Wie wissen Tiere, dass es Mittagszeit ist?

Genetische Komponenten, die das tägliche Essverhalten regulieren, wurden von der Tokyo Metropolitan University anhand von Fruchtfliegen untersucht. Es wurde festgestellt, dass das Quasimodo-Gen (qsm) die Nahrungsaufnahme an den Hell-Dunkel-Zyklus anpasst. Bei konstanter Dunkelheit wurden diese Muster durch die Gene Clock (clk) und Cycle (cyc) aufrechterhalten, insbesondere in Stoffwechselgeweben. Darüber hinaus wurde entdeckt, dass die „Uhren“ der Nervenzellen für die Koordinierung von Essgewohnheiten mit täglichen Lichtveränderungen von entscheidender Bedeutung sind. Diese Forschung ist für unser Verständnis der zirkadianen Rhythmen im Essverhalten von Bedeutung und könnte bei der Entwicklung von Behandlungen für Essstörungen hilfreich sein.

Eine von Forschern der Tokyo Metropolitan University durchgeführte Studie hat mithilfe von Fruchtfliegen Einblicke in die Regulierung des täglichen Essverhaltens gewonnen. Es zeigte sich, dass die Synchronisation der Nahrungsaufnahme mit dem Hell-Dunkel-Zyklus vom Quasimodo (qsm)-Gen abhängt. Dieses Gen funktioniert jedoch nicht in völliger Dunkelheit. Unter diesen Bedingungen werden die Ess- und Fastenzyklen durch die Gene Clock (clk) und Cycle (cyc) aufrechterhalten.

Darüber hinaus passen andere „Uhren“ in den Nervenzellen diese Zyklen entsprechend den Tag-Nacht-Änderungen an. Das Verständnis der molekularen Mechanismen, die die Esszyklen steuern, wird unser Verständnis des Verhaltens von Tieren und Menschen erweitern.

Es ist üblich, dass die meisten Tiere jeden Tag zu gleichen Zeiten fressen. Dieser Trend ergibt sich aus der Notwendigkeit, sich an verschiedene Umweltfaktoren wie Licht, Temperatur, Nahrungsverfügbarkeit und die Möglichkeit von Raubtieren anzupassen, die alle für das Überleben von entscheidender Bedeutung sind. Davon hängen auch eine gute Verdauung und ein guter Stoffwechsel und damit das allgemeine Wohlbefinden ab.

In der Studie entdeckte das Team, dass qsm die Ausrichtung auf Hell-Dunkel-Zyklen reguliert, während molekulare Uhren in Neuronen diese Rolle bei völliger Dunkelheit übernehmen. Die clk/cyc-Gene hingegen trugen dazu bei, den Fress-/Fastenzyklus aufrechtzuerhalten.

Aber woher wissen so unterschiedliche Organismen, wann sie essen müssen? Ein entscheidender Aspekt ist der zirkadiane Rhythmus, ein nahezu täglicher physiologischer Zyklus, der Organismen wie Tieren, Pflanzen, Bakterien und Algen gemeinsam ist. Es fungiert als „Hauptuhr“, die das rhythmische Verhalten reguliert. Allerdings besitzen Tiere auch andere „periphere Uhren“, die auf anderen biochemischen Signalwegen basieren. Diese können durch externe Elemente wie beispielsweise die Fütterung zurückgesetzt werden. Es ist unklar, wie sie die Ernährungsgewohnheiten der Tiere regeln.

Um dies zu untersuchen, verwendete ein Team unter der Leitung von Associate Professor Kanae Ando von der Tokyo Metropolitan University Fruchtfliegen, die viele Eigenschaften aufweisen, die komplexeren Tieren, einschließlich Menschen, gemeinsam sind. Sie verwendeten einen CAFE-Assay, bei dem Fliegen über eine Mikrokapillare gefüttert werden, um ihre Nahrungsaufnahme zu verschiedenen Zeiten zu messen. Anschließend untersuchten sie, wie Fliegen ihre Essgewohnheiten an das Licht anpassen.

Frühere Studien an Fliegen, die sich in einem Hell-Dunkel-Zyklus ernähren, haben gezeigt, dass Fliegen tagsüber mehr fressen, selbst wenn Mutationen in den Genen der zirkadianen Uhr, der Periode (per) und der zeitlosen (tim) eingeführt wurden. Das Team konzentrierte sich auf Quasimodo (qsm), ein Gen, das für ein auf Licht reagierendes Protein kodiert, das das Feuern von Uhrneuronen steuert. Das Ausschalten von qsm wirkte sich auf die Nahrungsaufnahme der Fliegen tagsüber aus. Es wurde erstmals festgestellt, dass die Ausrichtung der Nahrungsaufnahme auf einen lichtvermittelten Rhythmus durch qsm beeinflusst wird.

Bei Fliegen, die in ständiger Dunkelheit fraßen, fehlte dieser Effekt. Hier wurden die täglichen Nahrungsgewohnheiten von Fliegen mit Mutationen in ihren Genen für die zirkadiane Uhr stark gestört. Von den beteiligten Genen period (per), timeless (tim), Cycle (cyc) und Clock (clk) hatte der Verlust von clk und cyc den schwerwiegendsten Einfluss. Es zeigte sich, dass clk/cyc benötigt wird, um Essens- und Fastenperioden zu erzeugen, insbesondere im Stoffwechselgewebe. Aber wie diese Zyklen mit den Tagen synchronisiert wurden, war eher auf molekulare Uhrgene in Nervenzellen als auf Stoffwechselgewebe zurückzuführen.

Die Erkenntnisse des Teams liefern erste Erkenntnisse darüber, wie unterschiedliche Uhren in verschiedenen Teilen eines Organismus die Nahrungs-/Fastenzyklen und deren Ausrichtung auf den Tagesrhythmus regulieren. Das Verständnis der Mechanismen hinter dem Fressverhalten kann Aufschluss über das Verhalten von Tieren geben und möglicherweise zur Entwicklung neuer Behandlungsmethoden für Essstörungen führen.

Diese Studie wurde vom Farber Institute for Neurosciences und der Thomas Jefferson University, den National Institutes of Health, einem Takeda Foundation Grant und dem TMU Strategic Research Fund unterstützt.