden Kinasen als die „Zeiger“ der Uhr, die beide benötigt werden, um die Zeit korrekt anzuzeigen.

„Wir wissen jetzt, dass die Zeiger der Uhr tatsächlich Teil des Zeitmessmechanismus sind“, sagte Golden. „Wenn Sie nicht beide Hände haben, stellen sie die Zeit nicht richtig ein, weil einer von ihnen ein Stabilisator und einer ein Störer für das Rückstellsignal ist, und Sie brauchen beide.“

Autoren der PNAS Studie umfassen Mingxu Fang, Archana Chavan, Andy LiWang und Susan Golden.