Gene tanzen nach der zirkadianen Uhr

Im Jahr 2017 ging der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin an drei Wissenschaftler, die die molekularen Mechanismen aufdeckten, die den zirkadianen Rhythmus, auch bekannt als «Wach-Schlaf-Zyklus», steuern. Für ihre Arbeit nutzten die Wissenschaftler die gemeine Fruchtfliege Drosophila melanogaster, die damit zum sechsten Mal den Nobelpreis erhielt.

Fruchtbare Fruchtfliegen

Biologinnen verwenden Drosophila nun schon seit über einem Jahrhundert. Erstmals vom Entomologen Charles W. Woodworth als Modellorganismus vorgeschlagen, wurde seine Verwendung in der Forschung von dem Genetiker Thomas H. Morgan vorangetrieben, der in den frühen 1900er Jahren seinen berühmten Fly Room an der Columbia University betrieb.

Das bescheidene Insekt, das etwa 60 % der menschlichen DNA teilt, war der Dreh- und Angelpunkt unzähliger wissenschaftlicher Entdeckungen, von der Vererbung und Genmutation bis hin zu neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson.

Zirkadiane Rhythmen

Drosophila wurde auch ausgiebig für die Untersuchung des zirkadianen Rhythmus verwendet, ein Prozess, der von praktisch allen lebenden Organismen geteilt wird, einschliesslich Tieren, Pflanzen und sogar Mikroben. Abgesehen vom Schlafen und Wachen beeinflusst er mehrere Aspekte unseres Körpers, einschliesslich der Hormonausschüttung, der Nahrungsaufnahme und Verdauung sowie der Körpertemperatur.

Tatsächlich ist die Erforschung der zirkadianen Rhythmen zu einem eigenen Fachgebiet herangewachsen: der Chronobiologie. Und da der zirkadiane Rhythmus eines Menschen zu diktieren scheint, wann bestimmte Medikamente eingenommen werden müssen, um ihre Wirkung zu maximieren, ist kürzlich auch ein neuer Zweig der Medizin entstanden: die Chronopharmakologie.

Genetische Rhythmen

Nun haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Maria Litovchenko und Bart Deplancke von der EPFL-Fakultät für Life Sciences in einer umfangreichen Studie mit Drosophila untersucht, wie verschiedene Gene in verschiedenen Geweben des Tieres so reguliert werden, dass sie «wissen», wann sie sich im Laufe eines Tages ein- und ausschalten müssen, d. h. in Funktion des zirkadianen Rhythmus. «Wir wollten untersuchen, wie diese molekularen Rhythmen in einer natürlichen Fruchtfliegenpopulation variieren und wie sie durch genomische Variationen beeinflusst werden», ergänzt Deplancke. Die Studie wurde in Science Advances veröffentlicht.

Die Forschenden wendeten sich an eine Fliegen-Ressource namens Drosophila Genetic Reference Panel (DGRP), die mehr als 200 genetisch unterschiedliche Linien des Insekts enthält. Das Genom jeder Linie wurde vollständig sequenziert, so dass die Wissenschaftlerinnen Unterschiede zwischen den Genotypen erkennen und diese dann mit Unterschieden zwischen den Phänotypen in Verbindung bringen können, wodurch Gene mit ihren Funktionen verknüpft werden.

Aus dem DGRP haben die Forschenden mehr als 700 gewebespezifische «Transkriptome» entnommen. In einem Organismus, einem Gewebe oder auch nur einer Zelle werden Gene in mRNA entschlüsselt oder «transkribiert», die dann zum Aufbau eines Proteins verwendet werden. Ein Transkriptom ist also im Wesentlichen eine Menge aller RNA-Transkripte der DNA eines Organismus, kodierend oder nicht-kodierend.

In dieser Studie verwendeten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die mRNA eines Referenz-«Kontroll»-Fliegenstamms und nahmen dann die mRNA von 141 einzelnen DGRP-Linien mit hoher Auflösung ab – in etwa neunminütigen Abständen zwischen jeder Linie. Die Idee dahinter war, zu sehen, wie sich die Gentranskripte in den verschiedenen Linien im Laufe der Zeit veränderten, und herauszufinden, wie der genetische Hintergrund der Fruchtfliege und der zirkadiane Rhythmus zusammen die Expression verschiedener Gene in unterschiedlichen Geweben beeinflussen.

«Damit konnten wir die erste gewebespezifische Referenzzeitreihe der zirkadianen Genexpression in Drosophila generieren, einen umfassenden Atlas der zirkadianen Genexpression», sagt Litovchenko, «aber auch beispiellose Einblicke in das Ausmass und die genomweite Natur der zirkadianen Genexpressionsvariation gewinnen, indem wir einen innovativen Ansatz verwendeten, der die Rekonstruktion dynamischer zyklischer Muster aus statisch gesammelten Proben ermöglichte.»

Die Studie enthüllte drei wichtige Punkte über den zirkadianen Rhythmus.

Die Uhr hat die Oberhand

Zunächst entdeckten die Wissenschaftlerinnen mehr als 1700 Gene, deren Expression unter der Kontrolle der zirkadianen Uhr zyklisch verläuft, wobei nur vierzehn dieser Gene in allen Geweben der Fruchtfliege gleich sind.

«Mindestens zwei dieser vierzehn Gene waren bisher uncharakterisiert und haben einen signifikanten Einfluss auf verschiedene Parameter des Bewegungsrhythmus», sagt Litovchenko und verweist auf die von der zirkadianen Uhr abhängigen Verhaltensmuster der Fruchtfliege: «Da diese Gene Orthologe (ähnliche Gene) in Mäusen, Pavianen und Menschen haben, deuten unsere Ergebnisse stark darauf hin, dass sie auch in Säugetieren neuartige, zentrale Uhr-Regulatoren sind», fügt sie hinzu.

Morgenmensch oder Nachtschwärmer?

Zweitens, dass jedes Individuum seinen eigenen zirkadianen Rhythmus haben kann, was die grosse Bandbreite menschlicher Verhaltensweisen erklären könnte, wie Morgenmenschen, Nickerchen-Anhänger, Abendmenschen, Nachteulen usw. Die Forschenden verwendeten einen hochmodernen statistischen Ansatz, um den natürlichen zirkadianen Rhythmus für jedes Gewebe im Transkriptom der DGRP-Fruchtfliege zu ermitteln.

Was sie herausfanden, war, dass die physiologische Uhr in etwa einem Drittel der Drosophila-Linien signifikant von der «natürlichen» Zeit um mehr als drei Stunden abweicht. Und die meisten Linien zeigten eine zirkadiane Expressionsvariation nur in einem oder zwei Geweben.

«Auch der Mensch könnte von einer solch starken Variation betroffen sein», sagt Deplancke, «es scheint eine reichliche, natürliche zirkadiane Asynchronie in den molekularen zirkadianen Rhythmen zwischen verschiedenen Geweben zu geben, die unseres Wissens bisher noch nicht beobachtet wurde und die alle möglichen physiologischen Konsequenzen in Stoffwechselmustern, Verdauungsschwankungen usw. haben kann.»

Licht, Dunkelheit und eine Mutation

Schliesslich, dass eine kleine genetische Mutation das «Photoentrainment» eines Individuums stören kann, was sich auf die Ausrichtung des zirkadianen Rhythmus auf das Muster von Licht und Dunkelheit in seiner Umgebung bezieht.

Die Forschenden konzentrierten sich auf eine Drosophila-Linie mit dem höchsten unausgerichteten zirkadianen Rhythmus (mehr als 10 Stunden) und fanden heraus, dass sie eine neuartige, funktionslose Deletion im Drosophila Uhr- und Licht-regulierten Gen «cry» (für «cryptochrome») enthält.

«Diese kleine Deletion unterbricht die lichtgetriebene FAD-Cofaktor-Photoreduktion», sagt Deplancke, «sie bestätigt in vivo die Bedeutung des evolutionär konservierten Photoentrainment-Mechanismus für den zirkadianen Schrittmacher.»

Von der Fliege zum Menschen

Die Studie bestätigte auch, dass Drosophila ein hervorragendes Modell für die Untersuchung des zirkadianen Rhythmus beim Menschen ist, da sie mehrere neue zentrale Uhrengene identifizierte, die beide Spezies gemeinsam haben. «Wir haben einzigartige Erkenntnisse darüber gewonnen, inwieweit die zirkadiane Uhr nicht nur zwischen Individuen, sondern sogar zwischen Geweben desselben Individuums molekular variabel ist», sagt Deplancke.

«Natürlich werden wir solche Erkenntnisse beim Menschen nie erreichen können, da wir menschliche Gewebe nicht über 24 Stunden hinweg beproben können», fügt er hinzu, «aber was wir gelernt haben, ist, dass diese Variation sehr umfangreich ist. Angesichts der zunehmenden Bedeutung der Chronopharmakologie könnte es nützlich sein, den angeborenen zirkadianen Zyklus von Individuen zu ermitteln, bevor wichtige medikamentöse Behandlungen begonnen werden.»