Chronobiologie: Hautfetzen und die Stechuhr
Vor sieben hilft alles nichts - außer drei Tassen Kaffee, eine kalte Dusche und zwei Stunden dumpfes Starren? Willkommen im Klub der Morgenmuffel. Zum Trost: Frühaufsteher werden ganz genauso durch innere Zeitgeber unter einen typischen Pendelschwung gezwungen, der offenbar in jeder einzelnen Zelle abhörbar ist.
© Lennart Pyritz (Ausschnitt)
Zum verlässlichen Frühaufsteher wird man weniger durch Disziplin, als durch die Gene der inneren Uhr – oder eben nicht, wenn der körpereigene Taktgeber andere Vorstellungen von einem normalen Tagesrhythmus hat und den Körper als "Chronotyp" Morgenmuffel etikettiert. Beim Weckerklingeln kurz nach sechs fragt man sich da schon, ob das nicht ein Fall für Nachbesserungen am Modell Mensch ist. Warum gibt es überhaupt etwas wie Chronotypen, also die eher früher oder eher später topfitten Varianten des Menschen?
Ein Grund ist, dass innere Uhren sehr flexibel und vielseitig sein müssen, um ihre vielfältigen Funktionen erfüllen zu können. Sie sorgen sich darum, dass wir tagsüber besser rennen und denken, nachts vorzugsweise entgiften und verdauen und dafür, dass sich all das sogar dann schnell wieder einspielt, wenn wir nach einem Flug über ein paar Zeitzonen die Nacht zu Tag gemacht haben oder dauerhaft als Nachtschwester oder Schichtarbeiter machen müssen. Um dies zu gewährleisten, sind viele Stellschrauben nötig, die das System ein wenig unübersichtlich machen.
Das Grundprinzip ist dabei simpel: Die innere Uhr unserer Körper ist ein hierarchisch organisiertes, vom Licht der Sonne zentral angestoßenes Räderwerk. Zentrale Funktionsgewalt hat dabei ein Bereich im suprachiasmatischen Nukleus (SCN) des Gehirns. Der Bereich erhält morgens ein von der Retina aufgefangenes und über den Hypothalamus geleitetes Lichtsignal. Anhand dieses Signals synchronisiert der SCN die vielen peripheren Uhren, die in den Zellen der verschiedensten Körpergewebe mit einem eigenen Rhythmus vor sich hin ticken.
Mehr als nur eine Zeit
Fehlen dem zentralbefehlsgebenden SCN Informationen über die Tages- und Nachtzeit, so bricht deswegen aber nicht gleich das ganze System zusammen – vielmehr übernimmt der Pendelschwung der einzelnen Zellen dezentral den Taktstock über seine Umgebung. Dieser vielstimmige Chor zellulärer Einzelrhythmen geht mit den Produktions- und Abbauzyklen verschiedener Proteine in den Zellen einher: So veranlassen etwa die Transkriptrionsfaktoren "Clock" und "Bmal1" in einer Gemeinschaftsaktion unter anderem den Bau des Eiweißes "Period". Dieses sammelt sich im Zytoplasma an und hemmt dann, bei Überschreiten einer bestimmten Schwellenkonzentration, seinerseits wieder das Entstehen des für seine Existenz verantwortlichen Clock-Bmal1-Komplexes. Weil die ständig arbeitenden Abbauproteine die Konzentration aller Eiweiße dabei zudem laufend reduzieren, schwanken die Mengen der einzelnen beteiligten Proteine in der Summe zyklisch.
Für genau diesen Zyklus interessieren sich Chronobiologen wie Steven Brown von der Universität Zürich. Denn während der SCN alle Individuen auf die vor Ort herrschenden Tag-Nacht-Rhythmen einschwört und gleichschaltet, könnten die unsynchronisierten Einzeluhren aller Menschen stattdessen etwas über die persönlichen Vorlieben des Individuums verraten. Um dies zu überprüfen, isolierten Brown und Kollegen von 28 Freiwilligen, die sich entweder als explizite Morgenmuffel oder Frühaufsteher bezeichnet hatten, ein paar einzelne Hautzellen, ließen diese in Kulturen wachsen und maßen schließlich den sich einpendelnden Ur-Uhrrhythmus der Zellen.
Dazu wandten die Forscher einen molekularbiologischen Trick an: Sie schleusten einen fluoreszierenden Marker per Virusfähre derart in die Zellen ein, dass diese umso stärker leuchteten, je aktiver der Zellkern das Uhrprotein Bmal-1 produzierte. Dabei zeigten sich, dass alle Zellen der einzelnen Freiwilligen tatsächlich nach kurzer Zeit individualtypische Aktivitätszyklen annahmen. Einige Zellen wiederholten dabei einen vollen dieser Zyklen in reproduzierbar weniger Zeit, andere benötigten dafür länger. Insgesamt hatten die schnellsten gut 23, die langsamsten fast 26 Stunden gebraucht.
Schnelle und langsame Typen
Nun verglichen die Forscher die Aussagen der Spender zu ihrem bevorzugten Tag-Nacht-Rhythmus mit den Zyklus-Längen, die die Zellkulturen verraten hatten – und stellten in einigen Fällen eindeutige Zusammenhänge fest: Menschen mit kürzeren Zellzyklen sind Frühaufsteher, solche mit eher gemächlich tickenden inneren Zelluhren eher Morgenmuffel.
Was einige nette Ideen für zukünftige Experimente nahe legt, zum Beispiel eine einfache Bestimmung individueller Chronotypen per Biopsie. Allerdings dürfte das den meisten Menschen nichts Neues sagen – meist weiß ohnehin jeder auch ohne den Blick in molekulare Details seiner Zellkultur, ob er lieber früh aufsteht oder spät ins Bett geht. Spannender sind die Erkenntnisse eher für das Verständnis des Zusammenspiels der verschiedenen Uhrsysteme im Körper. So könnten Frühaufsteher beim ersten Sonnenstrahl vielleicht deshalb schon munter sein, weil ihre inneren Uhren ohnehin bereits vor dem offiziellen Startschuss selbstständig das Signal für einen neuen Tag gegeben haben. Für Langschläfer dagegen kommt jeden Morgen das synchronisierende Lichtsignal per SCN unpassend früh in den Außenstellen an.
Die Zykluslänge ist dabei übrigens nicht alles, glauben Brown und Kollegen: Auch die Menge der einzelnen Uhrproteine schwankt individualtypisch und erleichtert oder erschwert den täglichen SCN-Neustart des Zyklus. Gerade bei den morgenfrischen Lerchen-Typen zeigte sich eine niedrige Amplitude im Zeitzyklus, es werden also insgesamt weniger Proteine gebildet, um das innere Uhrzeigerdrehen zu gewährleisten. Der phasenverschiebende SCN-Befehl von außen dringt in solchen Fällen wohl leichter durch, vermuten die Forscher.
Browns Team gibt im Übrigen allerdings zu bedenken, dass in den Zellen einiger ihrer Kandidaten einfach eine innere Durchschnittsuhr in einem langweilig mittellangen Zyklus tickte – und dies obwohl ausschließlich extreme Morgenmuffel oder Frühaufsteher am Experiment teilgenommen hatten. Offensichtlich hat zwar jeder eine in den Genen geprägte, individualtypisch festgelegte Lieblingstageslänge, schließen die Wissenschaftler – ein paar noch unbekannte neuronale und psychologische Faktoren beeinflussen diese aber manchmal so stark, dass manche Eule und Lerche zur schlaftechnisch langweiligen Durchschnittsdrossel mutiert.
Ein Grund ist, dass innere Uhren sehr flexibel und vielseitig sein müssen, um ihre vielfältigen Funktionen erfüllen zu können. Sie sorgen sich darum, dass wir tagsüber besser rennen und denken, nachts vorzugsweise entgiften und verdauen und dafür, dass sich all das sogar dann schnell wieder einspielt, wenn wir nach einem Flug über ein paar Zeitzonen die Nacht zu Tag gemacht haben oder dauerhaft als Nachtschwester oder Schichtarbeiter machen müssen. Um dies zu gewährleisten, sind viele Stellschrauben nötig, die das System ein wenig unübersichtlich machen.
Das Grundprinzip ist dabei simpel: Die innere Uhr unserer Körper ist ein hierarchisch organisiertes, vom Licht der Sonne zentral angestoßenes Räderwerk. Zentrale Funktionsgewalt hat dabei ein Bereich im suprachiasmatischen Nukleus (SCN) des Gehirns. Der Bereich erhält morgens ein von der Retina aufgefangenes und über den Hypothalamus geleitetes Lichtsignal. Anhand dieses Signals synchronisiert der SCN die vielen peripheren Uhren, die in den Zellen der verschiedensten Körpergewebe mit einem eigenen Rhythmus vor sich hin ticken.
Mehr als nur eine Zeit
Fehlen dem zentralbefehlsgebenden SCN Informationen über die Tages- und Nachtzeit, so bricht deswegen aber nicht gleich das ganze System zusammen – vielmehr übernimmt der Pendelschwung der einzelnen Zellen dezentral den Taktstock über seine Umgebung. Dieser vielstimmige Chor zellulärer Einzelrhythmen geht mit den Produktions- und Abbauzyklen verschiedener Proteine in den Zellen einher: So veranlassen etwa die Transkriptrionsfaktoren "Clock" und "Bmal1" in einer Gemeinschaftsaktion unter anderem den Bau des Eiweißes "Period". Dieses sammelt sich im Zytoplasma an und hemmt dann, bei Überschreiten einer bestimmten Schwellenkonzentration, seinerseits wieder das Entstehen des für seine Existenz verantwortlichen Clock-Bmal1-Komplexes. Weil die ständig arbeitenden Abbauproteine die Konzentration aller Eiweiße dabei zudem laufend reduzieren, schwanken die Mengen der einzelnen beteiligten Proteine in der Summe zyklisch.
Für genau diesen Zyklus interessieren sich Chronobiologen wie Steven Brown von der Universität Zürich. Denn während der SCN alle Individuen auf die vor Ort herrschenden Tag-Nacht-Rhythmen einschwört und gleichschaltet, könnten die unsynchronisierten Einzeluhren aller Menschen stattdessen etwas über die persönlichen Vorlieben des Individuums verraten. Um dies zu überprüfen, isolierten Brown und Kollegen von 28 Freiwilligen, die sich entweder als explizite Morgenmuffel oder Frühaufsteher bezeichnet hatten, ein paar einzelne Hautzellen, ließen diese in Kulturen wachsen und maßen schließlich den sich einpendelnden Ur-Uhrrhythmus der Zellen.
Dazu wandten die Forscher einen molekularbiologischen Trick an: Sie schleusten einen fluoreszierenden Marker per Virusfähre derart in die Zellen ein, dass diese umso stärker leuchteten, je aktiver der Zellkern das Uhrprotein Bmal-1 produzierte. Dabei zeigten sich, dass alle Zellen der einzelnen Freiwilligen tatsächlich nach kurzer Zeit individualtypische Aktivitätszyklen annahmen. Einige Zellen wiederholten dabei einen vollen dieser Zyklen in reproduzierbar weniger Zeit, andere benötigten dafür länger. Insgesamt hatten die schnellsten gut 23, die langsamsten fast 26 Stunden gebraucht.
Schnelle und langsame Typen
Nun verglichen die Forscher die Aussagen der Spender zu ihrem bevorzugten Tag-Nacht-Rhythmus mit den Zyklus-Längen, die die Zellkulturen verraten hatten – und stellten in einigen Fällen eindeutige Zusammenhänge fest: Menschen mit kürzeren Zellzyklen sind Frühaufsteher, solche mit eher gemächlich tickenden inneren Zelluhren eher Morgenmuffel.
Was einige nette Ideen für zukünftige Experimente nahe legt, zum Beispiel eine einfache Bestimmung individueller Chronotypen per Biopsie. Allerdings dürfte das den meisten Menschen nichts Neues sagen – meist weiß ohnehin jeder auch ohne den Blick in molekulare Details seiner Zellkultur, ob er lieber früh aufsteht oder spät ins Bett geht. Spannender sind die Erkenntnisse eher für das Verständnis des Zusammenspiels der verschiedenen Uhrsysteme im Körper. So könnten Frühaufsteher beim ersten Sonnenstrahl vielleicht deshalb schon munter sein, weil ihre inneren Uhren ohnehin bereits vor dem offiziellen Startschuss selbstständig das Signal für einen neuen Tag gegeben haben. Für Langschläfer dagegen kommt jeden Morgen das synchronisierende Lichtsignal per SCN unpassend früh in den Außenstellen an.
Die Zykluslänge ist dabei übrigens nicht alles, glauben Brown und Kollegen: Auch die Menge der einzelnen Uhrproteine schwankt individualtypisch und erleichtert oder erschwert den täglichen SCN-Neustart des Zyklus. Gerade bei den morgenfrischen Lerchen-Typen zeigte sich eine niedrige Amplitude im Zeitzyklus, es werden also insgesamt weniger Proteine gebildet, um das innere Uhrzeigerdrehen zu gewährleisten. Der phasenverschiebende SCN-Befehl von außen dringt in solchen Fällen wohl leichter durch, vermuten die Forscher.
Browns Team gibt im Übrigen allerdings zu bedenken, dass in den Zellen einiger ihrer Kandidaten einfach eine innere Durchschnittsuhr in einem langweilig mittellangen Zyklus tickte – und dies obwohl ausschließlich extreme Morgenmuffel oder Frühaufsteher am Experiment teilgenommen hatten. Offensichtlich hat zwar jeder eine in den Genen geprägte, individualtypisch festgelegte Lieblingstageslänge, schließen die Wissenschaftler – ein paar noch unbekannte neuronale und psychologische Faktoren beeinflussen diese aber manchmal so stark, dass manche Eule und Lerche zur schlaftechnisch langweiligen Durchschnittsdrossel mutiert.
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