Einsichten in die molekularen Mechanismen lunarer Rhythmen

Im Meer geben viele sich geschlechtlich vermehrende Arten ihre Geschlechtszellen in das offene Wasser ab. Um sich in dieser Umgebung erfolgreich fortzupflanzen, müssen Eier und Spermien zur gleichen Zeit freigesetzt werden. Häufig dienen die verschiedenen Phasen des Mondes als natürlicher Rhythmus, um die Reproduktion zu synchronisieren. Obwohl es sich bei lunarer Reproduktionsperiodizität um einen sehr fundamentalen und weitverbreitet Phänomen handelt, dass in so diversen Gruppen wie Algen, Korallen, Borstenwürmern, Mollusken, Seeigeln und Fischen existiert, sind die zugrunde liegenden biologischen Mechanismen de facto unverstanden. Konventionelle Modellorganismen wie Drosophila oder C.elegans besitzen keine offensichtliche Lunarperiodizität. Andererseits sind die meisten Spezies mit einer mondlichtgesteuerten synchronisierten Reproduktion sehr schlecht im Labor züchtbar, bzw. es gibt bisher keinen molekularen Zugang zu ihnen. Ich habe mich entschieden, das Phänomen der lunar synchronisierten Reproduktion an dem Borstenwurm Platynereis dumerilii zu untersuchen. Das ist eine marine Art, die sich einfach im Labor züchten lässt und für welche wir während der letzten Jahre zahlreiche moderne molekulare Techniken etabliert haben. Platynereis ist auch deshalb besonders geeignet, da insbesondere seine Reproduktionsrhythmen in den 50iger und 60iger Jahren detailliert beschrieben wurde. Aufgrund der Methodenbeschränkung zu dieser Zeit konnten aber weder der Sensor noch das hormonelle Signal identifiziert werden. Heutzutage ist Platynereis nun das erste molekular zugängliche marine System, mit einer gleichzeitig gut beschriebenen Lunarperiodiziät. Diese Arbeit wird damit nicht nur neue Daten für das funktionelle Verständnis von Photorezeptorzellen, hormonellen Zelltypen und biologischen Rhythmen liefern, sondern auch einen ersten Hinweis darauf geben, was Lichtverschmutzung durch Städte in marinen Küstenbereichen für die Reproduktion mariner Arten bedeutet.

Das Leben von Organismen ist durch Rhythmen bestimmt. Um an wiederkehrende Umweltprozesse bestmöglich angepasst zu sein und um sich innerhalb einer Population zu synchronisieren, haben Organismen innere Oszillatoren (Uhren) entwickelt. Wie es Rhythmen mit unterschiedlichen Periodenlängen gibt, so gibt es auch innere Uhren mit verschiedenen Periodenlängen. Bei diesen inneren Uhren verstehen wir bisher nur die molekulären Mechanismen der circadianen Uhr- also des inneren Oszillators, der eine Periodenlänge von circa 24Stunden hat. Für alle anderen innere Oszillatoren (z.B. mit Periodenlängen von circa einem Monat oder 14Tagen) haben wir bisher noch kein Verständnis der Mechanismen. Mit dieser Arbeit haben als erste Gruppe neue Erkenntnisse in diese Richtung gewonnen. Wir haben uns insbesondere mit der circadianan und der circalunaren (monatlichen) Uhr beschäftigt. Dabei haben wir herausgefunden, dass die monatliche Uhr die Oszillationen der täglichen Uhr nicht für ihre Funktion nicht benötigt. D.h. die monatliche Uhr funktioniert nicht einfach durch eine Überlagerung von zwei täglichen Uhren, sondern tägliche und monatliche Uhren sind voneinander unabhängig. Um weiter in die molekularen Details insbesondere der circalunaren Uhr vorzustoßen, haben wir mehrere neue Techniken für unser Hauptmodelsystem, den Bostenwurm Platynereis dumerilii, entwickelt. Mit diesen Techniken haben wir jetzt gezielt insbesondere einzelne Lichtrezeptoren ausgeschaltet, um festzustellen, welche Lichtrezeptoren die 24 Studen-Uhr, die vom Sonnenlicht mit der Umwelt synchronisiert wird und welche Lichtrezeptoren die monatliche Uhr, die vom Mondlicht mit der Umwelt synchronisiert wird, benutzen. Außerdem haben wir bestimmt, welche Wellenlänge des Lichtes die Lichtrezeptoren im Wurm besonders gut wahrnehmen können und wie das mit den Wellenlängen in ihrer natürlichen Umwelt zusammenpasst. Bei unserer Analyse sind wir dann überraschend nebenbei darauf gestossen, dass die Würmer auch Lichtrezeptoren an der Körperseite und am Bauch tragen. Interessanterweise haben wir ähnliche Lichtrezeptoren auch bei Fischen gefunden, was darauf hindeutet, dass diese Zellen evolutionär alt und funktionell sehr wichtig sind.Als Teil unseres evolutionären Interesses haben wir uns auch die circadianan und circalunaren Uhren von einer marinen Mücke angeschaut. Wir haben Mückengenome von verschiedenen Zeitstämmen (Chronotypen) entziffert und dann damit Gene identifiziert, die bei beiden Uhren die genaue Zeiteinstellung modulieren können.