Impuls für die künftige Chronobiologie-Forschung

Die Forschungen zur inneren Uhr reichen bis zu Experimenten der Molekularbiologen Seymour Benzer und Ronald Konopka vom California Institute of Technology (CALTECH) in Pasadena zurück, die in den 1970er-Jahren nach genetischen Kontrollmechanismen im Haustier der Genforscher, in der Fruchtfliege Drosophila melanogaster, suchten. Sie entdeckten eine Mutation in einem bis dahin nicht identifizierten Gen, das sie mit "period" bezeichneten.

1984 ist es dann Jeffrey Hall und Michael Rosbash von der Brandeis-Universität in Boston sowie Michael Young von der Rockefeller-Universität in New York gelungen, das period-Gen zu isolieren. In der Folge entdeckten Hall und Rosbash, dass das Eiweißmolekül, das nach dem Bauplan dieses Gens synthetisiert wird, sich nachts im Zellkern ansammelt und während des Tages abgebaut wird. Es hemmt seine eigene Synthese und reguliert seine Spiegel im zirkadianen Rhythmus. Zehn Jahre später konnte Young mit der Entdeckung eines zweiten Gens –"timeless" – zeigen, dass für diese negative Rückkopplung das PER-Protein und das TIM-Protein Hand in Hand agieren und im Zellkern das Gen "period" blockieren.

Warum der 24-Stunden Rhythmus?

Aber die bisherigen Entdeckungen konnten nicht erklären, warum es zu dem 24-stündigen Rhythmus kommt. Young hat schließlich ein weiteres Gen entdeckt, dass eine Erklärung dafür liefert: das Gen "doubletime", das den Bauplan für die Synthese des DBT-Proteins liefert. Und dieses Eiweißmolekül drosselt die Ansammlung des zuerst entdeckten PER-Proteins. In der Folge klärten die diesjährigen Medizinnobelpreisträger weitere Komponenten der inneren Uhr auf – und wie Licht diese Uhr synchronisieren kann.

Aus diesen Entdeckungen hat sich schließlich das Forschungsgebiet der Chronobiologie entwickelt, das jeglichen Bereich der Physiologie berührt. Der zirkadiane Rhythmus reguliert den Schlaf-Wach-Rhythmus, die Hormonfreisetzung, den Blutdruck und die Körpertemperatur. In vielen spezialisierten Geweben spielt die innere Uhr eine Rolle. In Tiermodellen konnte belegt werden, dass Mutationen in den Genen dieser Uhr die rhythmische Synthese von Hormonen wie Kortison und Insulin empfindlich stören. Erst im vergangenen Jahr konnten Forscher nachweisen, dass die Gene der inneren Uhr den Stoffwechsel durch die Beeinflussung der Glukoneogenese, der Insulinsensitivität und der Oszillation der Blutglukose steuern. Wird der zirkadiane Rhythmus anhaltend gestört, erhöht sich tierexperimentellen und epidemiologischen Studien zufolge das Risiko für metabolische Erkrankungen.

Nicht zuletzt sind Störungen des zirkadianen Rhythmus mit Schlafstörungen in Verbindung gebracht worden, aber auch mit der Entwicklung von Depressionen, bipolaren Störungen, Kognitions- und Gedächtniseinbußen sowie einigen neurologischen Erkrankungen. So haben zum Beispiel Anfang dieses Jahres US-Forscher bei Patienten mit der Zirkadian-Rhythmus-Schlafstörung DSPD (Delayed Sleep-Phase Disorder) vom verzögerten Typ eine vererbbare Form entdeckt, die auf einer Variante des Uhren-Gens CRY1 beruht. DSPD ist mit einem Anteil von 0,2 Prozent der Bevölkerung die häufigste Störung des zirkadianen Rhythmus. Die Betroffenen schlafen erst spät ein, die Leistungsfähigkeit am anderen Tag ist teilweise extrem stark eingeschränkt.

Stellenwert stark gesunken

Unter anderem die Deutsche Gesellschaft für Schlafforschung und Schlafmedizin hat die Chronobiologie in den Fokus genommen. Wie sie auf ihrer Internetseite feststellt, ist in den vergangenen Jahren der Stellenwert der Chronobiologie im medizinischen Alltag stark gesunken. Der Grund: fehlende diagnostische und therapeutische Möglichkeiten. Mit der Verleihung des Nobelpreises an Forscher der Chronobiologie könnte sich das in nächster Zeit spürbar ändern.

Bisherige Studien lassen vermuten, dass bei Menschen, bei denen der Lebensstil gewissermaßen nicht zur eigenen inneren Uhr passt, das Risiko für eine ganze Reihe von Erkrankungen wie Krebs, neurodegenerative Erkrankungen oder metabolische Störungen erhöht ist. Ziel vieler Forscher innerhalb der Chronobiologie ist, die innere Uhr etwa pharmakologisch zu beeinflussen.

Alle drei diesjährigen Medizinnobelpreisträger sind US-amerikanische Forscher. Hall wurde 1945 in New York geboren. Nach seiner Promotion 1971 an der Universität Washington in Seattle forschte er zunächst am CALTECH und wechselte dann an die Brandeis-Universität in Waltham bei Boston im Bundesstaat Massachusetts. Inzwischen ist der Biologie-Professor emeritiert.

Rosbash wurde 1944 in Kansas City geboren. Seine Promotion erlangte er 1970 am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge. Danach wechselte er an die Universität von Edinburgh in Schottland. Seit 1974 forscht der Chronobiologe ebenfalls an der Brandeis-Universität in Waltham.

Young ist der jüngste der diesjährigen Preisträger. Er wurde 1949 in Miami geboren und erlangte seine Promotion 1975 an der Universität von Texas in Austin. Seine Forschungszeit als Postdoc verbrachte er an der Stanford-Universität in Palo Alto. Seit 1978 ist der Biologe an der Rockefeller-Universität in New York tätig und leitet dort heute das Laboratory of Genetics.

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