Das Protein des „visuellen Systems“ scheint für die Stabilisierung des zirkadianen Rhythmus des Körpers von entscheidender Bedeutung zu sein

Wissenschaftler der Johns Hopkins University School of Medicine und der National Institutes of Health haben ein Protein im visuellen System von Mäusen identifiziert, das offenbar eine Schlüsselrolle bei der Stabilisierung des zirkadianen Rhythmus des Körpers spielt, indem es die Reaktion des Gehirns auf Licht puffert. Der Befund wurde am 5. Dezember veröffentlicht PLoS-Biologietreibt die Bemühungen voran, Schlafstörungen und Jetlag besser zu behandeln, sagen die Studienautoren.

Würden sich die zirkadianen Rhythmen an jede schnelle Änderung der Beleuchtung anpassen, beispielsweise an eine Sonnenfinsternis oder einen sehr dunklen und regnerischen Tag, wären sie bei der Regulierung periodischer Verhaltensweisen wie Schlaf und Hunger nicht sehr effektiv. Das von uns identifizierte Protein hilft dabei, das Gehirn während der neuronalen Entwicklung zu vernetzen, um von Tag zu Tag stabile Reaktionen auf Herausforderungen des zirkadianen Rhythmus zu ermöglichen.“

Alex Kolodkin, Ph.D., Professor am Johns Hopkins Department of Neuroscience und stellvertretender Direktor des Institute for Basic Biomedical Sciences

Kolodkin leitete die Studie gemeinsam mit Samer Hattar, Ph.D., Leiter der Abteilung für Licht und zirkadiane Rhythmen am National Institute of Mental Health.

Wissenschaftler wissen seit langem, dass die meisten Lebewesen über eine zirkadiane „Uhr“ verfügen, eine Reihe biologischer Rhythmen, die etwa in einem 24-Stunden-Zyklus ablaufen und sich neben anderen zyklischen Verhaltensweisen auf Wachsamkeit, Schläfrigkeit, Appetit und Körpertemperatur auswirken. Dieses System durcheinanderbringen -; beispielsweise durch Schichtarbeit oder Fernreisen über mehrere Zeit- und Lichtzonen beim Menschen –; kann schwerwiegende Folgen haben. Frühere Studien bringen anhaltende Störungen des zirkadianen Rhythmus mit einem erhöhten Risiko für Krebs, Depressionen und eine Vielzahl anderer medizinischer Probleme in Verbindung.

Zirkadiane Systeme werden im Wesentlichen durch Lichteinwirkung „trainiert“. Obwohl Forscher in den letzten Jahrzehnten erhebliche Fortschritte bei der Aufklärung der Mechanismen gemacht haben, die für den zirkadianen Rhythmus verantwortlich sind, bleibt unklar, wie das Gehirn für diesen Rhythmus verschaltet wird.

Um mehr zu erfahren, durchsuchten Kolodkin und Hattar zusammen mit den Erstautoren der Studie John Hunyara und Kat Daly und ihren Kollegen eine Datenbank nach biologischen Molekülen, die während der Entwicklung im Kontrollzentrum des Mausgehirns für zirkadiane Rhythmen vorhanden waren –; der suprachiasmatische Kern (SCN).

Das SCN befindet sich tief im Hypothalamus sowohl des Maus- als auch des menschlichen Gehirns. Es befindet sich in der Nähe von Bereichen, die das Sehvermögen steuern, und stellt Verbindungen zu Gehirnzellen her, die zur Netzhaut, dem lichtempfindlichen Teil des Auges, führen.

Das Forschungsteam konzentrierte sich schnell auf ein Zelloberflächenprotein namens Teneurin-3 (Tenm3), das zu einer größeren Familie von Proteinen gehört, die eine Schlüsselrolle beim Aufbau der Schaltkreise des visuellen Systems und allgemeiner bei anderen Schaltkreisen des Zentralnervensystems spielen.

Als die Forscher Mäuse genetisch veränderten, um die Tenm3-Produktion zu verhindern, entwickelten die Tiere im Vergleich zu Tieren mit intaktem Tenm3 weniger Verbindungen zwischen der Netzhaut und dem SCN. Allerdings entwickelten die Mäuse, denen Tenm3 fehlte, weitaus mehr Konnektivität zwischen Zellen im Kern und der Hülle des SCN, wo Tenm3 dazu neigt, sich zu lokalisieren.

Um zu sehen, wie Tenm3 den zirkadianen Rhythmus stabilisieren oder ihn auch nur durch eine winzige Menge Licht stören könnte, entwickelten die Wissenschaftler eine Reihe von Experimenten.

Zuerst trainierten sie Mäuse, denen Tenm3 fehlte, auf einen 12-stündigen Hell-Dunkel-Zyklus und verschoben dann die Dunkelperiode um sechs Stunden nach vorne. Mäuse mit intaktem Tenm3 brauchten etwa vier Tage, um ihren zirkadianen Rhythmus an die Verschiebung anzupassen, gemessen anhand von Aktivitätsmustern, die normale Schlafzyklen diagnostizieren. Die Tiere ohne Tenm3 passten sich jedoch viel schneller an, in etwa der Hälfte der Zeit.

Als die Forscher ein ähnliches Experiment mit doppelt so schwachem Licht wie im früheren Test durchführten, brauchten die Tenm3-intakten Mäuse etwa acht Tage, um ihre zirkadianen Zyklen anzupassen, bei den Mäusen ohne Tenm3 jedoch nur etwa vier Tage. Schon ein 15-minütiger Impuls schwachen Lichts löste bei den Mäusen, denen Tenm3 fehlte – nicht jedoch bei den Mäusen mit normalem Tenm3-Protein – aus; um eine Gehirnchemikalie zu produzieren, die als Stellvertreter für die Lichtexposition dient, was auf eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Lichtreizen hindeutet, die zum Einstellen oder Zurücksetzen der zirkadianen Uhr erforderlich sind.

Diese Ergebnisse legen den Autoren nahe, dass Tenm3 dabei hilft, das Gehirn so zu verdrahten, dass es stabile zirkadiane Rhythmen aufrechterhält, selbst wenn die Lichteinwirkung schwankt. Indem sie mehr über dieses System und die Rolle von Tenm3 erfahren, könnten Forscher laut Hattar möglicherweise Störungen diagnostizieren und behandeln, die bei Menschen zu Schlaflosigkeit und anderen Schlafstörungen führen, oder möglicherweise Behandlungen gegen Jetlag entwickeln.

„Es gibt ganz klare Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit“, sagt er.

Zu den weiteren Johns-Hopkins-Forschern, die zu dieser Studie beigetragen haben, gehört Katherine Torres.

Diese Studie wurde durch Zuschüsse des NIH (R01EY032095) und des Intramural Research Program am NIMH (ZIAMH002964) finanziert.