Biowissenschaften Medizin-Nobelpreis für die Aufklärung der inneren Uhr

Das war eine freudige Überraschung. Der diesjährige Medizin-Nobelpreis geht an drei Personen, von denen ich zwei sehr gut kenne. Jeffrey Hall lernte ich in Würzburg Anfang der 80er Jahre kennen, als er dort das genetische Institut besuchte, an dem ich Assistent von Martin Heisenberg war.  Von Jeffrey C. Hall wurde ich später zum Vortrag an die Brandeis University in Waltham, Massachusetts eingeladen und war dort sein Gast. Michael Rosbash hatte ich meinerseits 1986 zum "Ersten Europäischen Meeting der Drosophila Neurogenetik" nach Simonswald eingeladen, wo er einen Vortrag hielt, von dem ich noch den "Abstract" (die Zusammenfassung) habe. Co-Autor war neben anderen Jeffrey Hall und der Vortrag handelte von dem period-Gen.

Ich zitiere hier die ersten Sätze aus der Zusammenfassung von damals:

Michael Rosbash
We have analysed the structure and expression of the period (per) gene in D. melanogaster. This gene is intimately associated with the generation and/or maintenance of biological clocks in this species, since mutations  at the locus  abolish or alter the nature of several kinds of rhythms.

Übersetzung:
Wir haben die Struktur und die Expression des period (per) Gens in D. melanogaster analysiert. Dieses Gen ist sehr eng mit der Generierung und/oder  der Aufrechterhaltung biologischer Uhren in diesem Organismus verknüpft, denn Mutationen in diesem Gen eliminieren oder modifizieren mehrere Typen von Rhythmen.

Das period Gen wirkt als Oszillator: Es wird im Zellkern transkribiert (d. h. es bildet mRNA). Die mRNA wandert aus dem Zellkern in das Zytoplasma und wird dort translatiert (d. h. die mRNA  dirigiert die Synthese eines Eiweißmoleküls, des Period-Proteins). Dieses Protein assoziiiert mit einem anderen Protein und wandert in den Zellkern, wo es die Transkription des period Gens hemmt, d.h. es wird weniger mRNA gebildet, später als Ergebnis davon auch weniger Protein, die Hemmung der Transkription wird somit wieder aufgehoben und so weiter und sofort. Der Zyklus dieser Oszillation ist um die 24 Stunden. Diese autonom oszillierende Uhr wird normalerweise durch den Tag-Nacht Rhythmus durch zusätzliche Signale auf exakt 24 Stunden synchroniert.

Unter konstanten äußeren Bedingungen, also konstant dunkel oder konstant hell, ist der Rhythmus freilaufend und gerät zunehmend mit dem Tag-Nacht Rhythmus draußen außer Phase.

Wer sich für das Thema der Inneren Uhr näher interessiert, kann die grundlegenden Mechanismen in meinem Online Kapitel zum Lehrbuch der Genetik auf ZUM.DE von 1998 nachlesen, in dem ich auch bereits die Arbeiten von Hall und Rosbash ausführlich gewürdigt habe.

https://www.zum.de/neurogenetik/5_4_1.html

Den dritten Nobelpreisträger, Michael W. Young, habe ich persönlich nie kennengelernt. Ihm ist es vor allem zu verdanken, dass man heute weiß, dass die bei der Fliege gefundenen Gene generell wirksam sind und im Menschen die gleichen Mechanismen wirken.

Der biologische Rhythmus ist ein grundlegendes Naturphänomen und dem 24stündigen Tag-Nachtwechsel geschuldet, der seit Milliarden von Jahren das Leben auf dieser Erde beeinflusst hat. Wir alle wissen, dass es uns gut tut, wenn wir uns diesem Rhyrhmus unterwerfen und dass es ungesund ist, es nicht zu tun.

Der Jetlag nach Reisen auf andere Kontinente ist quälend. Durch diese "Zeitsprünge" kommt die Synchronisation unserer inneren Uhr mit dem Rhythmus der Außenwelt in Unordnung und es dauert Tage, bis wir uns richtig angepasst haben.

Karl

 

Das ist in der Tat ein sehr interessantes Thema, jedenfalls für mich.
Jedoch fehlen mir zum durchgängigen Verständis doch wesentliche Grundlagen.

Einige Fragen stehen aber so im Raum bei mir.
1) ist es den Erkenntnissen zu den Fruchtfliegen gemäß dann nicht (auch) möglich, das Schlafbedürfnis komplett auszuschalten, bzw zu verhindern?
2) Die Folgerung daraus müsste doch dann logisch auch ergeben, dass Eigenschaften und Verhalten vererbt werden. Also nicht nur lebende Materie, sondern auch Gefühle, Denkarten?
Nun möchte ich es dabei nicht auf die NaziMethode des Übermenschen anlegen, aber dann wäre doch durchaus die Frage angebracht, ob es mehrere Arten Menschen gibt. Nicht nur von ihrer Hautfarbe, sondern auch von ihrer vererbten Einstellung und evtl ihren Möglichkeiten her.
Ich kann mir vorstellen, dass dazu noch weitere Erkenntnisse ans Licht kommen. Es kann ja nicht alles angelernt sein.

Wie ist man nur auf die Idee gekommen, das ausgerechnet an Fruchtfliegen zu erkennen und 'auszubauen'? Ich meine, auch ein Elefant schläft ja; nur ist der wohl nicht so einfach zu bändigen. Aber vom reinen Verständnis her. Es kann ja kaum möglich sein, dass dieser mickrige Winzling einer Fruchtfliege ds einzige Lebewesen mit diesen Eigenschaften ist. Warum dann ausgerechnet diese schwierig zu handhabende Fliege?
Und warum überhaupt eine solche Mutation im Laufe der Mrd Jahre?
Hat da 'irgendwer' die Kontrolle drüber?
Fragen über Fragen - und für mich keine Zeit (mehr), damit von quasi minus-null anzufangen.
Trotzdem interessant.

Glückwunsch an die Winner!

Hallo Digi,

am Besten ist es, ich antworte auf deine Fragen und Gedankengänge einzeln.

1) ist es den Erkenntnissen zu den Fruchtfliegen gemäß dann nicht (auch) möglich, das Schlafbedürfnis komplett auszuschalten, bzw zu verhindern?

Die Regulation des Schlaf-Wach Zyklus ist tatsächlich eine der ganz wichtigen Funktionen der inneren Uhr. Was durch Mutationen in der inneren Uhr passieren kann, das ist dass der Rhythmus verloren geht und zumindest unter konstanten äußeren Bedingungen Schlafphasen und Wachphasen sich völlig ungeordnet ablösen und kein regelmäßiger Rhythmus mehr sichtbar wird.

Das Schlafbedürfnis baut sich aber auch auf, wenn die innere Uhr defekt ist. Gehirne, auch Fliegengehirne benötigen den Schlaf zur Regeneration und Schlaf spielt wohl eine wichtige Rolle bei der Konsolidierung von Gedächtnisinhalten, auch bei Insekten.

2) Die Folgerung daraus müsste doch dann logisch auch ergeben, dass Eigenschaften und Verhalten vererbt werden. Also nicht nur lebende Materie, sondern auch Gefühle, Denkarten?
geschrieben von digizar

Verhalten wird von Gehirnen hervorgebracht und jeder Istzustand eines Gehirns ist das Ergebnis eines Entwicklungsprozesses, bei dem auch die Erfahrungen, die Lernprozesse des Gehirns eine Rolle spielen. Erbe und Umweltfaktoren sind deshalb nicht trennbar.

... aber dann wäre doch durchaus die Frage angebracht, ob es mehrere Arten Menschen gibt. Nicht nur von ihrer Hautfarbe, sondern auch von ihrer vererbten Einstellung und evtl ihren Möglichkeiten her.
Ich kann mir vorstellen, dass dazu noch weitere Erkenntnisse ans Licht kommen. Es kann ja nicht alles angelernt sein.
geschrieben von digizar

Natürlich ist nicht alles erlernt. Menschen unterscheiden sich auch aufgrund ihrer Anlagen, aber dies bedeutet keineswegs, dass es mehrere "Arten" von Menschen gibt (Du meinst wahrscheinlich "Rassen"), denn ich bin ja keine neue Rasse, nur weil ich aufgrund meiner zufälligen Genkombination kleiner bin als mein älterer Bruder. Empirische Genpopulationsuntersuchungen zeigen, dass die Streuung innerhalb ethnischer Menschengruppen größer ist als zwischen diesen ethnischen Gruppen. Der Europäer z. B. war noch vor 10 000 Jahren dunkelhäutig.

Aus der TAZ:

TAZ: Sie haben Hunderte prähistorische Skelette untersucht und können anhand deren Gene auf Wanderungsbewegungen schließen. Was haben Sie über die Herkunft der Europäer herausgefunden?

Johannes Krause: Dass wir eine genetische Mischung sind, die im Laufe der Zeit entstanden ist. Vor 14.000 Jahren kam es zur ersten Einwanderung nach Europa wahrscheinlich von Menschen, die mit denen aus dem heutigen Nahen Osten eng verwandt sind. Vor 8.000 Jahren wanderten dann erneut Menschen aus dem Nahen Osten ein, vor zirka 5.000 Jahren dann aus Asien.
... 
TAZ: Lassen die Gene Schlüsse zu, wie die Menschen damals aussahen?

Johannes Krause: Wir können tatsächlich sagen, wie sich das Erscheinungsbild verändert hat im Laufe der Zeit. Vor der Eiszeit hatten die bisher untersuchten Menschen in Europa alle braune Augen, nach der Eiszeit waren die Augen blau. Die Ureuropäer, die vor Zehntausenden Jahren in Europa lebten, hatten eine dunkle Hautfarbe. Das entspricht nicht dem üblichen Bild. Wenn ich ins Museum gehe, sind die Jäger und Sammler von vor 10.000 Jahren meist weiß dargestellt – dabei waren sie schwarz und hatten blaue Augen. Sie wiesen keines der Gene auf, die heute eine helle Hautfarbe verursachen. Die heutige helle Haut hat sich erst in der Bronzezeit in Europa ausgebreitet, also vor circa 5.000 Jahren.
...
TAZ: Der Genetik wird auch der Vorwurf gemacht, dass sie, indem sie bestimmte genetische Gruppen ausmacht, Rassismus Vorschub leistet. Was sagen Sie dazu?

Johannes Krause: Ich glaube, keine Disziplin hat den Rassismus so dekonstruiert wie die Genetik. Wir zeigen, dass jeder Mensch verschiedene Genkomponenten in sich trägt. Man kann nicht sagen: Hier fängt der Amerikaner an und hier hört der Asiate auf, das geht ineinander über. Jeder ist mit jedem irgendwie verwandt. Das fängt schon beim Neandertaler an, auch mit dem haben wir uns genetisch vermischt.

Prof. Johannes Krause ist Direktor am neuen Max-Planck-Institut für Menschheitsgeschichte in Jena.

Nun zu Deiner nächsten Frage:

Wie ist man nur auf die Idee gekommen, das ausgerechnet an Fruchtfliegen zu erkennen und 'auszubauen'? Ich meine, auch ein Elefant schläft ja; nur ist der wohl nicht so einfach zu bändigen. 
geschrieben von digizar

Fruchtfliegen sind seit über 110 Jahren die Paradetiere der Genetik. Die Gründe dafür sind vielfältig: sie sind billiger und in viel millionenfach größerer Zahl zu halten als Elefanten, ihre Generationszeit ist nur 14 Tage, man altert nicht merklich, wenn man genetische Kreuzungen zwischen Fliegen auswertet - anders als bei Elefantenkreuzungen. 

Aber vom reinen Verständnis her. Es kann ja kaum möglich sein, dass dieser mickrige Winzling einer Fruchtfliege ds einzige Lebewesen mit diesen Eigenschaften ist. Warum dann ausgerechnet diese schwierig zu handhabende Fliege?
geschrieben von digizar

Drosophila ist ein Modell für alle anderen Tiere inklusive Homo sapiens. Gerade die biologische Uhr wurde dem Leben ja von Anfang an aufgedrückt. Es sollte also nicht verwundern, dass die bei Drosophila hierzu gefundenen Ergebnisse allgemeine Prinzipien widerspiegeln. Drosophila ist nicht schwierig zu handhaben, sondern deutlich einfacher als ein Elefant.

Und warum überhaupt eine solche Mutation im Laufe der Mrd Jahre?
Hat da 'irgendwer' die Kontrolle drüber?
geschrieben von digizar

Mutationen, die die biologische Uhr zerstören oder modifizieren, wurden gezielt in groß angelegten Versuchen gesucht. Um Mutanten der inneren Uhr zu finden, mutagenisierten Konopka und Benzer 1971 Fruchtfliegen und untersuchten das Schlüpfverhalten derselben.

Abbildung aus Fischbach, Couet, Hofbauer 1998. Die dargestellten Phänotypen gehören zu drei Mutationen, die alle in das gleiche Gen, das period-Gen, kartiert werden konnten.

Viele Gene für lebenswichtige Funktionen wurden bei Drosophila in den letzten 110 Jahren dadurch entdeckt, dass unter Millionen von Nachkommen mit erhöhter Mutationsrate (ausgelöst durch Röntgenstrahlen oder durch chemische Mutagene) nach defekten Phänotypen gesucht wurde. Ich selber habe z. B. im Laufe meiner Berufsjahre gezielt solche Mutanten gesucht, die eine veränderte Gehirnstruktur aufweisen. Die Gene, die wir gefunden haben, sind u.a. wichtig für die Verknüpfung der Nervenzellen im Gehirn. Es gibt sie auch beim Menschen. Bei Fliegen kann man sie geldsparend untersuchen. Untersuchungen bei Fliegen helfen dann bei höheren Tieren und beim Menschen gleich die richtigen Fragen zu stellen, wenn  man dort die Genfunktionen untersuchen will.

Karl

Das ist sehr interessant zu lesen. Danke Karl und herzlichen Gruß

Roxanna

Karl, ich bedanke mich für die Mühe die Du Dir gemacht hast.
Und natürlich für die angebotenen Informationen.
Ich lese immer noch, ein schier endloses Thema (für mich).

Irgend etwas spielt in unseren (meinen) Überlegungen und Spezifikationen doch eine Rolle; das ist nach meinen Spekulationen die Zeit. Die Zeit, die für uns nicht direkt greifbar und vorstellbar ist. Vielleicht gibt es noch ein vollkommen unbekanntes Medium, das es als Schlüssel zu entdecken gilt? Gravitation und die Auswirkungen? Irgend eine unbekannte Kraft?

Mithin komme ich nicht darum herum zu vermuten, dass es doch eine 'übergeordnete Intelligenz' gegeben haben muss (könnte?) und gibt, die diese Vielfalt auf den Weg brachte und sie am Laufen hält.
Ich glaube allerdings, dass wir dieses nicht an eine Person oder an eine Einrichtung knüpfen dürfen.
Nur - was ist 'es' ? Die unbekannte, unbegreifbare 'Menge Zeit'?

Hier habe ich etwas Interessantes zu John Gurdon gefunden, der den Nobelpreis fürMedizin 2012 erhielt.

Im Jahr 1949 schrieb sein Lehrer dem damals 16jährigen eine katastrophale Beurteilung aus:

"Ich denke er möchte Wissenschafter werden...irrwitzig...er begreift einfachste biologische Zusammenhänge nicht..will nicht zuhören, sondern alles auf seine Art machen... Zeitverschwendung für ihn und die, die ihn lehren müssen."

Interessant, denn so manch anderer Preisträger dieser Auszeichnung, z:b. auch Albert Einstein, wurde von den Lehrern änlich schlecht beurteilt-

PS das Bild ist open sources

"Ich denke er möchte Wissenschafter werden...irrwitzig...er begreift einfachste biologische Zusammenhänge nicht..will nicht zuhören, sondern alles auf seine Art machen... Zeitverschwendung für ihn und die, die ihn lehren müssen."
Interessant, denn so manch anderer Preisträger dieser Auszeichnung, z:b. auch Albert Einstein, wurde von den Lehrern änlich schlecht beurteilt-
PS das Bild ist open sources

Die hören einfach nicht mehr zu, weil der gebotene Stoff schon vollkommen uninteressant ist. Sie machen sich über stichwortartig aufgeschnappten Lehrstoff schon Gedanken was damit alles gemacht werden kann; während der Lehrer (aus deren Sicht) noch 'salbadert'. Dadurch werden die Noten zwar oft katastrofal, aber es macht denen nix aus. Sie gehen ihren eigenen Weg und sind schon ein oder zwei Jahre weiter. Und man sieht ja, was dabei rauskommen kann. Diese Typen sind auch ausgesprochen lustig und unkonventionell, wie an der Zunge Einsteins' gesehen werden kann. Es gibt für sie auch keine Norm.

Die VErgabe des diesjährigen Nobelpreises für Medizin empfinde ich sehr rätselhaft. M.E. konterkariert sie extrem den Willen des Stifters.
Alfred Nobel wollte, dass die Preise an Wissenschaftler gehen, "die im vergangenen Jahr der Menschheit den grössten Nutzen erbracht haben".
Wer anderes sollte das im Pandemie-Jahr 2021 sein als die Entwickler von Impfstoffen gegen Covid 19 auf der GRundlage der mRNA-Technologie?

Nichts hat die Welt bis heute so erschüttert wie das Coronavirus und nur weil in kürzester Zeit effektive Impfstoffe entwickelt wurden, kann die Menschheit uf ein baldiges Ende der Pandemie hoffen.  Diese Forschung lässt sich umrechnen in gerettete Menschenleben.

HÄtte sich die Nobel-Jury dafür entschieden, es wäre ein immenser Anreiz für die Forschung gewesen, um diese für solche Innovationen noch mehr zu begeistern. Und ausserdem ein wichtiges Zeichen gesetzt, damit die Impfungen weltweit wieder zunehmen. Olga