Der wichtigste Taktgeber für unseren Tag-Nachtrhythmus befindet sich im Gehirn in einer Region namens Nucleus suprachiasmaticus. Diese Region ist bei allen Säugetieren sehr ähnlich, egal ob sie tag- oder nachtaktiv sind. Ergänzt 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 müde oder hungrig werden. Synchronisiert werden unsere inneren Uhren durch verschiedene Einflussfaktoren, darunter das durch die Augen wahrgenommene Licht, die Nahrungsaufnahme und die Körpertemperatur.
Doch warum sorgen die gleichen Signale je nach Tierart für entgegengesetzte Reaktionen? Warum ziehen sich einige Tiere bei Dunkelheit zum Schlafen zurück, während andere erst dann richtig fit werden? Und wie konnten sich die tageszeitlichen Rhythmen bei vielen Säugetieren nach dem Aussterben der Dinosaurier innerhalb evolutionär kurzer Zeitspannen von Nacht- zu Tagaktivität umstellen?
Entgegengesetzte Synchronisation
Diesen Fragen sind nun Forschende um Andrew Beale vom MRC Laboratory of Molecular Biology in Cambridge in Großbritannien auf den Grund gegangen. Dazu kultivierten sie zunächst Zellen von Mäusen, also einer nachtaktiven Spezies, und Menschen, einer tagaktiven Spezies. Dabei simulierten sie die tageszeitlichen Schwankungen der Körpertemperatur und beobachteten die Aktivität der zirkadianen Gene.
Das Ergebnis: Bei den Zellen beider Spezies synchronisierten die Temperaturschwankungen die zellulären inneren Uhren – allerdings auf entgegengesetzte Phasen. „Die Temperaturänderung löste bei Zellen von Menschen und Mäusen entgegengesetzte Verschiebungen in der globalen Proteinsynthese und Phosphorylierung aus“, berichtet das Team. Bei menschlichen Zellen führten niedrigere Temperaturen, wie sie typischerweise in der Nacht auftreten, zu einer geringeren Aktivität wichtiger Tagesrhythmus-Proteine. Bei Mäusezellen dagegen kurbelten niedrigere Temperaturen die Aktivität an. Das gleiche Resultat zeigte sich bei den Zellen anderer tag- oder nachtaktiver Säugetiere, darunter nachtaktiven Ratten und Lemuren und tagaktiven Schafen und Marmosett-Affen.
Tagaktivität kann Energie sparen
Weitere Analysen enthüllten die zugrundeliegenden Mechanismen auf molekularer Ebene. Demnach bildet der sogenannte mTOR-Signalweg eine Art zellulären Tag-Nacht-Schalter. Blockierten die Forschenden diesen Signalweg bei Mäusen, verschob sich ihre Aktivitätsphase von der Nacht in den Tag. Der gleiche Effekt trat auf, wenn die Mäuse zu wenig zu fressen bekamen. In diesem Fall fuhr ihr Körper den mTOR-Signalweg herunter und die Tiere begannen, tagsüber nach Nahrung zu suchen.
Aus evolutionärer Sicht kann das ein lebensrettender Mechanismus sein: Denn nächtliche Aktivität birgt zwar ein geringeres Risiko, von Raubtieren gefressen zu werden, kostet aber mehr Energie, um den Wärmeverlust in der kalten Nacht auszugleichen. „Tagaktivität kann eine Energiesparmaßnahme darstellen, die bei knapper Nahrung das Prädationsrisiko der überwiegt“, erklärt das Forschungsteam. Statt wertvolle Energie für eine Futtersuche im Schutze der Nacht zu opfern, kann es also bei begrenzten Ressourcen sinnvoll sein, die etwas riskantere, aber dafür energiesparendere Variante bei Tag zu wählen.
Neue zeitliche Nische
Den frühen Säugetieren bot die Tagaktivität nach dem Aussterben der Dinosaurier und damit dem Verschwinden ihrer gefährlichsten Fressfeinde eine neue ökologische Nische. Genomvergleiche verschiedener Arten zeigen, dass sich die Gene, die den mTOR-Signalweg regulieren, bei tagaktiven Säugetieren schneller entwickelt haben als bei nachtaktiven – ein Hinweis auf ihre große evolutionäre Bedeutung. Zudem reagieren die beteiligten Gene bei tagaktiven Säugern weniger empfindlich auf Temperaturschwankungen. „Auch das steht im Einklang mit einer energiesparenden Anpassung“, schreiben die Forschenden. „Diese Ergebnisse decken eine genetische und biochemische Grundlage für den Wechsel von Nacht- zu Tagaktivität auf und unterstreichen, wie zelluläre Signalnetzwerke komplexe Phänotypen wie die zeitliche Nischenauswahl kodieren können.“
Auch medizinisch könnten die neuen Erkenntnisse relevant sein: „Das Verständnis dafür, wie tagaktive Säugetiere dieselben Umweltsignale integrieren, um im Vergleich zu nachtaktiven Säugetieren eine Umkehrung der organismischen und zellulären Physiologie zu erreichen, ist entscheidend für das Verständnis der inneren Synchronität, die für die langfristige Gesundheit von zentraler Bedeutung ist“, erklärt das Forschungsteam.
Quelle: Andrew Beale (MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge, UK) et al., Science, doi: 10.1126/science.ady2822
