Die innere Uhr bestimmt viele wichtige Körperfunktionen des Menschen: Hormonproduktion, Stoffwechsel, Verhalten, Schlaf und Körpertemperatur werden entscheidend von der unter Wissenschaftlern auch als „zirkadiane Rhythmen“ bekannten inneren Uhr beeinflusst(1) . Der Begriff „zirkadian“ stammt aus dem Lateinischen: „circa“ (ungefähr) und „dies“ (Tag) und macht deutlich, dass diese innere Uhr nur näherungsweise einen 24-Stunden-Takt einhält. Die zirkadiane Uhr hilft nicht nur Menschen, sondern auch Tieren und Pflanzen, ihr Leben auf der Erde zu steuern und ihren biologischen Rhythmus so anzupassen, dass er in etwa mit dem Tag-Nacht-Rhythmus der Erde übereinstimmt. Dass eine solche Anpassung des Stoffwechsels und anderer Funktionen an die tageszeitlich variierenden Anforderungen sinnvoll ist, zeigt zum Beispiel die Photosynthese der Pflanzen, die Licht benötigt und deshalb tagsüber abläuft. Bei uns Menschen erfolgt nachts die Regeneration unseres Körpers; zu dieser Zeit kann sich auch unser Gehirn erholen(2) .

Die Medizinnobelpreisträger des Jahres 2017 bei einer Pressekonferenz.
Michael W. Young, Michael Rosbash und Jeffrey C. Hall (v.l.n.r.) während einer Pressekonferenz in der Royal Academy of Science in Stockholm im Vorfeld der Preisverleihung. (© picture alliance / AP Photo)


Am 10. Dezember 2017 wurden drei US-amerikanische Forscher für ihre Arbeiten zur Aufdeckung des Mechanismus der inneren Uhr mit dem Medizin-Nobelpreis in Stockholm geehrt(3) . Jeffrey Hall, Michael Rosbash und Michael Young konnten durch ihre Forschungen an der Fruchtfliege Drosophila bereits 1984 ein Gen isolieren, das den inneren Rhythmus der Fliegen steuert. Das durch dieses Gen mit dem treffenden Namen period produzierte Protein PER akkumuliert nachts in den Zellkernen der Zellen, während es tagsüber abgebaut wird, wie Hall und Rosbash zeigen konnten(4) . Der Level des PER-Proteins oszilliert während eines 24-Stunden-Zyklus synchron mit der inneren Uhr.

Nach der Entdeckung des period Gens stellte sich den Forschern als nächstes die Frage, wie genau diese zirkadianen Schwingungen entstehen und aufrechterhalten werden. Hall und Rosbash stellten die Hypothese auf, dass das PER-Protein die Aktivität des period Gens hemmt. Durch einen sogenannten inhibitorischen Feedback-Loop könnte das PER-Protein also seine eigene Synthese verhindern und dadurch seinen eigenen Level in einem zyklischen Rhythmus regulieren. Ist das period Gen aktiv, wird period mRNA gebildet und in das Zytoplasma der Zelle transportiert, wo es für die Produktion des PER-Proteins sorgt, das sich wiederum im Zellkern anhäuft und dort die period Genaktivität blockiert. Damit konnten sie ihre Hypothese beweisen.

Doch wie kommt das PER-Protein in den Zellkern, um dort überhaupt wirken zu können? Hier kommt nun das zweite Gen namens timeless ins Spiel, das zum inneren Uhrwerk gehört. Young entdeckte 1994 dieses Gen, das das Protein TIM produziert4. Er zeigte, dass bei einer Bindung von TIM an PER beide Proteine in der Lage waren, in den Zellkern zu gelangen, wo sie die Genaktivität von period blockierten. Die nächste Frage war nun, wodurch bzw. wie die Häufigkeit der Schwingungen kontrolliert wird. Mit der Entdeckung des Gens doubletime, das für das Protein DBT kodiert, welches wiederum die Ansammlung von PER verzögert, gelang Young die Beantwortung dieser Frage. Denn er lieferte hierdurch Erkenntnisse über die Anpassung der Schwingungen an den 24-Stunden-Zyklus.

Diese Paradigmen-wechselnden Entdeckungen der Nobelpreisträger legten den Grundstein für die Schlüsselprinzipien der biologischen Uhr und weiterer molekularer Komponenten des inneren Uhrwerks. Die mit dem Medizin-Nobelpreis ausgezeichneten Wissenschaftler entdeckten zudem weitere Proteine für die Aktivierung des period Gens sowie für den Mechanismus, durch den Licht die innere Uhr synchronisieren kann.

Auch der diesjährige Chemie-Nobelpreis zeichnet mit der Entdeckung der Kryo-Elektronenmikroskopie einen großen Beitrag zur Charakterisierung von Biomolekülen aus(5) . Der Preis geht an den Schweizer Jacques Dubochet, den gebürtigen Deutschen Joachim Frank (USA) und an Richard Henderson aus Großbritannien.

Der Nobelpreis für Medizin wurde traditionsgemäß gemeinsam mit den Preisen der Kategorien Physik, Chemie und Literatur am 10. Dezember, dem Todestag des Stifters Alfred Nobel, vom schwedischen König in Stockholm verliehen, während am gleichen Tag der Friedensnobelpreis in Oslo überreicht wurde.

Jeffrey C. Hall bei seinem dynamischen Auftritt im Rahmen der Nobel Lecture, drei Tage vor der festlichen Preisverleihung. (© vfa / O. Zakrzewski)



Literaturtipps:
(1) http://science.orf.at/stories/2869805/
(2) https://www.mpg.de/318255/forschungsSchwerpunkt2
(3) http://www.br.de/themen/wissen/nobelpreis-2017-medizin-medizinnobelpreis-100.html
(4) https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2017/press.html
(5) https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2017/press.html