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Schlafregulation: Hitzeschock rettet übermüdete Fliegen

Wie unser Körper dafür sorgt, dass wir langfristig eine bestimmte Schlafmenge bekommen, ist noch völlig unklar. Bei Taufliegen zeigte sich nun ein verblüffender Zusammenhang zwischen Schlafregulation und Hitzeschockantwort.


Können oder müssen Fliegen eigentlich schlafen? Oder ruhen sie sich lediglich aus, wenn sie regungslos dasitzen? Obwohl die Taufliege Drosophila seit Jahrzehnten der Erforschung der biologischen Uhr dient, konnte diese simple Frage überraschenderweise erst vor zwei Jahren schlüssig beantwortet werden: Ja, Taufliegen schlafen ebenso wie Sie und ich und Nachbars Dackel. Und wie bei Wirbeltieren wird ihr Schlaf von zwei unabhängigen Mechanismen reguliert: der inneren Uhr, welche die Schlaf-Wach-Folge mit der Tageszeit synchronisiert, und einem so genannten Homöostaten, der darauf achtet, dass die Schlafmenge im langfristigen Mittel konstant bleibt.

Während die biologische Uhr der Fliegen und einiger anderer Organismen recht gut untersucht ist, liegt die Regulierung der Schlafmenge – bei den Insekten ebenso wie beim Menschen – noch weitgehend im Dunkeln. Nun haben Untersuchungen an Drosophila-Mutanten die ersten Hinweise auf die molekularen Grundlagen des Homöostaten erbracht (Nature, Bd. 417, S. 287).

Paul Shaw und seine Kollegen am Neurosciences Institute im kalifornischen San Diego machten sich dabei die umfassenden Kenntnisse über die circadianen Rhythmen der Taufliege zunutze. Sie untersuchten eine ganze Reihe von mutierten Stämmen, bei denen jeweils eines der Gene der inneren Uhr beeinträchtigt oder ausgeschaltet war, und verglichen sie mit anderen Stämmen, deren Mutation sich nicht auf den Schlaf-Wach-Zyklus auswirkte. All diese Tiere traktierten die Forscher mit systematischem Schlafentzug über drei bis zwölf Stunden. Dazu schüttelten sie die Röhren, in denen jeweils eine Fliege zur automatischen Registrierung ihrer Bewegungen eingesperrt war, sobald das Insekt sich ruhig verhielt.

Taufliegen mit defekten Uhrgenen, die in völliger Dunkelheit gehalten werden, schlafen etwa zwanzig Minuten pro Stunde. Hindert man sie einige Stunden lang am Schlaf, so gleichen sie den Entzug anschließend je nach Art ihrer Mutation ganz oder teilweise – zu dreißig bis vierzig Prozent – aus und kehren dann zur gewohnten Schlafmenge zurück. Auf den Menschen übertragen, würde dies etwa einem dreitägigen Schlafentzug entsprechen, den man mit acht Stunden zusätzlichem Schlummer kompensiert.

Einer der mutierten Stämme fiel jedoch völlig aus dem Rahmen. Es handelte sich um die einzige Variante in dieser Studie, bei der der Biorhythmus komplett ausgeschaltet war. Die weiblichen Fliegen dieses Stamms namens cyc01 holten nicht nur die während der sechsstündi-gen Wachphase verpassten zwei Stunden Schlaf vollständig nach, sondern holten sich das Entgangene gleich dreifach zurück, schliefen also sechs Stunden zusätzlich zu ihrem normalen Pensum. Auch danach kehrten sie nicht etwa zu ihrer ursprünglichen Schlafmenge zurück, sondern pendelten sich auf einen neuen Richtwert ein, der um rund fünfzig Prozent über dem alten lag. Auf den Menschen übertragen, wäre das so, als ob jemand nach sechs Tagen ohne Schlaf den Rest seines Lebens zwölf statt acht Stunden täglich in Morpheus’ Armen ruhte. Nach einem zweiten Schlafentzug reagierten die Fliegen genauso, was im Endeffekt dazu führte, dass sie statt einem Drittel drei Viertel ihrer Zeit schlummernd verbrachten.

Tödlicher Schlafentzug

Noch längerer Schlafentzug war für sie sogar lebensbedrohlich. Das galt nicht nur für die Weibchen, sondern auch für die Männchen, die ansonsten keinen Hang zur Überkompensation zeigten. Nach zwölf Stunden erzwungener Wachheit starb etwa ein Drittel der cyc01-Fliegen, von allen anderen Mutanten hingegen keine einzige. Mit diversen Kontrollexperimenten wiesen die Forscher nach, dass es sich bei dieser ungewöhnlichen Sterblichkeit nicht um eine allgemeine Stressfolge handelte: Der cyc01-Stamm verträgt übliche Belastungen mindestens genauso gut wie normale Taufliegen.

Auf der Suche nach einer Erklärung für die besondere Empfindlichkeit dieser Mutante untersuchten Shaw und seine Kollegen auch, ob sich der Schlafentzug auf die Produktion von Stressproteinen auswirkte – darunter die wohlbekannten Hitzeschockproteine, die zum Schutz gegen die schädlichen Folgen einer Überwärmung gebildet werden. Dabei erlebten die Forscher eine weitere Überraschung: Während bei allen anderen Fliegen die Herstellung der Stressproteine konstant blieb oder sogar leicht zunahm, ging sie bei der cyc01-Mutante zurück.

War dieses Absinken die Ursache der hohen Sterblichkeit? Um das zu prüfen, verpassten die Forscher den Fliegen vor dem Schlafentzug einen Hitzeschock, der die Produktion der Schutzproteine vorsorglich ankurbelte. Tatsächlich verringerte sich dadurch die Todesrate deutlich. Dieses Ergebnis war in höchstem Maße verblüffend. Offenbar existiert ein Zusammenhang zwischen zwei so grundverschiedenen Phänomenen wie der Hitzeschockreaktion und der Regulierung der Schlafmenge.

Worin diese Verbindung besteht, konnten die Forscher zwar noch nicht ergründen. Doch lieferten sie einen weiteren Beleg dafür. Dabei gingen sie von einer nahe liegenden Überlegung aus: Wenn Fliegen mit völlig ausgeschalteter biologischer Uhr nach langem Schlafentzug sterben, weil sie weniger Hitzeschutzprotein bilden, dann sollten Mutanten mit defekten Hitzeschockgenen eben-so empfindlich auf ein größeres Schlafdefizit reagieren. Tatsächlich bestätigte sich diese Vermutung bei einem Stamm, bei dem das Protein Hsp83 ausgeschaltet ist.

Damit kennt man jetzt bei Drosophila zwei Eiweißstoffe, die irgendwie an der Steuerung der Schlafmenge beteiligt sind. Sie haben, wie sich zeigte, Gegenstücke bei den Wirbeltieren. Und von diesen weiß man inzwischen, dass sie miteinander wechselwirken. Nachdem die Forscher bei der Regulation der Schlafmenge bisher völlig im Dunkel tappten, haben sie nun also offenbar einen Zipfel von der Lösung des Rätsels zu fassen bekommen, an dem sie sich weiterhangeln können.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 8 / 2002, Seite 14
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
8 / 2002

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 8 / 2002

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