Die biologische Uhr hält einen 24-Stunden-Zyklus aufrecht, indem sie die Funktion der Gene bei warmen Bedingungen verändert

Forscher unter der Leitung von Gen Kurosawa am RIKEN Center for Interdisciplinary Theoretical and Mathematical Sciences (iTHEMS) in Japan haben mithilfe der theoretischen Physik herausgefunden, wie unsere biologische Uhr auch bei Temperaturschwankungen einen stabilen 24-Stunden-Zyklus aufrechterhält.

Sie fanden heraus, dass diese Stabilität durch eine subtile Verschiebung der „Form“ der Genaktivitätsrhythmen bei höheren Temperaturen erreicht wird, ein Prozess, der als Wellenformverzerrung bekannt ist. Dieser Prozess trägt nicht nur zur genauen Zeitmessung bei, sondern beeinflusst auch die Synchronisierung unserer inneren Uhren mit dem Tag-Nacht-Rhythmus. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift PLOS Computational Biology veröffentlicht.

Haben Sie sich schon einmal gefragt, woher Ihr Körper weiß, wann er schlafen oder aufwachen soll? Die Antwort ist einfach: Ihr Körper hat eine biologische Uhr, die im 24-Stunden-Rhythmus tickt. Da sich die meisten chemischen Reaktionen jedoch bei steigenden Temperaturen beschleunigen, ist es bislang ein Rätsel, wie der Körper Temperaturschwankungen im Jahresverlauf ausgleicht – oder auch den Wechsel zwischen der Sommerhitze draußen und der Kühle klimatisierter Räume.

Die biologische Uhr basiert auf zyklischen Schwankungen des mRNA-Spiegels – der Moleküle, die für die Proteinproduktion verantwortlich sind –, die auftreten, wenn bestimmte Gene rhythmisch ein- und ausgeschaltet werden. So wie sich die Bewegung eines Pendels durch eine mathematische Sinuswelle beschreiben lässt, die gleichmäßig ansteigt und abfällt, lässt sich der Rhythmus der mRNA-Produktion und des -Zerfalls durch eine oszillierende Welle darstellen.

Kurosawas Team am RIKEN iTHEMS verwendete gemeinsam mit Kollegen der YITP Kyoto Universität Methoden der theoretischen Physik, um die mathematischen Modelle zu analysieren, die diese rhythmischen Schwingungen der mRNA beschreiben. Insbesondere nutzten sie die Methode der Renormierungsgruppen, ein leistungsstarkes Werkzeug der Physik, mit dem sich wichtige, sich langsam verändernde dynamische Prozesse aus dem mRNA-Rhythmussystem extrahieren lassen.

Die Analyse zeigte, dass die mRNA-Werte mit steigender Temperatur schneller stiegen und langsamer fielen, die Dauer eines Zyklus jedoch konstant blieb. In einem Diagramm sah dieser Rhythmus bei hohen Temperaturen wie eine verzerrte, asymmetrische Welle aus.

Um die theoretischen Schlussfolgerungen an lebenden Organismen zu überprüfen, analysierten die Forscher experimentelle Daten an Fruchtfliegen und Mäusen. Tatsächlich zeigten diese Tiere bei erhöhten Temperaturen die vorhergesagten Wellenformverzerrungen, was die Richtigkeit des theoretischen Modells bestätigte.

Die Wissenschaftler kommen zu dem Schluss, dass die Wellenformverzerrung der Schlüssel zur Temperaturkompensation in der biologischen Uhr ist, insbesondere zur Verlangsamung des Rückgangs der mRNA-Werte mit jedem Zyklus.

Das Team stellte außerdem fest, dass Wellenformverzerrungen die Fähigkeit der inneren Uhr beeinträchtigen, sich mit äußeren Reizen wie Licht und Dunkelheit zu synchronisieren. Die Analyse zeigte, dass die Uhr bei stärkerer Wellenformverzerrung stabiler ist und weniger von äußeren Reizen beeinflusst wird.

Diese theoretische Schlussfolgerung deckte sich mit experimentellen Beobachtungen an Fliegen und Pilzen und ist deshalb von Bedeutung, weil unregelmäßige Hell-Dunkel-Zyklen für die meisten Menschen zum modernen Leben gehören.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Wellenformverzerrung ein entscheidender Faktor dafür ist, dass die biologische Uhr auch bei Temperaturschwankungen genau und synchronisiert bleibt“, sagt Kurosawa.

Er fügt hinzu, dass sich zukünftige Forschungen auf die Identifizierung der molekularen Mechanismen konzentrieren könnten, die den Rückgang der mRNA-Werte verlangsamen und die Wellenformverzerrung verursachen. Die Forscher hoffen auch zu untersuchen, wie diese Verzerrung zwischen Arten oder sogar Individuen variiert, da Alter und individuelle Unterschiede die Funktion der biologischen Uhr beeinflussen können.

„Langfristig“, so Kurosawa, „könnte der Grad der Wellenformverzerrung in Uhr-Genen zu einem Biomarker werden, um Schlafstörungen, Jetlag und die Auswirkungen des Alterns auf die innere Uhr besser zu verstehen. Er könnte auch universelle Rhythmusmuster aufdecken – nicht nur in der Biologie, sondern in jedem System mit wiederkehrenden Zyklen.“