Forscher identifizieren wichtige Gehirnzellen, die den zirkadianen Rhythmus steuern

In den 1970er Jahren identifizierten die Wissenschaftler den Teil des Gehirns, der die zirkadianen Rhythmen steuert - die 24-Stunden-Prozesse, die unsere Schlaf- und Wachzyklen und Schlüsselfunktionen wie Hormonproduktion, Stoffwechsel und Blutdruck regulieren. Bislang wurde jedoch genau ermittelt, welche Zellen in der Hauptuhr die zugrunde liegende Zeitmessung steuern.
Die Forscher identifizierten wichtige Gehirnzellen, die die Zeitmessung in der Hauptuhr kontrollieren, die den zirkadianen Rhythmus steuert.

In einer neuen Studie in der Zeitschrift veröffentlicht NeuronForscher vom Southwestern Medical Center der University of Texas (UT) in Dallas beschreiben, wie sie Schlüsselzellen im Nucleus suprachiasmaticus (SCN) identifizierten, die für die Bestimmung zirkadianer Rhythmen entscheidend sind.

Die Forscher glauben, dass ihre Ergebnisse zu neuen Medikamenten zur Behandlung einer Reihe von Erkrankungen führen könnten, darunter Schlafprobleme wie Jetlag, neurologische Erkrankungen wie Alzheimer, psychiatrische Erkrankungen wie Depressionen und Stoffwechselprobleme.

Zirkadiane Rhythmen sind das Muster von physischen, mentalen und Verhaltensänderungen, die einem ungefähr 24-Stunden-Zyklus folgen. Sie finden sich in den meisten Lebewesen - von winzigen Mikroben bis zu großen Säugetieren - und reagieren hauptsächlich auf Veränderungen in Licht und Dunkelheit in der Umgebung des Organismus.

Unsere zirkadianen Rhythmen werden von biologischen Uhren kontrolliert - Gruppen von interagierenden Molekülen, die in Zellen im ganzen Körper vorkommen. Die SCN oder "Hauptuhr" - die im Hypothalamus sitzt, einem Bereich des Gehirns genau über dem Punkt, an dem sich die Sehnerven aus den Augen kreuzen - hält die molekularen Uhren synchron.

Die Studie identifiziert Zellen, die Neuropeptid-Neuromedin S steuern, zirkadiane Rhythmen

Obwohl das SCN - das rund 20 000 Neuronen enthält - vor 40 Jahren identifiziert wurde, ist diese neue Studie die erste, die genau feststellt, welche Gruppe von SCN-Zellen ihre zugrunde liegenden Zeitmessmechanismen steuert.

Joseph Takahashi, einer der Autoren der Studie und Professor und Vorsitzender der Abteilung für Neurowissenschaften am UT Southwestern Medical Center, sagt:

"Wir haben herausgefunden, dass eine Gruppe von SCN-Neuronen, die ein Neuropeptid namens Neuromedin S (NMS) exprimieren, sowohl notwendig als auch ausreichend für die Steuerung zirkadianer Rhythmen ist."

NMS ist ein Neuropeptid - ein Protein, das Gehirnzellen verwenden, um Signale zu senden. Bei der Arbeit mit speziell gezüchteten Mäusen entdeckte das Team, dass Gehirnzellen, die NMS exprimieren, als zelluläre Schrittmacher fungieren.

Als sie die Signalübertragung in den NMS-Zellen in den Mäusen blockierten, stellte das Team fest, dass es den Zeitmechanismus des SCN störte und die biologischen Uhren im Rest des Körpers beeinflusste.

Die Forscher entdeckten auch neue Hinweise darüber, wie Licht die Körperuhr synchronisiert.

Das Studium ist Teil einer langen Reise, um wichtige Fragen zur Körperuhr zu beantworten

Die Studie ist ein weiterer Schritt auf einer langen Reise von Prof. Takahashi und seinem Labor.

In den 1990er Jahren identifizierten sie das erste Gen, das mit den zirkadianen Rhythmen in Säugetieren zusammenhängt - ein Gen namens Clock. Seitdem haben sie gezeigt, dass Störungen von Clock und ein anderes Gen namens Bmal1 die Insulinsekretion in der Bauchspeicheldrüse beeinflussen und bei Mäusen zu Diabetes führen können.

In jüngerer Zeit zeigten sie, dass die 3D-Struktur des von diesen beiden Genen gebildeten Proteinkomplexes die Batterie der biologischen Uhr ist. In einer 2012 veröffentlichten Studie enthüllten sie die ersten Bilder auf atomarer Ebene des CLOCK: BMAL1-Komplexes.

Die neue Studie wurde von den National Institutes of Health (NIH) und dem Howard Hughes Medical Institute (HHMI) finanziert.

Der leitende Autor Masashi Yanagisawa, außerplanmäßiger Professor für Molekulargenetik, ehemaliger HHMI-Forscher an der UT Southwestern, sagt, welche der Neuronen im SCN für die Erzeugung zirkadianer Rhythmen verantwortlich sind, war eine wichtige Frage in der Neurobiologie und:

"Diese Studie markiert einen bedeutenden Fortschritt in unserem Verständnis der Körperuhr."

Prof. Yanagisawa, der heute Direktor des World Premier International Institute für Integrative Schlafmedizin an der Universität von Tsukuba in Japan ist, entdeckte, dass ein anderes Neuropeptid namens Orexin Schlaf / Wachheit steuert.

Er und seine Kollegen haben seitdem zahlreiche Wege identifiziert, die an der Kontrolle von Appetit und Blutdruck beteiligt sind, sowie an anderen Neuropeptiden, die dabei helfen, Funktionen wie Stoffwechsel, Stress und Emotionen zu regulieren.

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