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Dienstag, 23.05.2017
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„Lichtschalter” der Inneren Uhr identifiziert

Protein reagiert mit Konformationsänderung auf Lichteinfall

Dass wir Menschen eine innere Uhr besitzen, merken wir spätestens dann, wenn der Jetlag sie durcheinander bringt. Jetzt haben Wissenschaftler herausgefunden, wie diese Uhr erkennt, ob es um uns herum hell oder dunkel ist. Den biologischen Mechanismus beschreiben die Forscher in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift „Science“.
Struktur des lichtempfindlichen vivid-Proteins

Struktur des lichtempfindlichen vivid-Proteins

Circadiane Uhren in den Zellen der höheren Organismen reagieren auf die Unterschiede zwischen Tag und Nacht und ermöglichen es dem Körper so, seine Abläufe optimal auf einen täglichen Rhythmus einzustellen. Beim Menschen beeinflusst diese Uhr nicht nur, wann wir abends müde werden oder morgens aufwachen, sie reguliert auch einen Großteil unserer Stoffwechselfunktionen. Wird dieser Rhythmus beispielsweise durch Flugreisen in andere Zeitzonen gestört, ist nicht nur Jetlag die Folge, krankhafte Veränderungen der Tagesrhythmik können auch psychische Störungen und sogar Krebs auslösen.

Lichtabsorption setzt Kettenreaktion in Gang


„Diese Uhren gibt es in allen Organismen, selbst in solchen, die von der Entwicklung her Millionen von Jahren auseinander liegen“, erklärt Brian Crane, Biochemiker an der Cornell Universität und Hauptautor der Studie. Ausgehend von der Prämisse, dass die grundlegenden Mechanismen dennoch in allen Organismen sehr ähnlich sein könnten, führten er und seine Kollegen Versuche an einem Pilz, Neurospora crassa, durch. Sie erforschten, wie dieser Organismus Lichtsensoren einsetzt, um die Produktion von Farbpigmenten zu steuern. Die direkt nach Sonnenaufgang erzeugten Carotinoide dienen dazu, den Pilz gegen die UV-Strahlung der Sonne abzuschirmen.

Die Wissenschaftler konzentrierten ihre Studie auf ein spezielles Protein namens vivid, dass ein Licht absorbierendes Molekül, eine so genannte Chromophore, enthält. Fängt diese Chromophore ein Lichtteilchen ein, löst die Energie des Photons eine ganze Serie von Wechselwirkungen aus, die letztlich zu einer Veränderung der Atomanordnung an der Oberfläche des Moleküls führen. Diese strukturellen Veränderungen wiederum lösen eine Kaskade von Ereignissen aus, die auch auf die Genexpression wirken. Wie ein Schalter sorgen sie dafür, dass die für die Carotinoid-Produktion verantwortlichen Gene an oder aus geschaltet werden.

In einem ihrer Versuche tauschten die Forscher ein einzelnes Sauerstoffatom an der Oberfläche des vivid-Proteins gegen ein Schwefelatom aus. Dadurch gelang es ihnen, die gesamte Kette der licht gesteuerten Ereignisse zu unterbinden und damit auch die strukturellen Veränderungen an der Proteinoberfläche zu verhindern. Als Folge unterblieb auch die Pigment-Produktion.


Ein Protein als Schalter


„Wir können nun zeigen, dass diese Konformationsänderung des Proteins direkt mit seiner Funktion im Organismus zusammenhängt”, erklärt Brian Zoltowski, Mitarbeiter der Studie. Die circadiane Uhr erlaubt es dem Pilz, Carotinoide nur dann zu regulieren und zu erzeugen, wenn sie als Schutz gegen die Sonnenstrahlen gebraucht werden. Ein ähnlicher „Schalter“ könnte, so die Ansicht der Forscher, auch für die Regulation des Schlafzyklus beim Menschen verantwortlich sein.

„Wir wollten versuchen, das Verhalten auf der molekularen Ebene zu verstehen“, so Crane. „Das ist eine großartiges Beispiel für chemische Biologie: Wir verändern die Chemie eines einzigen Moleküls in einer bestimmten Art und Weise und verändern dadurch das Verhalten eines komplexen Organismus.“
(Cornell University, 24.05.2007 - NPO)
 
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