Zellen mit einer funktionierenden molekularen Uhr können sich besser an Veränderungen in der Glukoseversorgung anpassen und sich schneller von langfristiger Unterernährung erholen, wie eine in eLife veröffentlichte Studie zeigt. Diese Entdeckung hilft zu erklären, warum Veränderungen des körpereigenen Tagesrhythmus – wie Nachtarbeit und Jetlag – das Risiko für Stoffwechselerkrankungen wie Diabetes erhöhen können.

Feinabstimmung der circadianen Uhr

Die circadiane Uhr ist ein endogenes Zeitmesssystem mit einer Periodenlänge von etwa 24 Stunden, das zahlreiche physiologische Prozesse, insbesondere den Stoffwechsel, zeitlich organisiert. Auf molekularer Ebene basiert sie auf eng miteinander verbundenen Transkriptions-Translations-Rückkopplungsschleifen. Im Zentrum dieser Regulation stehen die Transkriptionsfaktoren CLOCK gene und BMAL1 gene. Diese Proteine bilden einen Heterodimer-Komplex, der an spezifische DNA-Sequenzen bindet und die Transkription verschiedener Zielgene aktiviert. Zu diesen Zielgenen gehören unter anderem die Gene der Period- und Cryptochrom-Familie, nämlich PER gene und CRY gene.

Nach ihrer Transkription werden die PER- und CRY-Proteine im Zytoplasma synthetisiert und akkumulieren dort zunächst. Im Verlauf mehrerer Stunden bilden sie Proteinkomplexe und gelangen anschließend in den Zellkern zurück. Dort hemmen sie die Aktivität des CLOCK-BMAL1-Komplexes und unterdrücken damit ihre eigene Genexpression. Diese negative Rückkopplung führt dazu, dass die Produktion von PER- und CRY-Proteinen allmählich abnimmt. Nachdem die vorhandenen Proteine durch zelluläre Abbauprozesse degradiert wurden, entfällt die Hemmung des CLOCK-BMAL1-Komplexes, wodurch der Zyklus erneut beginnt. Die zeitliche Verzögerung zwischen Aktivierung, Akkumulation und Hemmung erzeugt einen selbstaufrechterhaltenden Rhythmus von ungefähr 24 Stunden.

Neben dieser zentralen Schleife existieren zusätzliche regulatorische Mechanismen, die zur Stabilisierung und Feinabstimmung der circadianen Uhr beitragen. Eine wichtige Rolle spielen dabei die nukleären Rezeptoren REV-ERBα und RORα, die die Expression von BMAL1 regulieren. Während RORα die Transkription von BMAL1 aktiviert, wirkt REV-ERBα repressiv. Durch dieses antagonistische Zusammenspiel entsteht eine weitere Rückkopplungsschleife, die die zeitliche Präzision und Robustheit des circadianen Systems erhöht.

Circadiane Uhr und Stoffwechsel

Die circadianen Uhren sind eng mit dem Stoffwechsel verbunden: Einerseits moduliert die Uhr rhythmisch viele Stoffwechselwege, andererseits beeinflussen Nährstoffe und Stoffwechselreize die Funktion der Uhr. Dies wird durch fein abgestimmte Rückkopplungsschleifen erreicht, in denen einige positive Komponenten der Uhr andere aktivieren, die dann wiederum negativ auf die ursprünglich aktivierenden Komponenten zurückwirken. So unterliegen beispielsweise der Glukosestoffwechsel, die Lipidsynthese sowie die mitochondriale Energieproduktion circadianen Schwankungen. Gleichzeitig wirken metabolische Signale auf die Uhr zurück und modulieren deren Aktivität. Ein Beispiel hierfür ist das Enzym SIRT1, dessen Aktivität vom zellulären NAD⁺-Spiegel abhängt. Da dieser Spiegel eng mit dem Energiezustand der Zelle verbunden ist, kann SIRT1 die Aktivität circadianer Transkriptionsfaktoren beeinflussen und damit die Uhr an den metabolischen Zustand anpassen. Ein weiteres Beispiel ist die AMP-activated protein kinase (AMPK), die bei Energiemangel aktiviert wird und unter anderem die Stabilität von CRY-Proteinen beeinflussen kann.

Durch diese bidirektionale Kopplung entsteht ein fein abgestimmtes System, in dem die circadiane Uhr metabolische Prozesse zeitlich koordiniert, während gleichzeitig Nährstoffe, Energiezustand und metabolische Signale die Funktion der Uhr modulieren. Diese enge Wechselwirkung ermöglicht es dem Organismus, Stoffwechselprozesse optimal an den Tag-Nacht-Rhythmus und an wechselnde Umweltbedingungen anzupassen. „Da Glukose so viele Signalwege beeinflusst, geht man davon aus, dass ein Glukosemangel die Rückkopplungsschleifen der circadianen Uhr beeinträchtigen und ihre Fähigkeit, einen konstanten Rhythmus aufrechtzuerhalten, behindern könnte“, erklärt die Hauptautorin Anita Szöke, Doktorandin am Institut für Physiologie der Semmelweis-Universität in Budapest, Ungarn. „Wir wollten untersuchen, wie sich ein chronischer Glukosemangel auf die molekulare Uhr auswirkt und welche Rolle die Uhr bei der Anpassung an Hunger spielt.“

Uhrkomponenten haben großen Einfluss auf den Ausgleich des Energiehaushalts innerhalb der Zellen

Anhand des Pilzes Neurospora crassa als Modell untersuchte das Team zunächst, wie sich ein 40-stündiger Glukosemangel auf zwei Kernkomponenten der Uhr auswirkte, den sogenannten White Collar Complex (WCC), der aus den beiden Untereinheiten WC-1 und 2 besteht, und Frequency (FRQ). Sie fanden heraus, dass die Konzentrationen von WC1 und 2 allmählich auf etwa 15 % bzw. 20 % der Ausgangswerte vor dem Hunger zurückgingen, während die FRQ-Konzentrationen unverändert blieben, jedoch durch die Hinzufügung vieler Phosphatgruppen (ein Prozess, der als Hyperphosphorylierung bezeichnet wird) verändert wurden. Normalerweise verhindert die Hyperphosphorylierung, dass FRQ die WCC-Aktivität hemmt – daher spekulierten die Autoren, dass die höhere Aktivität den Abbau des WCC beschleunigen könnte. Als sie die nachgelagerten Aktionen von WCC untersuchten, gab es kaum Unterschiede zwischen den hungernden Zellen und denen, die noch in Glukose wuchsen. Zusammengenommen deutet dies darauf hin, dass die circadiane Uhr während des Glukosehungers weiterhin robust funktionierte und die rhythmische Expression zellulärer Gene antrieb.

Um die Bedeutung der molekularen Uhr für die Anpassung an Glukoseentzug weiter zu untersuchen, verwendete das Team einen Neurospora-Stamm, dem die WC-1-Domäne von WCC fehlte. Anschließend verglichen sie die Genexpressionsniveaus nach Glukoseentzug mit denen von Neurospora, die eine intakte molekulare Uhr enthielten. Sie fanden heraus, dass ein langfristiger Glukoseentzug mehr als 20 % der kodierenden Gene betraf und dass 1.377 dieser 9.758 kodierenden Gene (13 %) stammspezifische Veränderungen aufwiesen, je nachdem, ob die Zellen eine molekulare Uhr hatten oder nicht. Dies deutet darauf hin, dass die Uhr ein wichtiger Mechanismus für die Reaktion der Zellen auf einen Glukosemangel ist.

Als Nächstes untersuchte das Team, ob eine funktionierende Uhr für die Erholung der Zellen nach Glukoseentzug wichtig ist. Sie fanden heraus, dass das Wachstum von Neurospora-Zellen ohne funktionierende FRQ oder WCC nach Zugabe von Glukose deutlich langsamer war als das von normalen Zellen, was darauf hindeutet, dass eine funktionierende Uhr die Regeneration der Zellen unterstützt. Als sie das Glukosetransportsystem von Neurospora untersuchten, stellten sie außerdem fest, dass Zellen ohne funktionierende Uhr nicht in der Lage waren, die Produktion eines wichtigen Glukosetransporters anzukurbeln, um mehr Nährstoffe in die Zelle zu transportieren. „Die deutlichen Unterschiede im Erholungsverhalten von Pilzstämmen mit und ohne funktionierende molekulare Uhren lassen darauf schließen, dass die Anpassung an sich verändernde Nährstoffverfügbarkeit effizienter ist, wenn eine circadiane Uhr in einer Zelle funktioniert“, erklärte die leitende Autorin Krisztina Káldi, außerordentliche Professorin an der Semmelweis-Universität. Dies deutet darauf hin, dass die Uhrkomponenten einen großen Einfluss auf den Ausgleich des Energiehaushalts innerhalb der Zellen haben, und unterstreicht die Bedeutung der Uhr für die Regulierung des Stoffwechsels und der Gesundheit.