Evolution findet ständig und überall in der Natur statt. Dennoch ist es für Biologen immer wieder spannend, die Evolution „in Echtzeit“ zu beobachten. Eine solche Beobachtungsmöglichkeit bietet derzeit die innere Uhr – der angeborene Schlaf-Wach-Rhythmus – der Fruchtfliege Drosophila melanogaster. Bei Fruchtfliegen breitet sich eine bestimmte Variante eines „Uhren-Gens“, das vermutlich vor 300 bis 3000 Jahren erstmals in Südeuropa auftauchte, nach Norden aus, beispielsweise nach und innerhalb Skandinaviens. Forscher haben dieses Phänomen beobachtet, konnten es aber noch nicht vollständig erklären. Ein Team um den Neurobiologen Prof. Ralf Stanewsky von der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster hat anhand von Laborstudien erstmals eine Erklärung für dieses Phänomen gefunden.
Die Studie, die jetzt im Fachblatt veröffentlicht wurde Naturkommunikation, konzentrierte sich auf ein Uhrengen namens „timeless“. Zusammen mit einem zweiten Uhr-Gen („Periode“) steuert es den circadianen Rhythmus der Fruchtfliege, der etwa 24 Stunden anhält. Dieser Rhythmus wird über externe Zeitgeber wie Licht und Temperatur permanent mit der Umgebung synchronisiert. Die Forscher untersuchten, warum sich eine spezielle Variante des zeitlosen Uhr-Gens, nämlich das ls-tim-Allel, so schnell verbreitet hat.
„Wie der Mensch stammt Drosophila aus Subsahara-Afrika und breitete sich nach Norden bis zum Polarkreis aus“, erklärt Erstautorin Angélique Lamaze. „Dort erleben die Fliegen lange Sommertage oder sogar nahezu konstantes Licht, sogenannte weiße Nächte.“ Ständiges Licht stört die Funktion der inneren Uhr, weil es über eine molekulare Reaktionskette den permanenten Abbau des Uhrenproteins „timeless“ auslöst. Dadurch geht der zirkadiane Rhythmus verloren.
Temperaturzyklen können jedoch die Auswirkungen einer konstanten Beleuchtung überwinden. Die Experten haben gezeigt, dass Fliegen mit dem kürzlich entwickelten ls-tim-Allel ihren zirkadianen Rhythmus mit der Umgebungstemperatur unter Licht- und Temperaturbedingungen synchronisieren, die einen skandinavischen Sommertag nachahmen. Ein Indikator war der Grad der aktiven Bewegung der Insekten. Bei konstanter Beleuchtung und einem täglichen Temperaturwechsel zwischen 16 und 25 Grad Celsius waren die Fliegen mit dem ls-tim-Allel in der zweiten Hälfte der Warmphase besonders aktiv. Im Gegensatz dazu gab es bei konstanter Beleuchtung und Temperatur keinen Verhaltensrhythmus. Im Gegensatz zu den ls-tim-Fliegen zeigten die Fruchtfliegen, die nur die ursprüngliche Genvariante (s-tim) trugen, keine Verhaltensanpassung – weder bei Temperaturwechseln noch bei einer konstanten Temperatur.
Neue Genvariante erhöht den Fortpflanzungserfolg
„Aus evolutionsbiologischer Sicht lässt sich die Verhaltensanpassung gut erklären“, betont Angélique Lamaze. „Der Sommer ist die Fortpflanzungszeit der Insekten. Tiere, die in ihrem Verhalten synchronisiert und zur gleichen Tageszeit paarungsbereit sind, haben eine bessere Chance, sich zu treffen und zu reproduzieren. Da ls-tim eine solche Synchronisation auch an extrem langen Sommertagen ermöglicht, ist dies der Fall ist höchstwahrscheinlich ein wichtiger Faktor, der zu seiner anhaltenden Ausbreitung nach Norden beiträgt, und könnte seinen evolutionären Erfolg erklären.
Das Forschungsteam wies außerdem nach, dass bereits eine einzige Kopie des ls-tim-Allels ausreicht, um eine Synchronisation unter „skandinavischen Bedingungen“ zu ermöglichen, was die Verbreitung dieses Allels weiter unterstützt. Wie zum Beispiel Menschen besitzen Fruchtfliegen zwei entweder identische oder ähnliche Kopien jedes Gens – eine Kopie von jedem Elternteil.
Die neue Genvariante produziert ein von der ursprünglichen Form leicht abweichendes Protein, das besonders lichtstabil ist und damit in die molekulare Reaktionskaskade eingreift, die sonst den Abbau des Uhrenproteins „timeless“ auslöst. Das Team schloss daraus, dass dies eine Voraussetzung dafür ist, dass der Temperaturzyklus den circadianen Rhythmus von Fruchtfliegen unter kontinuierlicher Beleuchtung wiederherstellt.
Die Neurobiologen nutzten für ihre Studie eine Kombination aus Verhaltensexperimenten sowie modernen genetischen und immunhistochemischen Methoden. Sie verglichen unter anderem Fliegenstämme mit unterschiedlicher genetischer Ausstattung, untersuchten ihr Verhalten in simulierten skandinavischen Sommernächten und die Aktivität ihrer Uhrengene in verschiedenen Gehirnneuronen.
Angélique Lamaze et al, Ein natürlicher zeitloser Polymorphismus, der die Synchronisierung der circadianen Uhr in „weißen Nächten“ ermöglicht, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-29293-6