genregulation chronobiologie
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Genregulation am Beispiel der ChronobiologieTRANSCRIPT
Chronobiologie
… und Genetik
Quelle u.a.
Beteiligte Gene (bei Drosophila)
• per (für period) auf dem X-Chromosom
• tim (für timeless) auf Chromosom 2
produzieren (im Cytoplasma) die Proteine
• PER
• TIM
… wenn es dunkel wird
Ablauf:
X= per(iod)
= tim(eless)
Translation
PERTIM
Gene:
Proteine:
Es wird dunkel, dann …
Chromosom 2:X-Chromosom:
Transkription
Zellkern
Cytoplasma
und
Was geschieht?
• Die beiden Proteine lagern sich bei genügend hoher Konzentration aneinander und bilden Komplexe
• Diese Komplexe dringen in den Zellkern ein und schalten dort ihre Gene (deren Produktion der m-RNA) ab
• Enzyme bauen die PER-TIM-Komplexe wieder ab
Bildlich:
Wenn viel vorhanden, dann …
TIM PER
Diese wandern in den Zellkern …
Xx x
… bilden sie Komplexe.
… schalten die Gene ab …
… und werden von Enzymen abgebaut
Timelag
• TIM-Protein verschwindet bei (künstlichem) Wechsel von dunkel nach taghell (innerhalb von Minuten)
– verschwindet, wenn Wechsel von 20 Uhr (dunkel) nach 17 Uhr (hell) erfolgt
• … wird aber wieder gebildet, wenn es danach dunkel wird • „Innere Uhr“ wird kurz angehalten, tickt dann aber wie neue
Zeitzone
– verschwindet, wenn Wechsel von 4 Uhr nachts nach 7 Uhr morgens erfolgt
• … und bleibt weg (weil ja dann der Tag folgt)• „Innere Uhr“ wird vorgestellt
Wenn es hell wird:
TIM PER
Xx x
Wenn viel vorhanden, dann …
Diese wandern in den Zellkern …
… bilden sie Komplexe.
… schalten die Gene ab …
… und werden von Enzymen abgebaut
Wenn es dunkel wird:
PERTIM
Proteine:
X= per(iod)
= tim(eless)
Gene:
Chromosom 2:X-Chromosom:
Zellkern
Cytoplasma
Transkription
Translation
tim-Boten-mRNA
• Konzentration ist – gegen 20 Uhr am höchsten – zwischen 6 und 8 Uhr am tiefsten
• das Licht des vorverschobenen Tagesanbruchs eliminiert vorhandenes TIM-Protein, und der nächste neue Produktions-Zyklus kann daher früher beginnen.
• Bei Mensch und Maus gibt es Gegenstücke des per- und tim-Gens
• Beide Gene sind im suprachiasmatischen Kern (SCN) im Gehirn aktiv.
Was aktiviert eigentlich die Gene per und tim am Anfang des Zyklus? • Ein Gen – getauft clock ("Uhr") – codiert einen
Transkriptionsfaktor; dieses CLOCK-Protein heftet sich an die Erbsubstanz, um deren Abschreiben in Boten-RNA in Gang zu setzen
• das CLOCK-Protein dockt bei Mäusen gezielt ans per-Gen an (dadurch wird per transkribiert)
• in Fliegen kooperiert dieses CLOCK-Protein mit einem anderen Protein von einem Gen namens cycle ("Zyklus"): es heftet sich mit ihm an die Gene per und tim und aktiviert sie – jedoch nur dann, wenn sich gerade keine PER-TIM-Komplexe im Zellkern befinden
Bei Mäusen:
XTranslation
Transkription
CLOCK(Protein/Transkriptionsfaktor)
TranskriptionTranslation
PER
= clock
Gen
Bei Fliegen:
X
= clock
Gen
= cycleTranslation
Translation TIM
PER
Translation
Transkription von clock
Transkription von cycle
Transkription von per
Transkription von tim
CLOCK(Protein)
CYCLE(Protein)
+
wenn:
dann:
… und wie funktioniert die „innere Uhr“?
• die „inneren Uhren“ von Maus und Taufliege steuern das Timing von Verhaltensmustern, die "Gezeiten" von Hormonen und andere zeitabhängige Körperfunktionen
• Anscheinend tritt das CLOCK-Protein mit manchen der dabei tätigen Gene in direkte Wechselwirkung und schaltet sie dadurch ein (es ist ja ein Transkriptionsfaktor). – zu Tageszeiten jedoch, in denen das PER- und das TIM-Molekül im
Zellkern anwesend sind, hindern die beiden das CLOCK-Protein daran– ganz so, wie sie dann auch ihre eigene Produktion unterbinden und
dadurch die Oszillationen in der zentralen Rückkopplungsschleife überhaupt erst zu Stande kommen lassen.
• Auf diese Weise könnten die Proteine PER und TIM vielen weiteren Genen ein tagesperiodisches Aktivitätsmuster aufprägen.
Abb. 1: Phasenkarte des Menschen
• Chronobiologische Werte frequenzsynchronisierter (24 h) circadianer Rhythmen des Menschen.
• Zeitpunkt des Maximums (.) des Rhythmus ± 0,95 Vertrauensgrenzen (–.–)
Zwei innere Uhren?
• Forscher vermuten, dass es mindestens zwei innere Uhren gibt: – Die erste mit dem Transkriptionsfaktor CLOCK liegt im SCN und
wird über Licht synchronisiert. – Die zweite befindet sich im Vorderhirn, wird über das Protein
NPAS2 gesteuert, und als Zeitgeber dient nicht Licht, sondern dienen sensorische Reize, die beispielsweise Nahrungsknappheit melden.
• Und diese zweite Uhr ist vielleicht für das alltägliche Mittagstief verantwortlich, das uns regelmäßig überfällt.
• "Könnte es sein", so fragen sich die Forscher, "dass die Kulturen, die eine ausgeprägte Siesta pflegen, optimal an unseren inneren Rhythmus angepasst sind?"