Billig, genügsam und auch noch überpünktlich

Fruchtfliegen sind immer pünktlich. Sie wissen, wann es Zeit ist aktiv zu werden – einmal morgens, einmal abends, zu Zeiten des Taus also, weshalb sie auch Taufliegen genannt werden. Zwei separate innere Taktgeber helfen diesen Insekten dabei, diesen Tagesrhythmus einzuhalten. Ein amerikanisches und ein französisches Forscherteam beschäftigen sich im aktuellen Nature mit dem raffinierten Uhrwerk von Drosophila melanogaster.

Komplexer Taktgeber

Viele Lebewesen haben sich im Verlauf ihrer Evolution an den Tag-Nacht-Rhythmus auf der Erde gewöhnt und einen 12-Stunden-Takt, den so genannten circadianen Rhythmus, entwickelt. Die Fruchtfliege, Drosophila melanogaster, das "Supermodel" der Genetik, besitzt einen besonders ausgeprägten Sinn dafür: Sie wird morgens aktiv, legt dann ein längeres Päuschen ein, um abends noch einmal an faulenden Früchten oder Getränkeresten gütlich zu tun.

Schon länger war bekannt, dass es ein bestimmtes Uhren-Gen gibt, "Period" (Abk.: per) genannt, und dass bestimmte Nervenzellen, die LN_v-Neuronen ,die den Neurotransmitter PDF (pigment-dispersing factor) produzieren und hierbei eine wichtige Funktion als Taktgeber einnehmen. Wurden sie ausgeschaltet, geriet der gewohnte Trott durcheinander, doch die Versuche zeigten auch, dass das Uhrwerk komplexer ist.

Unabhängig voneinander entdeckten nun ein amerikanisches Forscherteam unter Leitung von Michael Rosbash vom Howard Hughes Medical Institute and National Center for Behavioural Genomics der Brandeis University in Massachusetts und französische Forscher vom Institut de Neurobiologie Alfred Fessard des Centre National de la Recherche Scientifique in Gif-sur-Yvette angeführt von François Rouyer, dass die Fruchtfliege zwei verschiedene innere Uhren besitzt: eine Taguhr und eine Nachtuhr.

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Clockwork Drosophilidae

Die innere Uhr der Fluchtfliege besteht aus bestimmten Nervenzellengruppen im Gehirn. Drei von ihnen liegen im oberen Hirnbereich, zwei weitere liegen seitlich. Diese seitlichen Zellgruppen werden weiter unterteilt in eine obere Ansammlung, LN_d (dorsal lateral Neurons, L = lateral, N = Nerven, d = dorsal bzw. oben liegend,), und eine weiter unten (ventral) gelegene, die Gruppe LN_v (ventral lateral Neurons). Die Forschergruppe um Michael Rosbash nun legte gezielt einzelne Bestandteile dieses inneren Taktgebers lahm: Sie töteten entweder die LN_v-Zellen oder die LN_d-Zellen ab und beobachteten anschließend, wie sich dies auf die Aktivitäten der Fliegen auswirkte.

Überpünktliche Fruchtfliegen

Normalerweise werden Fruchtfliegen zweimal am Tag aktiv: Einmal wenn es hell wird und ein zweites Mal, wenn es dunkelt. Doch Helligkeit bzw. Dunkelheit sind nicht der direkte Auslöser der Aktivität. Die Insekten werden immer schon aktiv noch bevor es hell oder dunkel wird. Anders reagierten hingegen die von Rosbash und seinen Kollegen manipulierten Fliegen. Ihr Verhalten richtete sich zwar weiterhin nach den Lichtverhältnissen, aber der Rhythmus hatte sich verändert: Fehlte ihnen LN_d, flogen sie nur morgens pünktlich aus, abends hingegen wurden sie erst nach dem Lichtwechsel aktiv. Umgekehrt konnten die Fliegen ohne LN_v nur den Abend voraussehen und verschliefen den Morgen. Wurde ihnen konstante Dunkelheit simuliert, wurden beide Testgruppen nur einmal wach – entweder morgens oder abends. Daraus schlossen Rosbash und sein Team, dass LN_v der morgendliche und LN_d der abendliche Muntermacher ist.

Taktlose Mutanten

Rouyer und seine Arbeitsgruppe analysierten die innere Uhr von Drosophila mit Hilfe von genetisch veränderten Insekten. Sie verwendeten Fruchtfliegen, denen das Uhren-Gen Period fehlte und die sich deshalb völlig "taktlos" verhielten. Bei ihren Experimenten schalteten die Wissenschaftlern das per-Gen gezielt aus entweder ausschließlich in LN_v-Zellen oder sowohl in LN_v- als auch in LN_d-Zellen. Das Ergebnis: Wenn nur die LN_v-Neuronen aktiviert wurden, wachten die Fliegen morgens pünktlich vor dem Hellwerden auf, sie kamen dafür aber abends nicht in die Socken. Abends schwärmten nur diejenigen pünktlich aus, bei denen die Hälfte der LN_d-Zellen aktiviert waren.

Geschlauchten Schichtarbeitern oder übernächtigten Partygängern nützen diese Ergebnisse erst mal nicht viel. Auch beim Menschen werden viele Vorgänge von einer inneren Uhr gesteuert, doch es ist wieder einmal alles viel komplizierter.