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Chronobiologie
 Chronobiologie ist die Lehre von der Veränderung des Körpers mit den Tages- und Jahreszeiten. Die relativ junge Wissenschaft beschäftigt sich mit Erscheinungen wie Frühjahrsmüdigkeit und Winterdepressionen. Einige Medi-kamente sollen besser wirken, wenn sie zu bestimmten Tageszeiten eingenom-men werden. Zur Chronobiologie gehört auch der (->) Bio-Rhythmus.
Wie tickt unsere biologische Uhr (Quelle: vdbiol.de) Beispiele und Leistungen der biologischen Tagesuhr Entdeckung der inneren Tagesuhr Die Erforschung circadianer Systeme muß zwei wichtige Fragenkomplexe beantworten: Wo ist der rhythmusgenerierende Oszillator, der "Schrittmacher" lokalisiert und wie funktioniert er? Und: Was sind die exogenen Zeitgeber und wie wirken sie auf die innere Uhr? Lokalisation der inneren Uhr bei Pflanzen und Tieren Innere Uhr bei Einzellern und molekulare Analyse Der marine Dinoflagellat Gonyaulax polyedra zeichnet sich durch ein besonders eindrucksvolles zeitökologisches Programm aus, das gleichzeitig eine molekulare Analyse der inneren Uhr erlaubte: Bereits eine Stunde vor Sonnenaufgang steigen diese Einzeller an die Wasseroberfläche, wo sie dichte Schwärme bilden und mit Tagesbeginn Photosynthese betreiben. Die Zellaggregationen können bei günstigen Temperatur- und Nährstoffbedingungen zu großen Teppichen anwachsen ('red tide'). Noch vor Sonnenuntergang sinken die Einzeller wieder in die Tiefe. Während der Nacht produzieren sie dort mit Hilfe des Luziferasesystems biochemisch Licht, vermutlich um ihre Freßfeinde, Copepoden, abzuwehren. Dieses Verhaltensprogramm verläuft auch im Labor unter konstanten Bedingungen rhythmisch weiter. Verantwortlich für die circadiane Biolumineszenz ist die nächtliche Akkumulation von Luziferin, Luziferase und einem Luziferase-Bindeprotein. Die circadiane Regulation der Akkumulation dieser Stoffe läuft über die Translation des Luziferase-Bindeproteins. Während des Tages wird die Translation der stets vorhandenen mRNA für das Bindeprotein durch Repressormoleküle unterdrückt. Diese werden vermutlich im Laufe des Tages abgebaut, so daß am Abend die Translation wieder einsetzt. Wie die Rückkoppelung in dem molekularen Regelkreis im einzelnen verläuft, ist bei diesem Modellorganismus noch nicht bekannt. Es zeigte sich aber, daß ein zweiter Schrittmacher existieren muß: Die Biolumineszenz und die vertikale Wanderung werden von einem Schrittmacher, das Aggregieren der Zellen, die phototaktische Orientierung und vermutlich auch die Photosynthese von einem anderen Schrittmacher kontrolliert. Beide reagieren unterschiedlich gegenüber Rot- und Blaulicht. Dadurch können ihre Rhythmen sogar von einander getrennt werden. Obwohl mit dem Dinoflagellaten Gonyaulax polyedra viele wertvolle Erkenntnisse erarbeitet werden konnten, ist er für die detailliertere molekulare Erforschung des circadianen Systems wegen seiner großen DNA-Mengen z. Zt. ungeeignet. Innere Uhr bei Pflanzen und molekulare Analyse Die Regelung der Proteinsynthesen für die Lichtsammelkomplexe (engl. Abkürzung 'Lhc') in den Thylakoidmembranen der Chloroplasten erfolgt sowohl bei der Transkription als auch bei der Translation der zugrunde liegenden, kernkodierten Gene. Bei der Tomate sind derzeit 19 derartige Lhc-Gene bekannt. Die Erforschung dieser Gene konzentriert sich zur Zeit auf die Analyse ihrer Promotoren. Es zeigte sich, daß bestimmte, kurze Sequenzen dieser Promotoren für die circadiane Steuerung der Transkription verantwortlich sind. Wenn diese Promotorbereiche zusammen mit Genen, die normalerweise keiner rhythmischen Expression unterliegen, in Pflanzen transferiert werden, unterliegen diese Markergene in den transgenen Pflanzen der circadianen Kontrolle, d.h., rhythmische mRNA-Akkumulation wird sichtbar. Die Suche nach den spezifischen Transkriptionsfaktoren, die an diese Promotorsequenzen binden und so zu einer rhythmischen auf den Vormittag konzentrierten Expression führen, wird derzeit intensiv betrieben. Molekuare Mechanismen der inneren Uhr Bei Drosophila wirken in ganz ähnlicher Weise die Uhren-Gene period (per) und timeless (tim) sowie clock und cycle zusammen. Sie betreffen die Periodenlänge des Aktivitätsrhythmus bzw. des Schlüpfrhythmus. Die Proteine der Gene clock und cycle bilden einen Dimer, der den aktivierenden Transkriptionsfaktorkomplex darstellt, und die Proteine von per und tim bilden einen Dimer, der die Aktivatoren ihrer eigenen Expression inhibiert. Wie bei Neurospora sind Phosphorilierung und eine zeitabhängige Lokalisierung im Cytosol bzw. im Zellkern Voraussetzung für den geregelten Ablauf des negativen Rückkopplungskreises. Bei Mäusen wurden 'Uhren'-Mutanten gezüchtet, deren circadiane Periode der Laufradaktivität vom Wildtyp abweicht. Erstaunlicherweise wurden hier Gene gefunden, die ähnlich sind wie die der Rückkopplungsschleife von Drosophila. In der Maus existieren im Gegensatz zur Taufliege mehrere per- und tim-Gene, deren genaue Funktion im Uhrwerk noch aufgeklärt werden muß. Die geschilderten Ergebnisse lassen das molekulare Uhrwerk als eine einfache selbstregulierende Rückkopplungsschleife auf der Ebene der Genexpression erscheinen, die sogar im Laufe der Evolution zumindest im Tierreich konserviert wurde. Es gibt allerdings Hinweise, daß dieses Modell zu einfach konzipiert ist. Wie bei Gonyaulax beschrieben, können mehrere Oszillatoren in einer einzelnen Zelle das tageszeitliche Programm kontrollieren. Darüber hinaus wird immer klarer, daß auch außerhalb des eigentlichen circadianen Oszillators Rückkopplungsschleifen existieren. So sind Elemente der Lichteingänge zum Oszillator selbst unter circadianer Kontrolle - ihr Antwortverhalten auf Lichtreize verändert sich im Laufe des circadianen Zyklus. Auch Ausgänge des circadianen Systems können den Lauf des Oszillators beeinflussen (Abb. 4). Diese Komplexität der in sich verschachtelten Rückkopplungen sorgt wahrscheinlich für die Robustheit und die Präzision der Rhythmik und für eine Abschirmung vor Einflüssen, die den Ablauf der biologischen Zeit 'stören' könnten wie Temperatur-, Energie- oder Nährstoffveränderungen. Es gibt sogar experimentelle Hinweise dafür, daß die geschilderten molekularen Elemente Teile dieser kontrollierenden Rückkopplungsschleifen sein könnten und nicht notwendigerweise Elemente des Rhythmusgenerators selbst. Auch wenn sich die zellulären und molekularen Mechanismen als wesentlich komplexer herausstellen als bisher angenommen, wurde durch die Charakterisierung der Uhren-Gene in Neurospora, Drosophila und der Maus eine wichtige Basis zur Erforschung dieses fundamentalen biologischen Phänomens geschaffen. Bedeutung chronobiologischer Erkenntnisse für den Menschen Eine der vielen Aufgaben der inneren Tagesuhr besteht in der Messung der Tageslänge (Photoperiode) im Jahresverlauf. Diese Information ist für eine weitere biologische Uhr wichtig - die circa-annuale Uhr. Sie ist für die zeitliche Programmierung des Jahresablaufs verantwortlich. Auch die Information über die natürliche Tageslänge, also die Jahreszeiten, ist durch die modernen Tagesabläufe nur noch ein schwaches Signal für die zeitlichen Programme unseres Körpers. Da die Eigenschaften der individuellen circadianen Uhr von Genen bestimmt werden und somit vererbt werden können, gibt es in der Bevölkerung eine Verteilung verschiedener 'Chronotypen'. Manche Menschen sind sogenannte 'Eulen' - sie gehen gerne spät zu Bett und haben Schwierigkeiten, früh aufzustehen. Andere sind 'Lerchen', die schon frühmorgens fit und aktiv sind, dafür aber früher am Abend zu Bett gehen. Die Ausprägung dieser Chronotypen beginnt bereits in der Kindheit - nur während der Pubertät sind die meisten Jugendlichen tendenzielle Eulen - als Kinder und als Erwachsene sind sie jedoch ihr vererbter Chronotyp. Berücksichtigt man diese Chronotypen und ihre Entwicklung in der Jugend, wird verständlich, daß die Mehrzahl der Schulkinder in der Pubertät Schwierigkeiten hat morgens 'auf Touren zu kommen'. Eine Folge dieses erzwungenen täglichen 'Kaltstarts' (viele Jugendlichen frühstücken nicht) können körperliche Beschwerden sein, und viele weisen eine verminderte Konzentrationsfähigkeit auf. Studien haben gezeigt, daß sich Gesundheitszustand und Leistungen aller Jugendlichen erheblich verbessern, wenn der Schulbeginn - vor allem im Winter - um nur eine Stunde verschoben wird. Viele medizinische Diagnosen berücksichtigen weder die Tageszeit der erhobenen Befunde noch den Chronotypus des jeweiligen Patienten. Hier könnten die Erkenntnisse der Chronobiologie zu wesentlich genaueren Diagnosen führen. Das circadiane System wird mit zunehmendem Alter schwächer und weniger präzise. Dies kann zu Schlaf- und Aktivitätsproblemen führen. Da sich das Lebensalter immer mehr erhöht, betreffen diese Probleme eine immer größere Anzahl von Menschen. Diese wenigen Beispiele sollten zeigen, daß das zeitliche Programm der inneren Uhr und ihre Störungen für den Organismus, die Population und sogar für das Ökosystem schwerwiegende Folgen haben kann. Um diese Folgen überhaupt erkennen zu können, brauchen wir ein weiterreichendes Verständnis über die Mechanismen und Zusammenhänge zeitlicher Strukturen in der Biologie. LINKS |
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