34.5.4.5 Nur wenige Neurone im Gehirn von Metazoen enthalten eine „innere Uhr“

Zahlreiche physiologische Experimente haben gezeigt, daß sich die Schrittmacher endogener Rhythmen auf kleinere Bereiche des Nervensystems konzentrieren, auch wenn sich einige ihrer putativen molekularen Bestandteile ubiquitär in Organismen nachweisen lassen. Zum Beispiel gelang es, in Zellkulturen über längere Zeiträume die elektrische Aktivität von Neuronen des suprachiasmatischen Nucleus von Ratten zu registrieren. Es zeigte sich, daß es eine große Population von Zellen gibt, welche autonome circadiane Oszillationen zeigen, unabhängig von möglichen synaptischen Verschaltungen; eine Synchronisation oder Hierarchie von einzelnen Zellen konnte in Kultur nicht demonstriert werden.

Eine daraus resultierende grundlegende Frage lautet, wie die verschiedenen zellulären Oszillatoren in vivo synchronisiert werden, so daß auch in Abwesenheit des äußeren Zeitgebers alle circadian gesteuerten Vorgänge im Organismus synchron ablaufen. Damit verbunden ist die Frage, ob es einen zentralen oder mehrere Sitze der endogenen Oszillatoren gibt.

Zur Lokalisation der inneren Uhr bei Drosophila sind bisher vor allem drei Strategien eingesetzt worden:

• Mit der genetischen Mosaikanalyse konnte der Focus für die Periodik der Laufaktivität auf den Kopfbereich festgelegt werden.
• Durch die Analyse struktureller Gehirnmutanten haben mehrere Arbeitsgruppen versucht, Gehirnbereiche zu identifizieren, die für rhythmisches Verhalten notwendig oder entbehrlich sind.
• Die Expression des Period-Proteins gibt schließlich selbst Auskunft über in Frage kommende Zellpopulationen. Mehrere Indizien sprechen für eine Beteiligung von Strukturen im optischen Lobus.

Bei vielen Insekten wie Grillen, Schaben und Käfern bewirkt die Durchtrennung der optischen Trakte einen Stop der endogenen Tagesperiodik. Die Existenz von Strukturmutanten des optischen Lobus bei Drosophila legt den Einsatz des genetischen Skalpells für die Lokalisation der inneren Uhr nahe. Die Tübinger Chronobiologen Helfrich und Engelmann untersuchten die tagesperiodische Regulation der Laufaktivität bei den Mutanten sine oculis (so), small optic lobes (sol), optomotor blind (omb), lobula plate-less (lop), minibrain (mnb) sowie bei den Doppelmutanten mnb so und sol so (Abb. 34-70). In den Doppelmutanten sind nur noch wenige Prozent der optischen Loben erhalten. Trotzdem ist keine dieser Mutanten arhythmisch. Mit steigender Reduktion der optischen Ganglien, insbesondere bei den Doppelmutanten, zerfällt die endogene Rhythmik jedoch in zwei nicht mehr synchronisierte Komponenten (Abb. 34-71). Diese Ergebnisse lassen für sich keine eindeutige Interpretation zu. Von einigen sind sie vorschnell als Argument gegen die Lokalisation der inneren Uhr in den optischen Loben verwendet worden. Es besteht aber die Möglichkeit, daß die Schrittmacherneurone noch im Rudiment der mutanten optischen Loben verblieben sind. Es sollte sich dann um Tangentialzellen der Medulla oder des Lobulakomplexes handeln, die selbst in den Doppelmutanten noch vorhanden sind. Die Entkopplung der Oszillatoren in den Rudimenten beider optischer Loben würde sich in diesem Fall durch die Eliminierung von Interneuronen erklären lassen, die die bilaterale Kopplung sicherstellen. Einige der in adulten Fliegen als Medullatangentialzellen ansprechbaren und in den Doppelmutanten erhaltenen Neurone sind larvalen Ursprungs; sie gehören zum larvalen visuellen System und sind bereits am Aufbau der larvalen Medulla beteiligt. Schon die Larve verfügt über neuronale Schrittmacher.

Dafür spricht z.B., daß die disco-Mutante mit defektem larvalen Sehsystem arrhythmisch ist: In disco-Embryonen hat der larvale Sehnerv in vielen Fällen keinen Kontakt zu seinen Zielzellen im optischen Lobus. In solchen "unconnected" Tieren (das Komplexauge ist ohne Kontakt zum Gehirn) ist der optische Lobus ähnlich wie in augenlosen small-optic-lobes- und sine-oculis-Mutanten oder minibrain-, sine-oculis-Doppelmutanten drastisch reduziert. Neben dem imaginalen ist jedoch auch der larvale Strukturanteil defekt. Solche disco-Mutanten verhalten sich völlig arrhythmisch. Besonders instruktiv ist, daß auch disco-Mutanten mit nicht voller Expression des mutanten Phänotyps arrhythmisch sind. In diesen "connected"-Tieren haben die imaginalen Retinulazellen Kontakt zum optischen Lobus hergestellt, wodurch sehr viele Interneurone erhalten bleiben. Der optische Lobus ist jedoch trotzdem defekt, insbesondere fehlen ihm die persistierenden Neurone des larvalen Sehsystems. Die disco-Mutation scheint also die larvalen Strukturelemente des optischen Lobus zu eliminieren, die den tagesperiodischen Oszillator enthalten. Eine alternative Hypothese wäre, daß das disco-Gen, das für einen Transkriptionsfaktor codiert, selbst integraler Bestandteil der inneren Uhr ist. Diese Möglichkeit würde per se einer Lokalisation der Schrittmacherneurone im larvalen Anteil des optischen Lobus nicht widersprechen.

Im Gehirn von Drosophila lassen sich die Kerne zahlreicher Zellen mit Antiseren gegen Period darstellen, darunter Photorezeptorzellen, viele Gliazellen und die sogenannten Lateralneurone, denen die Funktion der circadianen Schrittmacher beigemessen wird (Abb. 34-72). Es handelt sich um Medullatangentialzellen, die zu einer Zellgruppe gehören, welche bereits das larvale Medullaneuropil aufbauen. Sie sind in der späten Puppe als einzige Period-positiv. Zu diesem Zeitpunkt muß die innere Uhr schon funktionieren, damit später das Schlüpfen zum richtigen Zeitpunkt garantiert werden kann. Weil aber Period ein Kernprotein ist, lassen sich mit dieser Technik nicht die Verzweigungen und dendritischen Verbindungen zu anderen Regionen des Hirns nachweisen, die Aufschluß auf den "output"-Mechanismus des Oszillators geben könnten. Durch systematische Anwendung zahlreicher Antikörper gegen Subpopulationen von Neuronen im Fliegengehirn stellte es sich heraus, daß ein Antiserum gegen das Pigment-dispersing-Hormone (PDH) aus Crustaceen genau diese Neurone darstellt. In Doppelfärbungen lassen sich beide Genprodukte simultan darstellen. Diese Analyse spricht also sehr stark dafür, daß Tangentialneurone larvalen Ursprungs im optischen Lobus für die circadiane Periodik notwendig sind.