Hell und Dunkel bestimmen, wann wir aufwachen und wann wir müde werden. Aber auch Pflanzen, Tiere und sogar Bakterien leben nach einem bestimmten Takt. Wie diese inneren Uhren funktionieren, haben die drei US-Forscher Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash und Michael W. Young entschlüsselt – und erhalten dafür in diesem Jahr den Medizin-Nobelpreis 2017.
Stockholm - Die wichtigsten Fragen und Antworten rund um den Nobelpreis für Medizin:
Wer hat den Nobelpreis Medizin bekommen?
Der Nobelpreis für Medizin geht in diesem Jahr an die drei US-Amerikaner Jeffrey Hall, Michael Rosbash und Michael Young für Arbeiten zur Funktion und Kontrolle der Inneren Uhr. „Ihre Entdeckungen erklären, wie Pflanzen, Tiere und Menschen ihren biologischen Rhythmus so anpassen, dass er mit dem Tag-Nacht-Rhythmus der Erde übereinstimmt“, hieß es von der Nobeljury des Karolinska-Institut am Montag in Stockholm mit. Die höchste Auszeichnung für Mediziner ist in diesem Jahr mit umgerechnet 930 000 Euro (9 Millionen Schwedischen Kronen) dotiert.
Was haben die Forscher genau entdeckt?
Fast alle Prozesse in unserem Körper – von der Regulierung des Zuckerhaushalts über das Herz-Kreislauf-System bis zur Blutzellproduktion – werden durch eine innere Uhr gesteuert. Sie erzeugt gewissermaßen einen inneren 24-Stunden-Tag und sie gibt eben auch das Einschlafen und das Aufwachen vor. Aber nicht nur Mensch halten sich an den Schlaf-Wach-Rhythmus. Auch Pflanzen und Tiere sind darauf angewiesen, den richtigen Zeitpunkt abzupassen – um sich fortzupflanzen, zu wachsen, in Winterruhe oder in den Winterschlaf zu fallen und im Frühjahr zu erwachen oder um zu blühen. Daher haben auch die meisten anderen Lebewesen winzige biologische Taktgeber entwickelt. Hall und sein Kollege Rosbash an der Brandeis University in Boston und ihr Kollege Young von der Rockefeller University in New York hatten exemplarisch für Lebewesen auf der Erde Fruchtfliegen untersucht und bei diesen 1984 ein Gen isoliert, das den täglichen Bio-Rhythmus bestimmt. Hall und Rosbash bewiesen, dass dieses Gen den Bauplan für ein Protein enthält, das sich nachts in der Zelle anhäuft und im Laufe des Tages wieder abgebaut wird. Young identifizierte 1994 ein zweites Gen, das maßgeblich die innere Uhr von Lebewesen beeinflusst.
Wie funktionieren diese Uhren?
Fast alle Lebewesen verfügen in fast jeder Zelle ihres Körpers über spezielle Gene, deren Aktivität steigt und fällt und so einen Takt vorgibt. Sie sind sozusagen das Uhrwerk. Und wie bei einer richtigen Uhr, muss auch bei diesen biologischen Zeitmessern ein Rädchen in das andere greifen: Meist wirken in den Körperzellen verschiedene Gene zusammen. Jedes von ihnen produziert eine bestimmte Sorte von Eiweißmolekülen, die sich in der Zelle anreichern. Überschreitet sie schließlich einen Schwellenwert, wird eine biologische Bremse in Gang gesetzt: Die entsprechenden Gene stellen keine weiteren Proteinmoleküle mehr her. Alles geht wieder auf den Anfang zurück: Die Eiweißmoleküle zerfallen, bis irgendwann ein Mindestmaß unterschritten wird. Dann fällt die Bremse weg – und der ganze Zyklus beginnt von neuem. Je nach Organismus beansprucht dieses Auf und Ab 22 bis 28 Stunden.
Wer synchronisiert diese Uhr?
Bei Säugetieren ist für die Synchronisation aller Zelluhren im Körper ein Bündel aus Nervenzellen im Gehirn zuständig, der sogenannte Nucleus suprachiasmaticus. Das Bündel besteht aus rund 20 000 Nervenzellen, die hinter den Augen von Säugetieren deren täglichen Rhythmus steuert. Das bedeutet: Die Körperuhren richten sich nach dem Tag- und Nacht-Wechsel. Bereits eine Lichtstärke von 300 Lux reicht aus, um die innere Uhr zu stellen. Zum Vergleich: Ist die Sonne gerade hinter dem Horizont verschwunden, hat die Dämmerung eine Lichtstärke von rund 750 Lux. Fällt also am Morgen Sonnenlicht auf die Lichtrezeptoren eines Säugetiers, gibt der Nucleus suprachiasmaticus ein biochemisches Signal an das Gehirn. Dort wird die Ausschüttung des Schlafhormons Melatonin gestoppt. Das wiederum signalisiert den Körperzellen, dass jetzt der Tag beginnt. Abends wiederum veranlasst der Nucleus suprachiasmaticus, dass das Hormon Melatonin in hohen Konzentrationen wieder ausgeschüttet wird. Die Körperzellen wissen nun: Der Tag ist zu Ende.
Wie funktioniert die innere Uhr bei Pflanzen?
Dass eine Tulpe im Frühjahr erblüht, liegt ebenfalls an der inneren Uhr: Pflanzen bilden zwölf Stunden nach Tagesbeginn ein Eiweiß, das bei Dunkelheit sofort wieder abgebaut wird. Wenn im Frühjahr die Tage eine gewisse Länge überschreiten, sammelt sich derart viel Eiweiß in den Pflanzenzellen an, dass es sich an das Erbgut heftet und dort ein Gen aktiviert, das die Blütenbildung einleitet.
Wie haben die Forscher reagiert?
Rosbash sagte am Montag in einem Telefonat mit der schwedischen Nachrichtenagentur TT, er sei „schockiert“ über die Neuigkeit aus Stockholm. „Ich sitze hier im Schlafanzug mit meiner Frau, ich habe nicht an so etwas gedacht“, schilderte der 73-Jährige seine Überraschung. Er wünsche sich, dass seine Mutter diese Ehrung noch miterlebt hätte. Der Preis wird Rosbash, dem 72-jährigen Hall und dem 68-jährigen Young am 10. Dezember in Stockholm verliehen.