Taktgeber für die Siesta

Innere Uhren müssen flexibel sein und sich wechselnden Umweltbedingungen anpassen können. Anders wäre es beispielsweise nicht möglich, dass Lebewesen ihr Aktivitätsmuster verändern, wenn die Tage, wie jetzt, wieder kürzer werden. Schließlich braucht die Taufliege Drosophila zumindest in unseren Breiten im Herbst keine lange Siesta mehr, um sich, wie im Hochsommer, vor zu großer Hitze und Fressfeinden zu schützen. Gleichzeitig muss sie ihr abendliches Aktivitätshoch um ein paar Stunden nach vorne verlegen, will sie nicht in der Dunkelheit umherschwirren.

Damit die Taufliege sich auf veränderte Tag-Nacht-Rhythmen einstellen kann, muss ihre innere Uhr externe Signale, so genannte Zeitgeber, verarbeiten und damit die molekularen und physiologischen Eigenschaften des Organismus synchronisieren können. Der wichtigste Zeitgeber, auf den sie dabei zugreift, ist das Licht.

Publikation in Current Biology

Wie Licht, Photorezeptoren und innere Uhren der Taufliege zusammenarbeiten, erforschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) schon seit Langem am Lehrstuhl für Neurobiologie und Genetik. Jetzt haben die Lehrstuhlinhaberin Charlotte Förster und ihr früherer Mitarbeiter Matthias Schlichting, der mittlerweile an die Brandeis University (Massachusetts, USA) gewechselt ist, neue und überraschende Details dieses Zusammenspiels entschlüsselt. Die Ergebnisse ihrer Arbeit stellen sie in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Current Biology vor.

„Bei Säugetieren ermöglicht eine Kombination aus dem traditionellen Photorezeptorweg, also den Stäbchen und Zapfen der Netzhaut, und dem zirkadianen Photorezeptor Melanopsin in retinalen Ganglienzellen eine Feinabstimmung der Uhrensynchronisation“, erklärt Charlotte Förster. Einen vergleichbaren Mechanismus gebe es bei der Taufliege Drosophila: „Bei ihr kooperieren bei der Lichtsynchronisation die Facettenaugen mit den extraretinalen „Hofbauer-Buchner“-Äuglein und dem zirkadianen Photorezeptor Cryptochrom, fasst die Professorin das zentrale Ergebnis der jetzt veröffentlichten Studie zusammen.

Wie der Photorezeptor Cryptochrom arbeitet, ist aus früheren Studien bekannt. Er sitzt in speziellen Nervenzellen, den sogenannten Uhrneuronen, interagiert bei Belichtung mit dem Uhrprotein Timeless und sorgt so dafür, dass dieses Protein abgebaut wird. Bildlich gesprochen setzt er damit die Uhr auf Null zurück. Weniger gut verstanden ist hingegen, wie die Augen der Taufliege und die Uhrenneuronen sich untereinander austauschen und wie die unterschiedliche Tageslänge vermittelt wird.

Experimente mit unterschiedlichen Helligkeitsphasen

Für ihre Studie haben die Wissenschaftler mit unterschiedlichen Exemplaren von Taufliegen gearbeitet. Zum Einsatz kamen gesunde Tiere, Tiere ohne Augen und Tiere, denen bestimmte Sehfarbstoffe, sogenannte Rhodopsine, des Auges fehlten. Sie wurden in den Experimenten im Labor unterschiedlichen Lichtverhältnissen ausgesetzt: Bei einer konstanten Tagesdauer von 24 Stunden verlängerten die Forscher die Helligkeitsphase in Zwei-Stunden-Schritten von zwölf bis maximal 20 Stunden und beobachteten dabei die Aktivitätsmuster der jeweiligen Fliegengruppen.

Was sich dabei zeigt: Mit der Länge der Helligkeit verändert sich die Aktivität der Tiere. Wechseln sich helle und dunkle Phasen regelmäßig alle zwölf Stunden ab, was einem typischen Tag am Äquator entspricht, werden gesunde Fliegen zwei Mal aktiv – jeweils um die Zeit des „Sonnenaufgangs“ herum sowie vor dem simulierten „Sonnenuntergang“. Werden die Tage länger, verschiebt sich auch die abendliche Aktivität nach hinten, und die „Siesta“ – die mittägliche Ruhephase – wird länger. Was dabei allerdings auffällt: Mit zunehmender Dauer der Helligkeitsphasen weicht das abendliche Aktivitätshoch der Taufliegen vom simulierten Sonnenuntergang ab, liegt teilweise deutlich davor. Ist es 20 Stunden lang hell, ist die Abweichung am größten – vermutlich weil die Tiere mit solchen Zuständen in ihrem natürlichen Umfeld nie konfrontiert werden.

Entdeckung im Facettenauge

Bei der Suche nach den molekularen und neuronalen Mechanismen, mit denen die Taufliege ihre innere Uhr quasi „nachjustiert“, mussten die Neurobiologen zahlreiche Experimente durchführen. Dass die Facettenaugen dabei eine wichtige Rolle spielen, zeigten Versuche mit Tieren, denen diese Augen fehlten. Deren Aktivitätshoch wanderte zwar ebenfalls mit der zunehmenden Tageslänge nach hinten, aber bei weitem nicht so stark wie bei sehenden Exemplaren. Welche Rezeptorzelle und welcher Sehfarbstoff dafür verantwortlich ist – in jeder Facette des Fliegenauges gibt es immerhin acht Rezeptorzellen und fünf Rhodopsine – zeigten weitere Experimente, in denen diese Zellen gezielt einzeln abgeschaltet wurden, so lange, bis klar war: Es müssen Rezeptorzelle 8 und die dort vorkommenden Rhodopsine 5 und 6 sein.

Anschließend untersuchten die Wissenschaftler, über welche Wege das Lichtsignal ins Gehirn der Taufliege und von dort zu den Uhrneuronen gelangt. Das überraschende Ergebnis dabei: Während das Signal bei „gemäßigten“ Helligkeitsphasen über sogenannte „kleine laterale Uhrneurone“ transportiert wird, läuft es in den Experimenten, in denen es 20 Stunden lang hell war, über „große laterale Uhrneurone“. „Obwohl die innere Uhr der Taufliege mit gerade einmal 150 Uhrneuronen vergleichsweise klein ist, ist das Gesamtsystem dennoch enorm plastisch“, fasst Charlotte Förster das Ergebnis dieser Studie zusammen. Diese neuronale Plastizität sei allerdings notwendig, damit sich auch diese Tiere schnell an unterschiedliche Bedingungen anpassen können.

Originalpublikation

Schlichting et al., Light-Mediated Circuit Switching in the Drosophila Neuronal Clock Network, Current Biology. (2019), https://doi.org/10.1016/j.cub.2019.08.033

Kontakt

Prof. Dr. Charlotte Förster, Lehrstuhl für Neurobiologie und Genetik, T: +49 931 31-88823, charlotte.foerster@biozentrum.uni-wuerzburg.de