Interaktion von Per- und Dec-Genen im zirkadianen System der Maus

Fast alle Lebewesen – von Bakterien bis hin zu Säugetieren – verfügen über einen endogenen Zeitmesser – die sog. zirkadiane Uhr – der Physiologie und Verhalten an die im Verlauf des Tag- Nachtrhythmus veränderlichen Umweltbedingungen adaptiert. Auf molekularer Ebene basiert dieser Zeitmesser auf einer Gruppe sog. Uhrengene, die sich über miteinander verschachtelte transkriptionelle und translationelle Rückkopplungsschleifen gegenseitig regulieren und über die Orchestrierung genomweiter transkriptioneller Rhythmen die Physiologie der Zelle – und letztendlich des gesamten Organismus – organisieren. Wichtige Uhrengene bei Säugern sind die Period-Gene (Per1 und Per2), die eine Rolle in der Regulation der Uhrenperiode sowie in der Kommunikation des molekularen Uhrwerks mit der Umgebung (Entrainment) spielen. Ziel des Versuchsvorhabens ist es, das Zusammenspiel der Per-Gene mit den vor kurzem beschriebenen und ebenfalls in die Regulation des zirkadianen System implizierten Genen Dec1 und Dec2 in Gangsteuerung und Entrainment der inneren Uhr zu erforschen. Dazu sollen verschiedene Per/Decmehrfachmutante Mäuse generiert und deren zirkadianes System auf Verhaltens- sowie molekularer Ebene analysiert werden. So können genetische Interaktionen zwischen diesen Uhrenkomponenten unter in vivo-Bedingungen charakterisiert werden. Ein Verständnis dieser Funktionen ist ein Schlüssel zur Behandlung von Krankheiten, deren Ursachen mit der Funktionalität des zirkadianen Systems verknüpft sind, wie Jet lag, Schlafstörungen oder Depressionen.

Ziel des Projekts war die Analyse der Interaktion von Per- und Dec-Genen in der Regulation des Schrittmachers der zirkadianen Uhr der Maus. Dazu wurden Per1-, Per2-, Dec1- und Dec2-einzel-, -doppel- und –tripelmutante Mäuse generiert und auf ihren Aktivitätsrhythmus (Laufradverhalten) und molekulare Uhrenfunktion (Expressionsanalyse von Uhrengenen im Nucleus suprachiasmaticus - SCN) hin untersucht. Dabei konnte ein komplexes und spezifisches Zusammenspiel der unterschiedlichen Per- und Dec-Gene in der Regulation der Lichtsynchronisation sowie der Periodizität und Stabilität der Aktivitätsrhythmen unter sog. Freilaufbedingungen, d.h. in Abwesenheit von äußeren Zeitsignalen, festgestellt werden. Diese Verhaltensänderungen konnten mit entsprechenden Veränderungen in der Regulation der Uhrengenexpression im SCN korreliert werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die beiden Dec-Gene eine hohe funktionale Redundanz in ihrer Interaktion mit den Per-Genen aufweisen. Weiterhin ist das Per-Dec-Zusammenspiel besonders bei der Regulation der Phasenlage des Aktivitätsrhythmus wichtig. Doppelmutante Tiere zeigen eine um mehrere Stunden vorverlegte Aktivitätsphase – vergleichbar mit der von Patienten mit Familial advanced sleep phase syndrome. Das Projekt verlief weitestgehend wie geplant. Zwei besondere – und dieser Form nicht antizipierte Ergebnisse sollen hier hervorgehoben werden: (i) Eine zusätzliche Deletion eines Dec-Gens konnte die Instabilität der Uhr in Per2-mutanten Tieren korrigieren. (ii) Es konnte eine aktivierende Wirkung der Dec-Gene auf die Regulation des Bmal1-Gens nachgewiesen werden. Zusammen etablieren unsere Ergebnisse die Rolle der Decs im zirkadianen System der Säuger und zeigen neue funktionelle Verknüpfungen innerhalb der SCN- Uhrenmaschinerie auf.