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Circadiane Rhythmen und molekulare Uhren

Die Forschungsgruppe des Heidelberger Biochemikers Professor Michael Brunner untersucht die molekularen Grundlagen der im 24-Stunden-Takt schwingenden inneren Uhr bei Neurospora crassa. Jetzt konnten die Forscher klären, wie der Pilz den Tag-Nacht-Rhythmus trotz störender Lichtsignale in der Nacht beibehält.

Neurospora crassa. In einer Rosette angeordnete Asci mit den durch H1-GFP angefärbten Zellkernen der Ascosporen. © N.B.Raju, Stanford University, für NIH. gov.

Neurospora crassa wurde unter Biologen über die kleine Zunft der Mykologen (Pilzforscher) hinaus bekannt, als die US-amerikanischen  Wissenschaftler George W. Beadle und Edward L. Tatum durch Untersuchungen an diesem unscheinbaren Schimmelpilz zu ihrer „Ein-Gen-ein-Enzym"-Hypothese gelangten, für die sie 1958 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurden. Das war ein Meilenstein der Molekularbiologie, auch wenn die Hypothese inzwischen längst überholt ist.

Seitdem wird dieser kleine filamentöse Pilz gern als Modellorganismus für genetische Untersuchungen verwendet: Er ist leicht im Labor zu halten und besitzt als Asci (Mehrzahl von Ascus) bezeichnete Vermehrungsorgane, in denen die Sporen einfach und übersichtlich angeordnet sind. In jedem Ascus teilen sich die Zellen nach erfolgter Meiose noch einmal mitotisch und bleiben dann genau in der Reihenfolge, in der sie entstehen, im Ascus-Schlauch liegen - wie Erbsen in der Hülse. Alle acht Ascosporen (die haploid und deswegen gut genetisch zu analysieren sind) können einzeln entnommen, kultiviert und untersucht werden.

Ein Pilz für die Erforschung der inneren Uhr

Prof. Dr. Michael Brunner © BZH

Der Biochemiker Prof. Dr. Michael Brunner hat N. crassa gewählt, um mit seiner Forschungsgruppe am Biochemie-Zentrum Heidelberg (BZH) die molekularen Grundlagen der inneren Uhr, die die Lebensrhythmen der Organismen mit dem durch die Erdrotation bedingten Tag-Nacht-Zyklus von 24 Stunden synchronisiert, zu untersuchen. Die meisten Lebewesen besitzen solche, mit einer Periode von 24 Stunden schwingenden „circadiane" Uhren (lateinisch: „circa" - um herum; „dies" - der Tag). Uns Menschen sind sie vor allem vertraut, weil sie den Schlaf-Wach-Rhythmus und die an Tageszeiten gebundenen Verhaltensweisen und  Stoffwechselaktivitäten kontrollieren. Dass wir eine circadiane Uhr besitzen, spüren wir besonders dann, wenn sie gegenüber der äußeren Zeit aus dem Takt geraten ist, beispielweise bei einem Jetlag nach Flugreisen über mehrere Zeitzonen.

Circadiane Uhren sind molekulare Oszillatoren, die innerhalb der Zellen von eukaryontischen Organismen die Expression einer großen Zahl von Genen in einem Rhythmus von ungefähr 24 Stunden kontrollieren. Dadurch bewirken sie, dass zahllose biochemische, physiologische und verhaltensbiologische Funktionen in einer tageszeitenspezifischen Weise ablaufen können. Circadiane Uhren bestehen aus einem Netzwerk miteinander verbundener, positiver und negativer Rückkopplungsschleifen, die die periodische Expression und Modifikation eines oder mehrerer Uhrenproteine bewirken. Diese circadianen Oszillationen werden ohne Beeinflussung durch die Umwelt mit einer Periodizität von ungefähr 24 Stunden aufrechterhalten.

Unter natürlichen Bedingungen wird die circadiane Uhr durch Umweltsignale - sogenannte „Zeitgeber" (ein Wort, das in der deutschen Form auch in die englische Fachsprache übernommen worden ist) - in der Weise beeinflusst, dass sie mit der 24-Stunden-Periode der Erdrotation synchronisiert wird. Die stärksten Zeitgeber sind Licht, Temperatur und Nahrungsstoffe. Brunners Forschungsgruppe am BZH der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg verwendet N. crassa als Modellorganismus, um den molekularen Mechanismus der circadianen Uhr zu verstehen, über den komplexe Expressionsprofile in zeitabhängiger Weise koordiniert werden.

Die molekulare Uhr von Neurospora crassa

Ein Schlüsselelement der circadianen Uhr von Neurospora ist das Gen „frequency" (frq). Die Expression dieses Gens oszilliert sowohl auf der Ebene der frq-RNA als auch der des FRQ-Proteins in einem circadianen Rhythmus; sie wird durch die Transkriptionsfaktoren White Collar-1 (WC-1) und WC-2 kontrolliert. WC-1 und WC-2 (die zur Gruppe der GATA-Typ Zinkfinger-Transkriptionsfaktoren gehören) lagern sich zu einem heterooligomeren Proteinkomplex, dem White Collar Complex (WCC), zusammen. Sie binden an zwei spezifische Elemente im frq-Promotor auf der DNA und aktivieren die Transkription der frq-RNA unter Kontrolle der inneren Uhr als auch die Transkription in Abhängigkeit von Licht. Das FRQ-Protein, ein dimeres Phosphoprotein, ist Bestandteil einer negativen Rückkopplungsschleife, welche die Synthese der eigenen frq-RNA inhibiert. Im Verlauf des Tages wird das FRQ-Protein immer stärker hyperphosphoryliert und abgebaut. In dem Maße, wie der Spiegel an FRQ-Protein absinkt, schwächt sich der negative Rückkopplungseffekt ab; der Spiegel an frq-RNA steigt an und eine neue circadiane Periode beginnt. Das FRQ-Protein wirkt aber nicht als Repressor seiner eigenen RNA, es aktiviert auch - in einer positiven Feedbackschleife - die Bildung von WC-1 und WC-2 (https://www.biooekonomie-bw.debzh.db-engine.de/default.asp?lfn=2573).

Eine molekulare Sonnenbrille stabilisiert die circadiane Uhr

Neurospora crassa; Hyphen © Mykologie, Universität Kaiserslautern

Der FRQ/WCC-Oszillator moduliert bei Neurospora die rhythmische Expression von etwa 1.000 Genen (das sind etwa zehn Prozent des ganzen Genoms), aber nur ein Bruchteil dieser Gene wird direkt durch den White Collar Complex auf Transkriptionsebene geschaltet. Wie das Netzwerk der von der inneren Uhr kontrollierten Gene organisiert und reguliert ist, bleibt Gegenstand intensiver Forschung.  

Unklar war bisher auch, wie die circadiane Uhr die Genexpression in einer präzisen 24-Stunden-Periodizität mit Licht als Zeitgeber synchronisieren kann, selbst wenn andere Lichtsignale aus der Umwelt, beispielsweise künstliche Beleuchtung oder Mondschein, den Rhythmus stören. Diese Frage haben Brunner und sein Team in Zusammenarbeit mit der ungarischen Wissenschaftlerin Dr. Krisztina Káldi vom Physiologischen Institut der Semmelweis Universität Budapest jetzt klären können. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Cell" veröffentlicht.

Die Lichtadaptation, die bei niedrigen Lichtintensitäten (zum Beispiel durch Mond- oder Lampenlicht) die Transkription unterdrückt, hängt vom Zusammenspiel zweier antagonistisch wirkender Fotorezeptoren ab: der LOV („light-oxygen-voltage")-Domäne des Transkriptionsfaktors WCC sowie dem Rezeptor VVD, der ebenfalls eine LOV-Domäne besitzt, die aber als negativer Regulator dient. Das Gen vvd wird bei Aktivierung von WCC exprimiert. Der von Brunner und Mitarbeitern entdeckte Regelkreis kann vereinfacht folgendermaßen beschrieben werden:

  • Bei Dunkelheit liegt der Transkriptionsfaktor und Lichtrezeptor WCC in einer inaktiven monomeren Form vor. Der Lichtrezeptor VVD wird nicht exprimiert.
  • Wenn bei Tagesanbruch die Helligkeit steigt, induziert das Licht die Dimerisierung und Aktivierung von WCC; dabei werden auch die beiden LOV-Domänen aneinander gebunden. Die Aktivierung von WCC führt zur Expression des negativen Regulator-Gens vvd sowie anderer lichtinduzierter Gene.
  • Für die Lichtadaptation bindet das durch Licht aktivierte Regulatorprotein VVD über seine LOV-Domäne an die LOV-Domäne von WCC und inhibiert so die Dimerisierung von WCC. Das wiederum führt zu einer Abnahme der Transkription von VVD und anderen lichtinduzierten Genen.
  • Das tagsüber produzierte VVD-Protein wirkt in der darauffolgenden Nacht als molekulares Gedächtnis für die Helligkeit des vorangegangenen Tages nach: Es verhindert die Dimerisierung und Aktivierung von WCC durch niedrige Lichtintensitäten. Wenn es am nächsten Morgen wieder hell wird, ist der größte Teil des VVD-Proteins abgebaut, so dass der Transkriptionsfaktor WCC wieder aktiviert werden kann.

Dieser Regelkreis sorgt also wie eine „molekulare Sonnenbrille“ dafür, dass die innere Uhr von Neurospora crassa Tag und Nacht nicht durch störende Lichtsignale wie Mondschein oder künstliche Beleuchtung verwechseln kann.

Glossar

  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Eukaryonten sind Organismen, deren Zellen einen Zellkern und Organellen besitzen. Zu den Eukaryonten gehören Protozoen (Einzeller), Algen, Pilze, Pflanzen und Tiere (einschließlich Mensch).
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Genexpression ist der Begriff für die Biosynthese eines Genprodukts (= Umsetzung der genetischen Information in Proteine). Sie erfolgt in der Regel als Transkription von DNA zu mRNA und anschließender Translation von mRNA zu Protein.
  • Das Genom ist die gesamte Erbsubstanz eines Organismus. Jede Zelle eines Organismus verfügt in Ihrem Zellkern über die komplette Erbinformation.
  • Die Meiose ist die Reife- und Reduktionsteilung bei der Bildung von Keimzellen (Ei- und Samenzellen). Die Meiose besteht aus zwei Schritten: Zuerst wird die diploide Chromosomenzahl halbiert (in menschlichen Zellen von 46 auf 23). Die nachfolgende Teilung findet ähnlich wie die normale Zellteilung, die Mitose, statt. Letztlich entstehen durch die Meiose vier haploide Keimzellen.
  • Mitose ist der Fachbegriff für die Zellteilung, bei der nach vorheriger Verdoppelung der DNA (Replikation) jede Tochterzelle einen vollständigen Chromosomensatz erhält.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Ein Promotor ist ein Abschnitt auf der DNA, der die Expression der dahinter liegenden Gene reguliert. Dies geschieht, indem DNA-bindende Proteine, so genannte Transkriptionsfaktoren, an den Promotor binden und so ein Startsignal für die RNA-Polymerase geben, welche eine mRNA-Kopie der Gene anfertigt.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Regulatorgene regulieren die Expression eines anderen Gens.
  • Rezeptoren sind Moleküle, die u. a. auf Zelloberflächen anzutreffen sind und die in der Lage sind, ein genau definiertes Molekül – ihren Liganden – zu binden. Das Zusammentreffen von Ligand und Rezeptor kann eine Abfolge von Reaktionen innerhalb der Zelle auslösen.
  • Die Ribonukleinsäure (Abk. RNS oder RNA) ist eine in der Regel einzelsträngige Nukleinsäure, die der DNA sehr ähnlich ist. Sie besteht ebenfalls aus einem Zuckerphosphat-Rückgrat sowie einer Abfolge von vier Basen. Allerdings handelt es sich beim Zuckermolekül um Ribose und anstelle von Thymin enthält die RNA die Base Uracil. Die RNA hat vielfältige Formen und Funktionen; sie dient z. B. als Informationsvorlage bei der Proteinbiosynthese und bildet das Genom von RNA-Viren.
  • Mit Transkription im biologischen Sinn ist der Vorgang der Umschreibung von DNA in RNA gemeint. Dabei wird mithilfe eines Enzyms, der RNA-Polymerase, ein einzelsträngiges RNA-Molekül nach der Vorlage der doppelsträngigen DNA synthetisiert.
  • Ein Transkriptionsfaktor ist ein Protein, dass die Herstellung einer RNA-Kopie eines Gens (Transkription) steuert. Transkriptionsfaktoren binden an bestimmte Sequenzen auf der DNA und interagieren mit der RNA-Polymerase, die dadurch ihre Transkriptionsaktivität verändert.
  • Biochemie ist die Lehre von den chemischen Vorgängen in Lebewesen und liegt damit im Grenzbereich zwischen Chemie, Biologie und Physiologie.
  • Die Molekularbiologie beschäftigt sich mit der Struktur, Biosynthese und Funktion von DNA und RNA und und deren Interaktion miteinander und mit Proteinen. Mit Hilfe von molekularbiologischen Daten ist es zum Beispiel möglich, die Ursache von Krankheiten besser zu verstehen und die Wirkungsweise von Medikamenten zu optimieren.
  • Die Expression ist die Biosynthese eines Genprodukts (= Umsetzung der genetischen Information in Proteine). Sie erfolgt in der Regel als Transkription von DNA zu mRNA und anschließender Translation von mRNA zu Protein.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • Physiologie ist die Lehre von den biochemischen und physikalischen Vorgängen in Zellen, Geweben und Organen der Lebewesen.
  • Eine Proteindomäne ist ein konservierter, strukturell abgegrenzter Bereich innerhalb der Polypeptidkette eines Proteins, der eine bestimmte Faltstruktur aufweist und dadurch meist auch eine individuelle Funktion besitzt. Proteine besitzen häufig mehrerer solcher Domänen, die in ihrer Gesamtheit die spezifische Funktion des Proteins bestimmen.
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