Einfluss auf die innere Uhr: Intensives Licht macht schläfrig

Mit zunehmender Intensität des Sonnenlichts wächst das Schlafpensum

Bei vielen Menschen führt das mangelnde Licht in den Wintermonaten dazu, dass sie müde und antriebslos werden. Bestimmte Insekten jedoch werden schläfrig, wenn das Sonnenlicht besonders intensiv ausfällt. Das haben Forscher nun herausgefunden.

Auswirkungen unterschiedlicher Lichtintensitäten auf den Tag-Nacht-Rhythmus

Gesundheitsexperten raten meist dazu, auf ausreichendes Licht zu achten, da einen sonst schnell die Müdigkeit einholt. Bei bestimmten Insekten hingegen wächst mit zunehmender Intensität des Sonnenlichts das Schlafpensum, die Mittagspause verlängert sich und die Wiederaufnahme der Aktivität verschiebt sich in den Abend hinein. Zu diesem Ergebnis kommen Forscher aus Deutschland und den USA, die untersucht hatten, welche Auswirkungen unterschiedliche Lichtintensitäten auf den Tag-Nacht-Rhythmus der Taufliege Drosophila haben.

Innere Uhr wird synchronisiert

„Wir konnten zeigen, dass Licht geringer, mittlerer und hoher Intensität auf unterschiedlichen, spezifischen Wegen die innere Uhr im Gehirn der Fliege auf den 24-Stunden-Tag synchronisiert“, erklärte Prof. Dr. Charlotte Helfrich-Förster von der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) in einer Mitteilung.

Gemeinsam mit ihrem ehemaligen Doktoranden Dr. Matthias Schlichting, der jetzt im Labor des Nobelpreisträgers für Physiologie 2017, Michael Rosbash, an der Brandeis University in Waltham, Massachusetts (USA) forscht, hat sie die Studie geleitet.

Die Ergebnisse des Teams wurden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „The Journal of Neuroscience“ veröffentlicht.

Verzögerter Start in die üblichen Abendaktivitäten

Die Experimente zeigen, dass Licht hoher Intensität das Verhaltensmuster von Taufliegen deutlich beeinflusst. Auffällig war dabei vor allem eine deutlich verlängerte „Siesta“ der Taufliege um durchschnittlich etwa eine Stunde, mindestens jedoch um 30 Minuten.

Damit einher ging ein verzögerter Start in die üblichen Abendaktivitäten, die von den Fliegen in der Regel mit einer Verspätung von ein bis zwei Stunden aufgenommen wurden.

Auch den für diese Verhaltensänderungen auf molekularer Ebene Verantwortlichen konnten die Forscher identifizieren: spezielle Fotorezeptoren außerhalb der Netzhaut, die unter dem Namen Hofbauer-Buchner-Äuglein oder HB eyelets bekannt sind.

Diese mikroskopisch kleinen „Zusatzaugen“ – jedes von ihnen besteht aus gerade einmal vier Sinneszellen – sind erst seit 30 Jahren bekannt. Entdeckt wurden sie 1989 von den Würzburger Biologen Alois Hofbauer und Erich Buchner.

Durch hohe Lichtintensitäten wird die Siesta der Fliegen verstärkt

„Wir konnten erstmals zeigen, dass die Hofbauer-Buchner-Äuglein auf hohe Lichtintensitäten reagieren und die Siesta der Fliegen verstärken“, sagte Helfrich-Förster.

Der Signalweg, den sie dabei einschlagen, ist mehrstufig: Über spezifische Acetylcholinrezeptoren wirken die HB eyelets auf eine Untergruppe der Uhr-Neuronen ein, was deren Calcium-Spiegel erhöht.

Als Konsequenz schütten die Neuronen im rückwärtig gelegenen Teil des Fliegengehirns ein spezielles Neuropeptid aus – den „Pigment-Dispersing Factor“ (PDF).

Dort beeinflusst PDF die Aktivität weiterer Uhr-Neuronen, die die Ausprägung der Siesta regulieren und den Beginn der Abendaktivität steuern.

Nach Ansicht der Wissenschaftler ist diese Reaktion auf starken Lichteinfall bei der Taufliege sinnvoll.

„Dies ist ein wesentlicher Mechanismus um starkes, eventuell schädliches Licht während der Mittagszeit zu vermeiden“, erklärte die Neurobiologin.

Schließlich gehen hohe Lichtintensitäten häufig mit heißen Sommertagen einher, die insbesondere für Insekten gefährlich sein können – zum einen, weil sie rasch austrocknen könnten, zum anderen weil sie im hellen Tageslicht leichter von ihren Fressfeinden entdeckt werden.

Vergleichbare Strukturen beim Menschen

Um die Möglichkeit auszuschließen, dass nicht die intensive Lichteinstrahlung, sondern möglicherweise die damit verbundene Wärmeentwicklung Auslöser des verlängerten Mittagsschlafs ist, haben die Forscher zur Kontrolle ihre Experimente auch an speziellen, gentechnisch veränderten Fliegen durchgeführt.

Deren innere Uhr reagiert nicht mehr auf Temperaturveränderungen, aber trotzdem zeigen die Fliegen noch das veränderte Verhalten. Dies spricht dafür, dass der Lichteintrag verantwortlich für den verlängerten Mittagsschlaf und die späte Abendaktivität ist.

Laut den Autoren zeigen die Ergebnisse ihrer Studie „überraschende Parallelen zu Säugetiermechanismen“.

Auch Säugetiere – und übrigens auch Menschen – besitzen spezialisierte Fotorezeptoren, die starkes Licht wahrnehmen, und ihre Signale direkt zur inneren Uhr in einen speziellen Bereich des Zwischenhirns (Hypothalamus) leiten.

Ob deren Aktivierung allerdings auch beim Menschen zu einer Verlängerung der Siesta führt, sei nicht bekannt. Die Wissenschaftler halten es aber für durchaus möglich. (ad)

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Unterbrechung des zirkadianen Rhythmus als Risikofaktor für Krankheiten: Ein Zusammenprall zwischen dem modernen Lebensstils und unserer biologischen Uhr führen zu der Entwicklung von Adipositas und Brustkrebs

USC-Wissenschaftler berichten, dass ein neuartiger Zeit-keeping-Mechanismus in der Leber Zellen, die hilft, sustain-Taste, Orgel Aufgaben, die dazu beitragen können, Krankheiten, wenn seine Natürliche Rhythmus ist gestört.

Diese doppelte Funktion der nukleären rezeptor-protein HNF4A bietet eine mögliche Erklärung für Erkrankungen wie diabetes und Krebserkrankungen. Es hilft auch erklären, warum diese Krankheiten sind häufiger bei Menschen mit einer gestörten Schlafes, einschließlich Nachtschicht-Arbeiter, Stadtbewohner und internationaler jet-setter.

Zirkadianen Rhythmen werden geleitet von inneren Uhren in Zellen, die Organismen befähigen, die Anpassung an Tag und Nacht-Zyklen. Störungen in diesem Zyklus können zu gesundheitlichen Problemen führen bei Menschen, so die Wissenschaftler studieren Zelle Verhalten, um zu sehen, wie die unterbrochene Uhr die Krankheiten verursachen können-ein wichtiger Schritt in Richtung gezielte medizinische Behandlungen.

„Epidemiologische Studien sind durchweg enthüllt mehr und mehr die Verbindung zwischen modernem lebensstil und unsere innere biologische Uhr, und wenn diese beiden aufeinander prallen, kann es führen, um die Entwicklung von Krankheiten wie Fettleibigkeit und Brustkrebs,“ sagte Steve Kay, director of konvergente Biowissenschaften und Provost Professor für Neurologie, Biomedizinische Technik und Biologischen Wissenschaften an der USC Michelson-Zentrum für Konvergente Biowissenschaften. „Diese Studie geht über die Epidemiologie zu erforschen, die Mechanismen von circadianen Störungen als Risikofaktor für bestimmte Krankheiten.“

Die Forschungsarbeit erscheint in den Proceedings of the National Academy of Sciences. Es ist unter den ersten, die Forschung Papiere zu kommen die Ermittler arbeiten in der neuen USC-Michelson-Center.

Der Wissenschaftler entdeckte die HNF4A, ein bekanntes protein, vermutlich beteiligt an der embryonalen Entwicklung von Leber, Niere und Darm. Das team untersucht Leber-und Kolon-Zellen von Mäusen und Menschen, und unerwartet entdeckt, dass HNF4A ist eng gebunden an die circadiane Uhr in diesen Organen. Sie fanden, dass das protein unterdrückt den Betrieb von CLOCK und BMAL1, die als Schlüssel molekularen Rädchen, die circadiane Rhythmen bei Säugetieren.

In den Zellkern, nukleäre Rezeptoren empfangen Chemische Signale aus der Zelle und partner mit anderen Proteinen zu entfesseln, die bestimmte Gene regulieren Zell-Entwicklung, Homöostase und Stoffwechsel. Die Rezeptoren wirken an der Kreuzung der zellulären schaltkreise durch die Integration von Informationen, die notwendig für die normale Zellfunktion. Kernrezeptoren sind potentielle Ziele für Medikamente zur Bekämpfung von Krankheiten, einschließlich der reproduktiven Erkrankungen, Entzündungen, Krebs, diabetes, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Adipositas. Die Forscher gefunden zum ersten mal, dass die innere Uhr moduliert täglichen Zyklen von HNF4A die klassischen Funktionen wie eine nuklear-rezeptor.

„Im inneren der Zelle, die Zahnräder der Uhr sind universal, aber die Zeiger der Uhr sind spezifisch für jedes organ, so wie die Uhr macht seine Arbeit in jeder Zelle ist unterschiedlich,“ erklärt Kay. „Also, in der Leber, sahen wir uns an Gewebe-spezifische Proteine und fand, dass HNF4A gebunden ist an die circadiane Uhr geregelt, die Uhr und die Zyklen mit der Uhr, die wiederum reguliert die Uhr. Das ist die neue Erkenntnis hier, und es ist ein großer Sprung nach vorne.“

Meng Qu, wissenschaftlicher Mitarbeiter des Michelson-Center und den ersten Autor der Studie, sagte: „Mutationen in [der] HNF4A-gen sind bekannt, dazu beitragen, eine seltene erbliche form des diabetes genannt, MODY1, und Ihr Ausdruck dysregulation wurde eng mit Krebs der Leber, beide mit Mechanismen, die wir nicht vollständig verstehen. Unsere Entdeckung legt nahe, die Uhr Unterbrechung könnte ein möglicher Mechanismus, und stellt eine Brücke zwischen der zirkadianen Regulierung und Entwicklung der Krankheit.“

Kay fügte hinzu: „Die Studie wird uns helfen zu verstehen, wie die Störung unseres hoch entwickelten circadianen lebensstil macht uns krank. Menschen werden nicht entwickelt hat, für Nachtarbeit, nächtliche Lichter-und Interkontinental-Reisen. Modern-Leben-Herausforderungen für unser circadiane system präsentieren eine langfristige Bedrohung für unsere Gesundheit. Jetzt können wir sehen, wie HNF4A ist ein neues Kapitel in einem Buch, das größtenteils leere Seiten, es gibt so eine Geschichte Anfang, wie füllen wir in eine große leere Stelle.“