Sauerstoffmangel verstellt innere Uhr

Biologische Vorgänge in Lebewesen passen sich dem Tagesverlauf an. Diese innere Uhr wechselwirkt mit zellulären Prozessen, die bei Sauerstoffmangel aktiviert werden. An Zebrafischen deckten Forscherinnen und Forscher um Margit Egg vom Institut für Zoologie der Universität Innsbruck nun erstmals diesen direkten Zusammenhang auf molekularer Ebene auf.
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Bild: Auch Zebrafische geraten bei Sauerstoffmangel aus dem Takt (Foto: Anil Ramalingam)

Übernachten Bergsteiger im Everest-Basislager, schlafen sie trotz modernster Ausrüstung meistens schlecht. In der dünnen Luft in über 5.000 Metern Seehöhe scheint die innere Uhr, die unter anderem den Wechsel von Ruhe- und Aktivitätsphasen steuert, gestört zu sein. Die tageszeitabhängige Veränderung von physiologischen Prozessen in Organismen wird durch Licht, Temperatur, die Verfügbarkeit von Nahrung und körperliche Aktivität beeinflusst. Sie ist aber auch abhängig vom vorhandenen Sauerstoff, wie die Forscherinnen und Forscher um Dr. Margit Egg nun auf molekularer Ebene nachweisen konnten. Sie arbeiten mit dem Modellorganismus Zebrafisch. Dieser bewohnt unter anderem auch Reisfelder im südasiatischen Raum und hat sich dort an Sauerstoffmangel gewöhnt, weil seine natürlichen Lebensräume durch hohe Temperaturen und hohen Nährstoffeintrag immer wieder einen verminderten Sauerstoffgehalt aufweisen. Auf diese veränderten Lebensbedingungen reagiert der Zebrafisch, indem er bestimmte Gene aktiviert und so die eigenen Stoffwechselprozesse reguliert. „Diese Reaktion auf den Sauerstoffmangel ist aber vom circadianen Rhythmus - der inneren Uhr - abhängig“, erklärt die Zoologin Margit Egg. „Wir konnten zeigen, dass einer der bei Sauerstoffmangel aktivierten Transkriptionsfaktoren (Hif-1alpha) abhängig vom Tagesverlauf stärker oder schwächer hoch geregelt wird. Umgekehrt beeinflusst aber auch der Sauerstoffmangel den circadianen Rhythmus, indem er die Schwingung der inneren Uhr massiv drosselt. Ausgelöst wird das wiederum durch das Hypoxie-Protein Hif-1alpha, das die Expression des Uhr-Gens period1 stark dämpft. Diese enge Wechselbeziehung zwischen der inneren Uhr und der biologischen Antwort auf Sauerstoffmangel konnten die Innsbrucker Wissenschaftler um Margit Egg damit erstmals auf molekularer Ebene aufdecken. Sie nutzten dafür eine Vielfalt an Methoden - von molekularen Analysen, über physiologische Messungen bis hin zu Verhaltensstudien. Die Ergebnisse wurden vor kurzem in der renommierten Fachzeitschrift Chronobiology International veröffentlicht.

Rhythmusstörungen mit Folgen

Der Zufall hatte Margit Egg und ihre Mitarbeiter vor einigen Jahren zur Beschäftigung mit der Chronobiologie geführt. In der Arbeitsgruppe um Institutsleiter Prof. Bernd Pelster wurde der Einfluss der Sauerstoffverfügbarkeit auf die Entwicklung von Zebrafischen untersucht. Die den Sauerstoff-Kreislauf regulierenden Gene zeigten dabei eine vom Tagesverlauf abhängige Aktivität. „Deshalb haben wir diesen Zusammenhang näher untersucht“, sagt Egg. Mit ihrer Arbeitsgruppe will sie nun die physiologischen Auswirkungen von Störungen des circadianen Rhythmus am Zebrafisch näher untersuchen, insbesondere soll dabei der Einfluss auf das Herz-Kreislauf-System näher unter die Lupe genommen werden. Dies könnte wichtige Hinweise auf Ursachen von Herz-Kreislauf-Erkrankungen liefern.