Nobelpreis für Medizin Wie die innere Uhr tickt

Einzeller, Fruchtfliegen, Pflanzen, Säugetiere: Alle haben eine innere Uhr, die ähnlichen Prinzipien folgt. Wie sie funktioniert, haben drei US-Chronobiologen erforscht - und jetzt den Nobelpreis bekommen.

Ein Flug in eine andere Zeitzone macht es unausweichlich klar: Wir ticken nach einer inneren Uhr. Die Müdigkeit kommt nicht erst - oder schon - mit der Dunkelheit am Reiseziel, sondern mit bleierner Schwere zur gewohnten Zeit in der Heimat. Nach einigen Tagen hat sich das innere Ziffernblatt dann auf die neue Zeit umgestellt, und unser Uhrwerk aus Hormonen, Körpertemperatur und Blutdruck läuft wieder reibungslos - der Jetlag ist überwunden.

Verantwortlich für diesen Tag-Nacht-Rhythmus ist eine ganze Reihe von Genen und Proteinen. Für die Entdeckung der molekularen Mechanismen, die diesen sogenannten zirkadianen Rhythmus steuern, haben die US-Forscher Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash und Michel W. Young jetzt den Nobelpreis für Medizin oder Physiologie bekommen. Es ist die höchste Auszeichnung für Wissenschaftler weltweit.

Das besondere an den Genen, die die innere Uhr steuern: Sie kommen nicht nur beim Menschen und anderen Säugetieren vor. Auch in einzelligen Cyanobakterien, in Pilzen, Pflanzen, Insekten und Nagetieren gibt es Abschnitte im Erbgut, die einen 24-Stunden-Takt vorgeben.

Freunde fürs Leben

Ein bekanntes Beispiel: die Mimose. Sie öffnet ihre Blätter, wenn das Tageslicht sie erreicht, und schließt sie erst in der Dunkelheit wieder. Der französische Geophysiker Jean Jacques d'Ortous de Mairan wunderte sich schon vor knapp 300 Jahren über dieses Verhalten und stellte eine der Pflanzen an einen Ort ohne Licht. Zur Verblüffung des Forschers öffneten und schlossen sich die Blätter auch weiterhin nach demselben Rhythmus. Daraus schloss er, dass die Mimose eine unabhängige Uhr in sich tragen müsse.

Die Mimose bei Tag und bei Nacht (oben). Auch in Räumen, die 24 Stunden lang dunkel sind, öffnet und schließt sie ihre Blätter.

Die Mimose bei Tag und bei Nacht (oben). Auch in Räumen, die 24 Stunden lang dunkel sind, öffnet und schließt sie ihre Blätter.

Foto: The Nobel Foundation

Es folgten zahlreiche Experimente und Untersuchungen anderer Forscher, an die die Chronobiologen Jeffrey C. Hall und Michael Rosbash anknüpften . Die beiden lernten sich an der Brandeis University in Waltham (US-Bundesstaat Massachusetts) kennen und wurden - zunächst über ihre Leidenschaft für Sport und Politik - schnell Freunde. Erst ab 1982 arbeiteten sie zusammen im Labor. Rosbash, dessen Eltern aus Nazi-Deutschland geflohen waren und für die Familie eine neue Existenz in den USA aufgebaut hatten, sagte einmal über Hall, er sei nicht nur ein Genetik-Verehrer, sondern gar ein Prophet.

Als Hall und Rosbash ihre Arbeit aufnahmen, war bereits ein Gen bekannt, das den 24-Stunden-Rhythmus steuerte - in wissenschaftslyrischer Weise hatte man es auf den Namen "period" getauft. Die beiden Biologen entzifferten "period" 1984 und untersuchten in den folgenden Jahren die Proteine, die nach Ablesen der Geninformation entstanden. Als Forschungsobjekt diente ihnen die Fruchtfliege Drosophila melanogaster, die mit nur vier Chromosomen genetisch relativ übersichtlich ist und über deren Gene und Chromosomen Forscher bereits viel wussten.

Wundersame Pflanzen im Hinterhof

In dem Modelorganismus entdeckten die Forscher, dass sich bestimmte Proteine, für die das Gen "period" die Bauanleitung liefert, in der Nacht ansammeln und dann wieder schwinden. Außerdem wiesen sie nach, dass diese Proteine offenbar wie Botschafter zwischen Zellkern und Zellplasma vermittelten und dadurch andere Gene und Proteine regulierten.

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Nobelpreis für Medizin 2017: Freude im Morgenmantel

Foto: NASA/Goddard Space Flight Center/dpa

Als Michael W. Young 1995 ein weiteres Tag-Nacht-Gen - "timeless" genannt - ausmachte, nahm die Forschung erneut Fahrt auf. Young, der von dem Garten hinter seinem elterlichen Haus einmal sagte, "Unser Hinterhof war mein Dschungel",  hatte sich schon als Kind über Blumen gewundert, die ihre Blüten entgegen der Intuition tagsüber schlossen und in der Nacht öffneten. Zusammen mit einem Buch über Darwins Evolutionstheorie war die Neugier des damals 13-Jährigen geweckt.

Mithilfe seiner Forschung zur Chronobiologie entstand das Bild eines komplizierten Uhrwerks in unseren Zellen: Demnach besteht es aus verschiedenen Genen und mit ihnen verbundenen Proteinen, die die zirkadiane Rhythmik steuern und sich selbst regulieren. Das System trägt den Namen TTFL (Transcription-Translation Feedback Loop).

"Sie wollen mich auf den Arm nehmen!"

Mittlerweile kommen immer neue Kenntnisse auf der Basis dieses Regelwerks hinzu: So sind verschiedene Mechanismen bekannt, die beschreiben, was das Sonnenlicht in den Proteinen verursacht, welche Prozesse etwa angeschoben oder gehemmt werden. Auch über die Folgen für Blutdruck, Hormonausschüttung, Wachheit und Körpertemperatur sammeln sich stetig neue Erkenntnisse.

Wie unsere innere Uhr physiologische Prozesse beeinflusst

Wie unsere innere Uhr physiologische Prozesse beeinflusst

Foto: The Nobel Foundation

Dass sie nach Jahrzehnten ihrer Forschung noch mit dem Nobelpreis ausgezeichnet werden, damit hatten die Wissenschaftler offenbar nicht gerechnet.

"Sie wollen mich auf den Arm nehmen", hat Michael Rosbash geantwortet, als der Anruf aus Stockholm ihn am sehr frühen Morgen erreichte. Obwohl seine biologische Uhr vermutlich noch auf Schlaf programmiert war, war er nach diesem Anruf sicherlich hellwach.