Neue Erkenntnisse zur inneren Uhr der Fruchtfliege

Die meisten Lebewesen haben eine innere Uhr, die unter anderem den Schlaf-Wach-Rhythmus steuert. Der innere Rhythmus dauert etwa einen Tag (circadian), also etwa 24 Stunden, und wird durch verschiedene Uhrengene reguliert. Hinzu kommt eine permanente Abstimmung mit Faktoren wie Licht und Temperatur, um die innere Uhr mit dem äußeren Tag-Nacht-Rhythmus zu synchronisieren. Ein Team um den Neurobiologen Prof. Ralf Stanewsky von der Universität Münster hat nun bei der Fruchtfliege Drosophila melanogaster nachgewiesen, dass ein bestimmtes Ionentransportprotein (KCC) bei der Regulation des circadianen Rhythmus durch Licht eine Rolle spielt.

Das untersuchte Ionentransportprotein ist Teil einer molekularen Signalkaskade in bestimmten Neuronen im Gehirn. Der Hintergrund ist folgender: Ein Protein namens Quasimodo ist an der Regulierung der inneren Uhr der Fruchtfliege beteiligt. Es ist Teil der Zellmembran und hilft als externe Regulatoren Lichtsignale weiterzuleiten und eine interne molekulare Regulationskaskade auszulösen. Quasimodo interagiert mit einem Natrium-Kalium-Chlorid-Cotransporter namens NKCC. Seine Funktion besteht darin, Chloridionen in die Zelle zu transportieren. In dieser neuen Studie, veröffentlicht in der Zeitschrift Aktuelle Biologieuntersuchten die Forscher erstmals das Gegenstück von NKCC – den Kaliumchlorid-Cotransporter KCC, der Chlorid-Ionen aus der Zelle transportiert.

Das Gleichgewicht zwischen diesen beiden Cotransportern bestimmt den Chloridgehalt in der Zelle. Und die wiederum ist entscheidend für das Funktionieren der inneren Uhr: Der Chloridgehalt bestimmt, wie eine Nervenzelle auf den Neurotransmitter GABA reagiert. Bei einem hohen Chloridgehalt wirkt GABA anregend; Wenn der Gehalt niedrig ist, hemmt es die Signalübertragung durch die Zelle. „Ein und dasselbe Signal kann stimulierend oder hemmend wirken“, erklärt Erstautorin Katharina Eick. „Man nimmt an, dass es zum Beispiel von der Tageszeit abhängt – und es könnte unterschiedliche Verhaltensweisen der Fliege bei Tag und Nacht erklären.“ Die Aktivität des Cotransporters wird durch zwei Enzyme reguliert, die Kinasen „Wnk“ und „Fray“. Auch diese beiden Kinasen nahmen die Forscher unter die Lupe.

„Interessant“, sagt Eick, „ist, dass die beiden Cotransporter NKCC und KCC sowie die Kinasen Wnk und Fray evolutionär gesehen sehr alte Proteine ​​sind, die nicht nur in Fliegen, sondern auch in Säugetieren vorkommen Bei Säugetieren – aber nicht bei Fliegen – war bereits bekannt, dass die Aktivität von NKCC und seinem Gegenstück eine wichtige Rolle in der inneren Uhr spielt.

Die Ergebnisse der Studie im Detail: Das Team zeigte, dass Fliegen, bei denen einer der drei untersuchten Einflussfaktoren besonders aktiv oder inaktiv ist, unter konstantem Licht ein anormales rhythmisches Verhalten zeigen. Normalerweise haben Fliegen bei konstanten Lichtverhältnissen keinen Verhaltensrhythmus, da es ein essentielles Protein in der molekularen Uhr gibt, das im Licht abgebaut wird und somit die Funktion der Uhr stört. „Aus unserem Experiment können wir schließen, dass KCC, Wnk und Fray an einem Signalweg beteiligt sind, über den Lichtreize an die innere Uhr weitergeleitet werden“, erklärt Katharina Eick.

Neben dem anormalen rhythmischen Verhalten bei konstantem Licht bemerkten die Forscher bei einigen Fliegen, die einem langen Tag-Nacht-Zyklus (16 Stunden Licht, acht Stunden Dunkelheit) ausgesetzt waren, noch ein weiteres auffälliges Verhalten: eine ungewöhnlich hohe Aktivität am Morgen. Diese erhöhte Aktivität trat nur auf, wenn weniger NKCC und weniger Quasimodo als normal vorhanden waren. „Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass die von uns untersuchten Proteine ​​möglicherweise eine Funktion bei der Anpassung der circadianen Uhr an die unterschiedlichen Jahreszeiten mit unterschiedlich langen Tagen haben“, ergänzt Eick. „Bei Säugetieren gibt es dafür bereits Hinweise.“ Das Team zeigte auch zum ersten Mal, dass das Ionentransportprotein KCC die neuronale Reaktion auf den Neurotransmitter GABA innerhalb der circadianen Uhr der Fruchtfliege direkt beeinflussen kann.

Methodik: Die Forscher verwendeten eine Kombination aus Verhaltensexperimenten, Elektrophysiologie und modernen genetischen Methoden. Mittels zellspezifischer genetischer Manipulationen stellten sie Fliegenstämme her, bei denen die untersuchten Proteine ​​überexprimiert, herunterreguliert oder nicht vorhanden waren. An den sogenannten großen ventrolateralen Uhrneuronen im Gehirn der Fruchtfliege wurde die Aktivität der Neuronen im Gehirn gemessen.

Gesamtbildzeile (Motiv-Versuchsaufbau): Versuchsaufbau zur automatisierten Messung der Aktivität von Fruchtfliegen: In jedem der Glasröhrchen sitzt eine Fliege. Beim Hin- und Hergehen unterbricht er einen Infrarotstrahl, der von einem Sensor erfasst wird. Die Anzahl der Unterbrechungen gilt als Maß für die Aktivität. Während der Messungen werden äußere Bedingungen wie Licht und Temperatur genau überwacht.

Zur Verfügung gestellt von der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster