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Chronobiologie

Innere Uhr: Wie starkes Licht müde macht

| Autor/ Redakteur: Gunnar Bartsch* / Dr. Ilka Ottleben

Morgens müde, mittags ein ausgeprägtes Tief aber abends länger wach? Die Aktivitätsmuster aller Lebewesen werden maßgeblich durch deren innere Uhren gesteuert. Dass gerade intensives Licht schläfrig macht, hat ein internationales Forscherteam nun bei der Taufliege Drosophila nachgewiesen. Verantwortlich sind spezielle Fotorezeptoren die starkes Licht wahrnehmen und die Signale direkt zur inneren Uhr leiten – solche Sensoren besitzt auch der Mensch.

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Intensives Licht sorgt dafür, dass Taufliegen länger Mittagspause halten und abends später aktiv werden.
Intensives Licht sorgt dafür, dass Taufliegen länger Mittagspause halten und abends später aktiv werden.
(Bild: ©Studiotouch - stock.adobe.com)

Würzburg – Mit zunehmender Intensität des Sonnenlichts wächst das Schlafpensum, verlängert sich die Mittagspause und verschiebt sich die Wiederaufnahme der Aktivität in den Abend hinein. Was sich anhört wie eine Diagnose der Konsequenzen des ungewöhnlichen Sommers 2018, ist tatsächlich das neueste Forschungsergebnis von WissenschaftlerInnen aus Würzburg und den USA. Die Neurobiologen hatten untersucht, welche Auswirkungen unterschiedliche Lichtintensitäten auf den Tag-Nacht-Rhythmus der Taufliege Drosophila haben.

Innere Uhren: Forschung im Nobelpreisträger-Labor

„Wir konnten zeigen, dass Licht geringer, mittlerer und hoher Intensität auf unterschiedlichen, spezifischen Wegen die innere Uhr im Gehirn der Fliege auf den 24-Stunden-Tag synchronisiert“, beschreibt Charlotte Helfrich-Förster das zentrale Ergebnis der jetzt veröffentlichten Arbeit. Die Professorin hat an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) den Lehrstuhl für Neurobiologie und Genetik inne; Schwerpunkt ihrer Forschung ist die Chronobiologie, also die zeitliche Organisation aller Lebewesen.

Gemeinsam mit ihrem ehemaligen Doktoranden Dr. Matthias Schlichting, der jetzt im Labor des Nobelpreisträgers für Physiologie 2017, Michael Rosbash, an der Brandeis University in Waltham, Massachusetts (USA) forscht, hat sie die Studie geleitet.

Täglich eine Stunde mehr Siesta

Wie die Experimente zeigen, beeinflusst Licht hoher Intensität das Verhaltensmuster von Taufliegen deutlich. Auffällig war dabei vor allem eine deutlich verlängerte „Siesta“ der Taufliege um durchschnittlich etwa eine Stunde, mindestens aber um 30 Minuten. Damit einher ging ein verzögerter Start in die üblichen Abendaktivitäten, die von den Fliegen in der Regel mit einer Verspätung von ein bis zwei Stunden aufgenommen wurden.

Auch den für diese Verhaltensänderungen auf molekularer Ebene Verantwortlichen konnten die Wissenschaftler identifizieren: spezielle Fotorezeptoren außerhalb der Netzhaut, die unter dem Namen Hofbauer-Buchner-Äuglein oder HB eyelets bekannt sind. Diese mikroskopisch kleinen „Zusatzaugen“ – jedes von ihnen besteht aus gerade einmal vier Sinneszellen – sind erst seit 30 Jahren bekannt. Entdeckt wurden sie 1989 von den Würzburger Biologen Alois Hofbauer und Erich Buchner.

Sinnvolle Schutzreaktion vor schädlichem Licht

Auf drei Wegen nimmt Licht Einfluss auf die Uhr-Neuronen im Gehirn der Fliege: Der erste Lichteingang in die Uhr-Neuronen geht über Cryptochrom (CRY), dieser Lichteingang ist für die Detektion von geringen Lichtintensitäten verantwortlich (low intensity = LI). Der zweite Lichteingang geht über die Komplexaugen und detektiert im Wesentlichen mittlere Lichtintensitäten (middle intensity = MI). Der dritte Lichteingang ist für die Detektion von hohen Lichtintensitäten (high intensity = HI) verantwortlich. Er geht über die Hofbauer-Buchner Äuglein (HB-eyelet). Morgenzellen (M cells) kontrollieren die Morgenaktivität, Abendzellen (E cells) die Abendaktivität
Auf drei Wegen nimmt Licht Einfluss auf die Uhr-Neuronen im Gehirn der Fliege: Der erste Lichteingang in die Uhr-Neuronen geht über Cryptochrom (CRY), dieser Lichteingang ist für die Detektion von geringen Lichtintensitäten verantwortlich (low intensity = LI). Der zweite Lichteingang geht über die Komplexaugen und detektiert im Wesentlichen mittlere Lichtintensitäten (middle intensity = MI). Der dritte Lichteingang ist für die Detektion von hohen Lichtintensitäten (high intensity = HI) verantwortlich. Er geht über die Hofbauer-Buchner Äuglein (HB-eyelet). Morgenzellen (M cells) kontrollieren die Morgenaktivität, Abendzellen (E cells) die Abendaktivität
(Bild: Charlotte Förster)

„Wir konnten erstmals zeigen, dass die Hofbauer-Buchner-Äuglein auf hohe Lichtintensitäten reagieren und die Siesta der Fliegen verstärken“, erklärt Helfrich-Förster. Der Signalweg, den sie dabei einschlagen, ist mehrstufig: Über spezifische Acetylcholinrezeptoren wirken die HB eyelets auf eine Untergruppe der Uhr-Neuronen ein, was deren Calcium-Spiegel erhöht. Als Konsequenz schütten die Neuronen im rückwärtig gelegenen Teil des Fliegengehirns ein spezielles Neuropeptid aus – den „Pigment-Dispersing Factor“ (PDF). Dort beeinflusst PDF die Aktivität weiterer Uhr-Neuronen, die die Ausprägung der Siesta regulieren und den Beginn der Abendaktivität steuern.

Nach Ansicht der Wissenschaftler ist diese Reaktion auf starken Lichteinfall bei der Taufliege sinnvoll. „Dies ist ein wesentlicher Mechanismus um starkes, eventuell schädliches Licht während der Mittagszeit zu vermeiden“, erklärt die Neurobiologin. Schließlich gehen hohe Lichtintensitäten häufig mit heißen Sommertagen einher, die insbesondere für Insekten gefährlich sein können – zum einen, weil sie rasch austrocken könnten, zum anderen weil sie im hellen Tageslicht leichter von ihren Fressfeinden entdeckt werden.

Vergleichbare Strukturen beim Menschen

Um die Möglichkeit auszuschließen, dass nicht die intensive Lichteinstrahlung, sondern möglicherweise die damit verbundene Wärmeentwicklung Auslöser des verlängerten Mittagsschlafs ist, haben die Wissenschaftler zur Kontrolle ihre Experimente auch an speziellen, gentechnisch veränderten Fliegen durchgeführt. Deren innere Uhr reagiert nicht mehr auf Temperaturveränderungen, aber trotzdem zeigen die Fliegen noch das veränderte Verhalten. Dies spricht dafür, dass der Lichteintrag verantwortlich für die verlängerte Siesta und die späte Abendaktivität ist.

Nach Aussage der ForscherInnen zeigen die Ergebnisse ihrer Studie „überraschende Parallelen zu Säugetiermechanismen“. Auch Säugetiere – und übrigens auch Menschen – besitzen spezialisierte Fotorezeptoren, die starkes Licht wahrnehmen, und ihre Signale direkt zur inneren Uhr in einen speziellen Bereich des Zwischenhirns (Hypothalamus) leiten. Ob deren Aktivierung allerdings auch beim Menschen zu einer Verlängerung der Siesta führt, sei nicht bekannt. Die Wissenschaftler halten es aber für durchaus möglich.

Originalpublikationen: M. Schlichting, P. Menegazzi, M. Rosbash and C. Helfrich-Förster: A distinct visual pathway mediates high light intensity adaptation of the circadian clock in Drosophila. The Journal of Neuroscience, 3 January 2019, 1497-18; DOI: https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.1497-18.2018

* G. Bartsch: Julius-Maximilians-Universität Würzburg, 97070 Würzburg

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