Emmy Noether-Nachwuchsgruppe: Untersuchungen zur molekularen Physiologie peripherer zirkadianer Uhren

Physiologie und Verhalten von Säugetieren werden durch ein Netz endogener sog. zirkadianer Uhren koordiniert und so an die im Tagesverlauf rhythmisch veränderlichen Umweltbedingungen optimal angepasst. Die Synchronisation der zirkadianen Zentraluhr im nucleus suprachiasmaticus (SCN) des Hypothalamus mit dem Tag/Nacht-Zyklus ist relativ gut untersucht. Im Gegensatz dazu ist die Synchronisation der Physiologie und Metabolismus kontrollierenden Uhren der Peripherie immer noch kaum verstanden. So wurde zwar gezeigt, dass metabolische Signale periphere Uhren regulieren können, die molekularen Grundlagen dieser Regulation und deren physiologischen Konsequenzen sind aber weitgehend unbekannt. Mit Hilfe eines neuartigen transgenen Mausmodells sollen in diesem Projekt die Synchronisationsmechanismen des peripheren zirkadianen Systems am Beispiel der Leber auf physiologischer und molekularer Ebene in vivo und unabhängig von der Zentraluhr des SCN untersucht werden.

Zirkadiane Uhren steuern Physiologie und Verhalten im 24h-Rhythmus, um so den Organismus optimal an im Tagesverlauf veränderliche Umweltbedingungen anzupassen. In Säugern besteht das zirkadiane System aus einem zentralen Schrittmacher, dem Nucleus suprachiasmaticus, und zahlreichen, semi-autonomen peripheren Oszillatoren in den verschiedenen Geweben des Körpers. Ziel dieses Projektes ist es, die Funktionsweise einiger dieser peripheren Uhren – ihre Synchronisation und ihren Einfluss auf physiologische Prozesse – auf physiologischer und molekularer Ebene zu untersuchen. Mit Hilfe neuer Mausmodelle sollte die Funktion der peripherer Uhren auf molekularer wie physiologischer Ebene im lebenden Organismus charakterisiert werden. Dazu wurden zunächst zwei Ansätze gewählt: die Rekonstitution der Leberuhr mithilfe eines gentherapeutischen Ansatzes in adulten Clock-mutanten Tieren (Clock-Rescue) sowie die genetisch-induzierbare Rekonstitution des essentiellen Uhrengens Bmal1 in entsprechenden Knock out-Tieren. Clock-Rescue-Tiere zeigen rekonstituierte Uhrengen-Rhythmen in vivo und in vitro. Aktivitätsrhythmen sowie Uhrengenrhythmen in anderen Geweben bleiben jedoch unverändert. Überraschenderweise zeigen diese Tiere – anders als die hyperphagen Clock-Mutanten – unter Hochfett-Diät eine verminderte Nahrungsaufnahme und einen Schutz vor Adipositas. Dieses Ergebnis zeigt eine unerwartet starke Kontribution der Leber(uhr) zur Appetitregulation und Gewichtskontrolle – mit hohem translatorischen und klinischen Potential. Weiterhin konnten wir zeigen, dass die Leberuhr an der Regulation des Glukosestoffwechsels beteiligt ist und dieser durch Veränderungen im Schlafrhythmus empfindlich gestört wird. In einem neuentwickelten Ansatz an organotypischen Schnittkulturen konnten zudem gastrointestinale Peptidhormone als mögliche Mediatoren der metabolischen Synchronisation der Leberuhr charakterisiert werden. Eines davon, Oxyntomodulin (Oxm), wurde molekular weiter untersucht. Oxm wird nach Nahrungsaufnahme ins Blut sezerniert. Es aktiviert die Transkription der Uhrengene Per1 und Per2 in Hepatozyten in und ex vivo. Zusammen mit der oben beschriebenen Rolle der Leberuhr in der Regulation des Energiestoffwechsels ergibt sich auch hier ein hohes therapeutisches Potential zur Behandlung von Adipositas durch pharmakologische Manipulation der Leberuhr, z.B. bei Schichtarbeit. Die Arbeiten zur Leberuhr wurden auf weitere Organe wie die Nebenniere, Adipozyten und das adaptive Immunsystem ausgeweitet. So konnten wir erstmals eine zirkadiane Uhr in regulatorischen T-Zellen nachweisen, die auch entscheidend die Reaktivität der adaptiven Immunantwort reguliert. In der Nebenniere wird besonders der tägliche Glukokortikoid (GC)- Rhythmus durch eine adrenokortikale Uhr reguliert. Dieser Rhythmus ist auch wichtig für andere Uhren (u.a. auch die der Leber) und spielt so, wie wir zeigen konnten, eine Rolle bei der Adaptation des Organismus unter Jetlag-Bedingungen. Eine pharmakologische Manipulation des GC-Rhythmus kann die Dauer des Jetlags signifikant verkürzen. Für Adipozytne konnten wir eine wichtige Rolle der Uhr in der Regulation der Lipolyse nachweisen. Defekte in der Adipozytenuhr führen zu einer Akkumulation von Triglyzeriden in Adipozyten und können so eine Adipositas verschärfen.