Taufliegen im inneren Gleichgewicht Ein Hormon als Yin und Yang von Ruhe und Aktivität

Erholsamer Schlaf und aktive wache Phasen – das Gleichgewicht zwischen Ruhe und Aktivität ist entscheidend. Am Beispiel der Taufliege Drosophila zeigen Forscher der Universitäten Leipzig und Würzburg, wie ein Hormon den Rhythmus des Organismus regelt. Vergleichbare Prinzipien sind wahrscheinlich auch beim Menschen für stabile Ruhe- und Aktivitätsphasen verantwortlich.

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Leipzig, Würzburg – Nahrung suchen, fressen, ruhen: Das ist vereinfacht formuliert der Lebensrhythmus, dem viele Tiere folgen. Gut aufeinander abgestimmt sorgen diese drei Phasen für das nötige Gleichgewicht zwischen Energiegewinnung (dem Fressen) und dem Energieverbrauch (der täglichen Aktivität). Wichtig in diesem Wechselspiel ist dabei eine klare zeitliche Regelung. Schließlich wäre es nicht allzu sinnvoll, sich während der Schlafphase hungrig auf die Suche nach Futter zu begeben.

Welche neurophysiologischen Prozesse und Strukturen die zeitliche Koordination des Verhaltens regeln untersuchen Forscher am Lehrstuhl für Neurobiologie und Genetik der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU). Vor allem die Taufliege Drosophila melanogaster, die sich vergleichsweise einfach genetisch manipulieren lässt, steht dabei im Fokus der Wissenschaftler.

Fettgewebe

Essen zur falschen Tageszeit bringt innere Uhr aus dem Takt

Jetzt ist es dem Arbeitskreis um Prof. Dr. Christian Wegener und seinem Kollegen Dr. Dennis Pauls in Zusammenarbeit mit Partnern am Lehrstuhl für pharmazeutische Biologie und den Universitäten Leipzig, Uppsala und Graz gelungen, einen hormonellen Regelkreis zu identifizieren, der an der Balance zwischen Ruhephasen und Nahrungssuche beziehungsweise Nahrungsaufnahme beteiligt ist.

Balance zwischen Ruhephasen und Nahrungssuche

Für die neue Studie kombinierten die Forscher neurogenetische, mikroskopische und metabolomische Methoden. Das Interesse des Teams galt dabei einem Hormon, das für die Energiebereitstellung notwendig ist – das so genannte adipokinetische Hormon AKH. Dieses Hormon übernimmt bei der Fliege ähnliche Funktionen wie Glukagon bei Säugern. „AKH sorgt dafür, dass der Fliege nicht die Energie ausgeht, wenn sie mal längere Zeit nichts zu Fressen bekommt, indem es über einen speziellen Regelkreis Zucker aus ihrem Fettkörper freisetzt“, erklärt Wegener.

Gleichzeitig aktiviere AKH bestimmte Neurone eines Stress-Systems von Drosophila. „Wir konnten jetzt zeigen, dass AKH über diese zwei verschiedenen Wege sowohl die Nahrungsaufnahme als auch das Aktivitätslevel der Taufliegen balanciert“, fasst Wegeners Kollege Pauls zusammen.

Hormonblockade führt zu verkürzter Nachtruhe

Mithilfe der Gentechnik blockieren die Forscher im Experiment die Energiemobilisierung durch AKH. Dadurch hatten die Fliegen eine kürzere Nachtruhe – sie wurden schon am Ende der Nacht vorzeitig aktiv, um Nahrung zu suchen. „AKH scheint also die Nachtruhe, in der die Tiere nicht fressen, zu stabilisieren, indem es Energie aus dem Fettkörper verfügbar macht“, interpretiert Wegener das Ergebnis.

In einem weiteren Experiment schalteten die Wissenschaftler die AKH-abhängige Aktivierung des Stress-Systems der Taufliege aus. Die Folge: „Die betroffenen Tiere haben während des Tages eine verminderte physische Aktivität gezeigt.“ Pauls und Wegener schließen daraus, dass das Hormon AKH tagsüber bei Drosophila nicht nur die Energie für die physische Aktivität zur Verfügung stellt, sondern auch diese Aktivität selbst ankurbelt.

Zwei Fliegen mit einer Klappe

Das Hormon erfüllt nach den Erkenntnissen der Forscher also eine Doppelfunktion: Auf der einen Seite erhöht es die Aktivität der Fliege, indem es spezielle Neuronen eines Stress-Systems anregt. Auf der anderen Seite mobilisiert das Signal in Phasen des Nahrungsmangels die Bereitstellung von Energie in Form von Zucker aus dem Fettkörper und sorgt so u. a. für einen ungestörten Schlaf, indem die Fliege zumindest nicht von Hungergefühlen geweckt wird.

„Unsere Ergebnisse fügen den bereits bekannten, vielseitigen regulatorischen Funktionen von AKH-produzierenden Zellen eine neue Facette hinzu, indem sie zeigen, dass ihr Output dazu beiträgt, das tägliche Aktivitätsmuster bei freiem Zugang zu Nahrung zu formen", resümiert Pauls.

Ähnliche Mechanismen beim Mensch vermutet

Auch wenn die Verwandtschaft zwischen Taufliege und Mensch nicht allzu groß erscheint: auf zellulärer und physiologischer Ebene spricht viel dafür, dass vergleichbare Signalketten im menschlichen Organismus zu finden sind. „Der Mensch verfügt über ähnliche metabolische Hormone, beispielsweise Glukagon“, sagt Wegener. Deshalb liege der Schluss nahe, dass ähnliche Hormone auch beim Menschen und bei anderen Säugern eine entsprechende Rolle bei der Stabilisierung von Ruhe- und Schlafphasen spielen könnten. Dafür spricht auch die Tatsache, dass Wechselwirkung zwischen Schlafqualität und Stoffwechselstörungen beim Menschen gut dokumentiert sind.

Originalpublikation: Dennis Pauls, Mareike Selcho, Johanna Räderscheidt, Kelechi M. Amatobi, Agnes Fekete, Markus Krischke, Christiane Hermann-Luibl, Ayten Gizem Ozbek-Unal, Nadine Ehmann, Pavel M. Itskov, Robert J. Kittel, Charlotte Helfrich-Förster, Ronald P. Kühnlein, Martin J. Mueller, Christian Wegener: Endocrine signals fine-tune daily activity patterns in Drosophila, Current Biology, Available online 29 July 2021; DOI: 10.1016/j.cub.2021.07.002

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