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.
