Das Dokument behandelt die Rolle von Genen wie 'per' und 'tim' in der Chronobiologie von Drosophila und deren Einfluss auf die zirkadianen Rhythmen, die durch das Clock-Protein aktiviert werden. Es wird erklärt, wie diese Gene in Reaktion auf Licht und Dunkelheit Protein-Komplexe bilden, die Gene regulieren und die innere Uhr des Organismus steuern. Zusätzlich wird die Hypothese aufgestellt, dass es mehrere innere Uhren gibt, die durch verschiedene Umgebungsreize synchronisiert werden.

1. Chronobiologie … und Genetik Quelle u.a .

2. 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

3. Ablauf: X = per(iod) = tim(eless) Translation PER TIM Gene: Proteine: Es wird dunkel, dann … Chromosom 2: X-Chromosom: Transkription Zellkern Cytoplasma und

4. 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

5. Bildlich: Wenn viel vorhanden, dann … TIM PER Diese wandern in den Zellkern … … bilden sie Komplexe. … schalten die Gene ab … … und werden von Enzymen abgebaut X x x

6. 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

7. Wenn es hell wird: TIM PER X x x Wenn viel vorhanden, dann … Diese wandern in den Zellkern … … bilden sie Komplexe. … schalten die Gene ab … … und werden von Enzymen abgebaut

8. Wenn es dunkel wird: PER TIM Proteine: X = per(iod) = tim(eless) Gene: Chromosom 2: X-Chromosom: Zellkern Cytoplasma Transkription Translation

9. 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.

10. Bei Mensch und Maus gibt es Gegenstücke des per- und tim-Gens Beide Gene sind im suprachiasmatischen Kern (SCN) im Gehirn aktiv.

11. Was aktiviert eigentlich die Gene per und tim am Anfang des Zyklus? Ein Gen – getauft c lock ("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

12. Bei Mäusen: Translation Transkription CLOCK (Protein/Transkriptionsfaktor) Transkription Translation PER = clock Gen X

13. Bei Fliegen: + wenn: dann: X = clock Gen = cycle Translation Translation TIM PER Translation Transkription von clock Transkription von cycle Transkription von per Transkription von tim CLOCK (Protein) CYCLE (Protein)

14. … 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.

16. Abb. 1: Phasenkarte des Menschen Chronobiologische Werte frequenzsynchronisierter (24 h) circadianer Rhythmen des Menschen. Zeitpunkt des Maximums (.) des Rhythmus ± 0,95 Vertrauensgrenzen (–.–)

17. 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?"