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Medizin-Nobelpreis 2017

Unsere Uhr tickt in der Zelle

Von Hilegard Kaulen
 - 17:32
Wann wir schlafen und wann wir wach sind, bestimmt ein Protein in unserem Körper. Bild: picture alliance / dpa, F.A.Z.

Der diesjährige Nobelpreis für Medizin geht an die Amerikaner Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash und Michael W. Young. Die drei Wissenschaftler werden für ihre Arbeiten zur zirkadiane Uhr geehrt. Mit dieser inneren Uhr stellen sich die Lebewesen auf den 24-stündigen Rhythmus aus Tag und Nacht ein, der durch die Rotation der Erdkugel bedingt wird. Jede Tageszeit hat ihre speziellen Anforderungen. Die zirkadiane Uhr hilft den Lebewesen dabei, ihren Stoffwechsel und ihr Verhalten an diese wechselnden tageszeitlichen Anforderungen anzupassen. In der Nacht während des Schlafs muss das Gehirn zum Beispiel keine Höchstleistungen erbringen und die Reaktionszeiten müssen in der Nacht auch nicht auf einem Höchstniveau gehalten werden. Auch Körpertemperatur, Blutdruck und Hormonlevel werden über die innere Uhr an den Tagesverlauf angepasst. Pflanzen steuern über die zirkadiane Uhr zum Beispiel ihre Photosynthese. Die entsprechende Maschinerie muss bei Licht auf Hochtouren laufen, nicht aber im Dunkeln.

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Die diesjährigen Nobelpreisträger haben gezeigt, dass der Uhren-Mechanismus aus einem stabilen Netzwerk von Genen und Proteinen besteht, die sich wechselseitig beeinflussen und regulieren. Über dieses Netzwerk wird sichergestellt, dass die zirkadiane Uhr konstant tickt, sich aber gleichzeitig auch auf Änderungen in der Umwelt einstellen kann. Das lässt sich zum Beispiel beim Jetlag beobachten. Nach dem Wechsel in eine andere Zeitzone sind die innere Uhr und der Tag-Nacht-Rhythmus in der neuen Zeitzone zunächst entkoppelt. Es dauert ein paar Tage, bis dass sich die innere Uhr an den neuen Tag-Nacht-Rhythmus gewöhnt hat.

Das Chronometer der Taufliege

Dass sich Lebewesen an wechselnde Umweltbedingungen anpassen, ist schon seit dem 18. Jahrhundert bekannt. Damals zeigte der französische Astronom Jean Jacques d’Ortous de Mairan, dass Mimosen ihre Blätter tagsüber nach der Sonne ausrichten, sie nachts aber wegklappen. Die Pflanzen behalten diesen Rhythmus auch noch ein paar Tage bei, wenn sie in völliger Dunkelheit gehalten werden. Sie müssen also eine innere, autarke Uhr besitzen, die zunächst auch bei veränderten Bedingungen weiter tickt.

Einen ersten Hinweis darauf, was die molekulare Basis dieser zirkadianen Uhr sein könnte, lieferten die Experimente von Seymour Benzer und Ronald Konopka in den 1970er Jahren. Die beiden hatten damals drei Mutanten der Taufliege Drosophila isoliert, deren innere Uhr ganz offensichtlich aus dem Takt geraten war. Benzer und Konopka vermuteten, dass ein defektes Gen die Ursache dafür sein müsste. Dieses Gen wurde dann einige Jahre später von Jeffrey Hall, Michael Rosbash und Michael Young isoliert und „Period“ genannt.

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Nach der Isolierung dieses Gens machten sich die drei Nobelpreisträger an die Entschlüsselung des Uhrwerks. Sie zeigten zunächst, dass die Konzentration des Period-Proteins im 24-Stunden-Rhythmus zu- und abnimmt und dass die Konzentration der dazugehörigen Botenribonukleinsäure ebenfalls einem zirkadianen Rhythmus folgt, allerdings zeitlich versetzt. Hall, Rosbash und Young schlossen daraus, dass die zirkadiane Uhr im Wesentlichen auf einem Rückkoppelungsmechanismus beruht, bei dem das Period-Protein seine eigene Produktion reguliert. Während des Tages wird zuerst das Peroid-Gen abgelesen. Die Botenribonukleinsäure wandert dann ins Zytoplasma und wird dort in das entsprechende Protein übersetzt.

In der Nacht, wenn die Proteinmenge am größten ist, macht sich das Period-Protein in den Zellkern auf und stoppt dort die Synthese seiner eigenen Botenribonukleinsäure. Mit dem Versiegen der Botenribonukleinsäure nimmt auch die Proteinkonzentration ab, so dass das Gen nicht mehr blockiert wird und die Synthese der Botenribonukleinsäure wieder anspringt. Damals kannte man solche Rückkoppelungsmechanismen zwischen Proteinen und ihren Genen noch nicht. Diese Entdeckung hat deshalb nicht nur der Chronobiologie einen wichtigen Schub gegeben, sondern auch anderen Bereichen der Molekularbiologie.

Wenn die innere Uhr aus dem Takt gerät

Michael Young hat später zwei weitere wichtige Uhren-Gen entdeckt. Sie erhielten den Namen „timeless“ und „doubletime“. Das Timeless-Protein hilft dem Period-Protein, in den Zellkern zu gelangen, um dort seine eigene Synthese abzuschalten. Das Doubletime-Protein sorgt dafür, dass das Period Protein schnell aus dem Weg geräumt wird, falls das für einen möglichst genauen 24-Stunden-Zyklus nötig ist. In den vergangenen Jahren sind viele weiterer Uhren-Gene und Uhren-Proteine entdeckt worden. Die wichtigsten Puzzlesteine haben allerdings die drei diesjährigen Nobelpreisträger beigesteuert.

Weil diese zirkadiane Uhr nicht nur den Schlaf-Wachrhythmus regelt, sondern eine Fülle von Stoffwechselprozessen, hat sie einen Einfluss auf das Wohlbefinden und die Gesundheit des Menschen. Ein Lebensstil, der ständig der inneren Uhr zuwider läuft, ist mit einem erhöhten Risiko für verschiedene Erkrankungen verbunden. Im Gespräch sind ein erhöhtes Risiko für Krebs, für neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer Demenz, Stoffwechselstörungen und chronische Entzündungen. Das Nobelpreis-Komitee hob bei seiner Begründung in Stockholm deshalb auch die Bedeutung dieser Forschung für die Medizin hervor.

Die Medizin-Nobelpreisträger 2017

Jeffrey C. Hall wurde 1945 in New York geboren. Er promovierte an der Universität Washington in Seattle und arbeitete kurzzeitig für das California Institute of Technology in Pasadena. Die meiste Zeit seiner wissenschaftlichen Karriere verbrachte er an der Brandeis Universität in Waltham. Seit einigen Jahren arbeitet er an der Universität Maine.

Michael Rosbash kam 1944 in Kansas City zur Welt. Er promovierte am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, verbrachte eine kurze Zeit an der Universität in Edinburgh und arbeitet seit 43 Jahren an der Brandeis Universität in Waltham, wo er eng mit Hall zusammengearbeitet hat.

Michael W. Young ist der Jüngste unter den drei Preisträgern. Er wurde 1949 in Miami geboren, promovierte an der Universität Texas, war kurzzeitig an der Stanford Universität tätig und arbeitet jetzt seit fast vierzig Jahren an der Rockefeller Universität in New York.

Quelle: F.A.Z.
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