Solange die tagaktiven Dinosaurier die Erde beherrschten, waren alle S\u00e4ugetiere nachtaktiv. Das \u00e4nderte sich erst, nachdem die gro\u00dfen R\u00e4uber ausgestorben waren. In der Folge wurden verschiedene S\u00e4ugetierlinien unabh\u00e4ngig voneinander tagaktiv. Doch wie konnte dieser Wechsel funktionieren, obwohl die zentrale innere Uhr im Gehirn weitgehend unver\u00e4ndert blieb? Eine Studie zeigt nun, dass der Tag-Nacht-Schalter in den Signalnetzwerken unserer Zellen kodiert ist. Hemmten die Forschenden den Signalweg bei M\u00e4usen, wurden die eigentlich nachtaktiven Tiere tags\u00fcber aktiv.<\/p>\n
Der wichtigste Taktgeber f\u00fcr unseren Tag-Nachtrhythmus befindet sich im Gehirn in einer Region namens Nucleus suprachiasmaticus. Diese Region ist bei allen S\u00e4ugetieren sehr \u00e4hnlich, egal ob sie tag- oder nachtaktiv sind. Erg\u00e4nzt wird diese zentrale Steuerung durch zahlreiche weitere innere Uhren in unseren Zellen. Diese basieren auf zirkadianen Genen, die je nach Tageszeit unterschiedlich aktiv sind und auf diese Weise steuern, wann wir beispielsweise m\u00fcde oder hungrig werden. Synchronisiert werden unsere inneren Uhren durch verschiedene Einflussfaktoren, darunter das durch die Augen wahrgenommene Licht, die Nahrungsaufnahme und die K\u00f6rpertemperatur.<\/p>\n
Doch warum sorgen die gleichen Signale je nach Tierart f\u00fcr entgegengesetzte Reaktionen? Warum ziehen sich einige Tiere bei Dunkelheit zum Schlafen zur\u00fcck, w\u00e4hrend andere erst dann richtig fit werden? Und wie konnten sich die tageszeitlichen Rhythmen bei vielen S\u00e4ugetieren nach dem Aussterben der Dinosaurier innerhalb evolution\u00e4r kurzer Zeitspannen von Nacht- zu Tagaktivit\u00e4t umstellen?<\/p>\n
Entgegengesetzte Synchronisation<\/p>\n
Diesen Fragen sind nun Forschende um Andrew Beale vom MRC Laboratory of Molecular Biology in Cambridge in Gro\u00dfbritannien auf den Grund gegangen. Dazu kultivierten sie zun\u00e4chst Zellen von M\u00e4usen, also einer nachtaktiven Spezies, und Menschen, einer tagaktiven Spezies. Dabei simulierten sie die tageszeitlichen Schwankungen der K\u00f6rpertemperatur und beobachteten die Aktivit\u00e4t der zirkadianen Gene.<\/p>\n
Das Ergebnis: Bei den Zellen beider Spezies synchronisierten die Temperaturschwankungen die zellul\u00e4ren inneren Uhren \u2013 allerdings auf entgegengesetzte Phasen. \u201eDie Temperatur\u00e4nderung l\u00f6ste bei Zellen von Menschen und M\u00e4usen entgegengesetzte Verschiebungen in der globalen Proteinsynthese und Phosphorylierung aus\u201c, berichtet das Team. Bei menschlichen Zellen f\u00fchrten niedrigere Temperaturen, wie sie typischerweise in der Nacht auftreten, zu einer geringeren Aktivit\u00e4t wichtiger Tagesrhythmus-Proteine. Bei M\u00e4usezellen dagegen kurbelten niedrigere Temperaturen die Aktivit\u00e4t an. Das gleiche Resultat zeigte sich bei den Zellen anderer tag- oder nachtaktiver S\u00e4ugetiere, darunter nachtaktiven Ratten und Lemuren und tagaktiven Schafen und Marmosett-Affen.<\/p>\n
Tagaktivit\u00e4t kann Energie sparen<\/p>\n
Weitere Analysen enth\u00fcllten die zugrundeliegenden Mechanismen auf molekularer Ebene. Demnach bildet der sogenannte mTOR-Signalweg eine Art zellul\u00e4ren Tag-Nacht-Schalter. Blockierten die Forschenden diesen Signalweg bei M\u00e4usen, verschob sich ihre Aktivit\u00e4tsphase von der Nacht in den Tag. Der gleiche Effekt trat auf, wenn die M\u00e4use zu wenig zu fressen bekamen. In diesem Fall fuhr ihr K\u00f6rper den mTOR-Signalweg herunter und die Tiere begannen, tags\u00fcber nach Nahrung zu suchen.<\/p>\n
Aus evolution\u00e4rer Sicht kann das ein lebensrettender Mechanismus sein: Denn n\u00e4chtliche Aktivit\u00e4t birgt zwar ein geringeres Risiko, von Raubtieren gefressen zu werden, kostet aber mehr Energie, um den W\u00e4rmeverlust in der kalten Nacht auszugleichen. \u201eTagaktivit\u00e4t kann eine Energiesparma\u00dfnahme darstellen, die bei knapper Nahrung das Pr\u00e4dationsrisiko der \u00fcberwiegt\u201c, erkl\u00e4rt das Forschungsteam. Statt wertvolle Energie f\u00fcr eine Futtersuche im Schutze der Nacht zu opfern, kann es also bei begrenzten Ressourcen sinnvoll sein, die etwas riskantere, aber daf\u00fcr energiesparendere Variante bei Tag zu w\u00e4hlen.<\/p>\n
Neue zeitliche Nische<\/p>\n
Den fr\u00fchen S\u00e4ugetieren bot die Tagaktivit\u00e4t nach dem Aussterben der Dinosaurier und damit dem Verschwinden ihrer gef\u00e4hrlichsten Fressfeinde eine neue \u00f6kologische Nische. Genomvergleiche verschiedener Arten zeigen, dass sich die Gene, die den mTOR-Signalweg regulieren, bei tagaktiven S\u00e4ugetieren schneller entwickelt haben als bei nachtaktiven \u2013 ein Hinweis auf ihre gro\u00dfe evolution\u00e4re Bedeutung. Zudem reagieren die beteiligten Gene bei tagaktiven S\u00e4ugern weniger empfindlich auf Temperaturschwankungen. \u201eAuch das steht im Einklang mit einer energiesparenden Anpassung\u201c, schreiben die Forschenden. \u201eDiese Ergebnisse decken eine genetische und biochemische Grundlage f\u00fcr den Wechsel von Nacht- zu Tagaktivit\u00e4t auf und unterstreichen, wie zellul\u00e4re Signalnetzwerke komplexe Ph\u00e4notypen wie die zeitliche Nischenauswahl kodieren k\u00f6nnen.\u201c<\/p>\n
Auch medizinisch k\u00f6nnten die neuen Erkenntnisse relevant sein: \u201eDas Verst\u00e4ndnis daf\u00fcr, wie tagaktive S\u00e4ugetiere dieselben Umweltsignale integrieren, um im Vergleich zu nachtaktiven S\u00e4ugetieren eine Umkehrung der organismischen und zellul\u00e4ren Physiologie zu erreichen, ist entscheidend f\u00fcr das Verst\u00e4ndnis der inneren Synchronit\u00e4t, die f\u00fcr die langfristige Gesundheit von zentraler Bedeutung ist\u201c, erkl\u00e4rt das Forschungsteam.<\/p>\n
Quelle: Andrew Beale (MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge, UK) et al., Science, doi: 10.1126\/science.ady2822<\/a><\/p>\n