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Molekularer Doppelschalter sorgt für das Funktionieren der inneren Uhr

03.01.2012 - (idw) Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg

Ein molekularer Doppelschalter der inneren Uhr ermöglicht Pilzen eine optimale Anpassung an Tag und Nacht. Das haben Forscher des Exzellenzclusters CellNetworks unter Federführung eines Wissenschaftlerteams am Biochemie-Zentrum der Universität Heidelberg entdeckt. Demnach schaltet ein morgen-spezifisches Uhrenprotein noch vor Sonnenaufgang etwa 400 Gene ein. Eines dieser Gene bewirkt die schnelle Herstellung eines Gen-Repressors, der wiederum eine andere Gruppe von etwa 800 abend-spezifischen Genen am Morgen abschaltet. Im Laufe des Tages wird das morgen-spezifische Uhrenprotein inaktiviert und der Repressor abgebaut. Heidelberg, 3. Januar 2012

Molekularer Doppelschalter sorgt für das Funktionieren der inneren Uhr
Heidelberger Forscher klären die tageszeitabhängige Aktivierung von Genen

Eine Art molekularer Doppelschalter der sogenannten inneren Uhr ermöglicht Pilzen eine optimale Anpassung an Tag und Nacht. Das haben Forscher des Heidelberger Exzellenzclusters CellNetworks unter Federführung eines Wissenschaftlerteams am Biochemie-Zentrum der Universität Heidelberg (BZH) entdeckt. Nach Erkenntnissen der Forscher schaltet ein spezielles morgen-spezifisches Uhrenprotein, der so genannte Gen-Aktivator oder auch Transkriptionsfaktor WCC, noch vor Sonnenaufgang etwa 400 Gene ein. Eines dieser morgen-spezifischen Gene bewirkt die schnelle Herstellung eines Gen-Repressors, der wiederum eine andere Gruppe von etwa 800 abend-spezifischen Genen am Morgen abschaltet. Im Laufe des Tages wird das morgen-spezifische Uhrenprotein inaktiviert und der Repressor wird abgebaut, so dass bis zum Abend die morgen-spezifischen Gene ab- und die abend-spezifischen Gene angeschaltet werden. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Molecular Cell veröffentlicht.

Bei der inneren Uhr handelt es sich um molekulare Schrittmacher, die in den Körperzellen nahezu aller Lebewesen gefunden werden und die den Stoffwechsel und das Verhalten an die Tageszeit anpassen. Da die innere Uhr auch in vollkommener Dunkelheit mit einer Periode von nahezu 24 Stunden schwingt, wird sie auch als circadiane Uhr bezeichnet (circa dian = etwa ein Tag). Je nach Tageszeit schaltet sie eine große Zahl von Genen an oder ab. Mit der äußeren Zeit wird sie durch Zeitgeber wie Licht synchronisiert. So wird beispielsweise der Schlaf-Wach-Rhythmus des Menschen maßgeblich von der inneren Uhr gesteuert ein Jetlag nach Reisen über mehrere Zeitzonen zeigt eine Diskrepanz zwischen der inneren und äußeren Zeit. Unklar war bislang, wie circadiane Uhren Gene zu verschiedenen Tageszeiten an- und abschalten.

Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Michael Brunner konnte diese Frage jetzt im Zusammenwirken mit Heidelberger Biowissenschaftlern am BZH und im Forschungszentrum BioQuant beantworten. Die Untersuchungen am Schimmelpilz Neurospora crassa, der den Wissenschaftlern als Modellorganismus zur Erforschung der inneren Uhr auf molekularer Ebene dient, fanden im Rahmen des in der Exzellenzinitiative geförderten Forschungsclusters CellNetworks und unter Verwendung neuester Technologien und Analysemethoden statt. Zum Einsatz kamen etwa Hochdurchsatzverfahren zur Entschlüsselung mehrerer hundert Millionen genetischer Bausteine durch Next-Generation Sequencing und die detaillierte molekulare Analyse der Zusammensetzung von Zellmembranen durch sogenannte Massenspektrometrie.

Im Zentrum des circadianen Systems von Neurospora steht der Transkriptionsfaktor WCC, ein Protein, das in direkter und indirekter Weise weit mehr als 1.000 Gene in Abhängigkeit von der Tageszeit an- oder abschaltet. WCC selbst besitzt einen speziellen Schalter, der auf Licht reagiert, und erlaubt dadurch die Synchronisation der inneren Uhr mit dem äußeren Tag. Gene, die direkt vom WCC reguliert werden, sind am Morgen aktiv. Eines dieser Gene vermittelt die Produktion des Repressors CSP1, der wiederum Gene, die nachts angeschaltet waren, am Morgen abschaltet. CSP1 reguliert unter anderem die Zusammensetzung der Zellmembran, so dass diese während des Tages, wenn es warm wird, steifer und während der kühleren Nacht flüssiger wird, um den optimalen Austausch von Stoffen zu gewährleisten.

Weitere Informationen sind im Internet unter www.uni-heidelberg.de/zentral/bzh zusammengestellt.

Originalveröffentlichung:
G. Sancar, C. Sancar, B. Brügger, N. Ha, T. Sachsenheimer, E. Gin, S. Wdowik, I. Lohmann, F. Wieland, T. Höfer, A. Diernfellner, M. Brunner: A global circadian repressor controls antiphasic expression of metabolic genes in Neurospora. Molecular Cell (9. Dezember 2011), 44(5), 687-97, doi: 10.1016/j.molcel.2011.10.019


Kontakt:
Prof. Dr. Michael Brunner
Biochemie-Zentrum der Universität Heidelberg (BZH)
Telefon (06221) 54-4207
michael.brunner@bzh.uni-heidelberg.de

Kommunikation und Marketing
Pressestelle, Telefon (06221) 54-2311
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