Temperaturkompensation in Neuronen der circadianen Uhr von Drosophila melanogaster: Molekulare Mechanismen und neue Gene

• Antragsteller: Professor Dr. Ralf Stanewsky
• Fachliche Zuordnung: Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung seit 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 326244655

Zirkadiane Uhren sind endogene Oszillatoren, die biologische Rhythmen in einer konstanten Umgebung mit einer Periode von ca. 24 Stunden steuern. Diese Zeitmesser sind sehr temperaturempfindlich, da kleine Temperaturschwankungen zwischen Tag und Nacht zu einer robusten Synchronisation der Uhren führen. Im Gegensatz dazu ist ihre selbsterhaltende 24-Stunden-Periode temperaturunabhängig, d.h. zirkadiane Uhren sind temperaturkompensiert. Dies ist eine bemerkenswerte Eigenschaft, da sich biologischen Prozesse normalerweise mit steigender Temperatur beschleunigen. Sie ist auch wichtig, weil eine Uhr, die ihre Frequenz mit der Temperatur ändert, unbrauchbar ist. Die meisten Organismen sind poikilotherm und daher auf Temperaturkompensation ihrer zirkadianen Uhren angewiesen. Bisher ist Temperaturkompensation molekular nicht gut verstanden. In der 1. Förderperiode konnten wir zeigen, dass der Export von zwei Schlüsselproteinen der zirkadianen Uhr von Drosophila aus dem Zellkern für die Temperaturkompensation wichtig ist. Unsere Ergebnisse stützen das Modell von Hastings und Sweeney (1957). Es geht davon aus, dass zwei Reaktionen, deren Geschwindigkeit mit der Temperatur ansteigt, dennoch Oszillationen mit konstanter Periodenlänge erzeugen können, solange die zweite Reaktion die erste hemmt. Bei Drosophila bedeutet dies, dass höhere Raten des Kernimports bei warmen Temperaturen durch ebenso erhöhte Raten des Kernexports "kompensiert" werden, so dass die Periodenlänge temperaturunabhängig konstant bleibt. In der 2. Förderperiode wollen wir dieses Modell mit Live-Imaging-Ansätzen bestätigen, die es erlauben zwischen nukleärer und zytoplasmatischer Lokalisierung von Uhrproteinen zu unterscheiden. Wir konnten auch zeigen, dass die Casein-Kinase 1ε (CK1ε, oder DBT), die PERIOD phosphoryliert und dessen Stabilität reguliert, eine wichtige Rolle bei der Temperaturkompensation spielt. Interessanterweise haben wir festgestellt, dass eine PERIOD-Mutation, die den Kernexport beeinträchtigt, einen Phosphorylierungsdefekt aufweist, insbesondere bei warmen Temperaturen, und dass eine CK1ε-Mutation, die die Temperaturkompensation bei Säugetieren und Fliegen beeinträchtigt, den Temperaturkompensationsphänotyp dieser Mutation verstärkt. Wir werden daher in der 2. Förderperiode die Funktion von CK1ε und der CK1ε:PERIOD Interaktion für die Temperaturkompensation analysieren. Wir konnten auch zeigen, dass andere Proteine, die bei der Temperaturkompensation eine Rolle spielen, dem Kernexport unterliegen und es ist zu erwarten, dass andere Proteine für die Temperaturkompensation wichtig sind. Wir werden daher einen genetischen Screen von ca. 200 isogenen Linien durchführen, die von wild gefangenen Fliegen generiert wurden, sowie ein Kandidaten-Screening, das auf die bekannten Drosophila-Kinasen abzielt. Zusammengenommen werden diese Ansätze unser Verständnis für eine der grundlegendsten Eigenschaften der zirkadianen Uhr erheblich verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Professor Dr. François Rouyer