(Image: Pixabay CC0)Der menschliche Körper funktioniert nach einer perfekt abgestimmten Uhr, die mit dem 24-stündigen Rotationszyklus der Erde synchronisiert ist. Diese Uhr, die sogenannte zirkadiane Uhr, steuert verschiedene physiologische Prozesse wie den Schlaf-Wach-Rhythmus, die Hormonproduktion und den Stoffwechsel.
In einer aktuellen Studie konnten Forscher unter der Leitung von Felix Naef von der EPFL die Organisation der gewebespezifischen Genexpressionsrhythmen beim Menschen aufdecken und damit klären, wie unsere biologische Uhr vom Geschlecht und vom Alter abhängt.
In Modellorganismen erfolgt die Analyse molekularer Rhythmen in der Regel anhand von Messungen mit Zeitstempeln, doch diese Daten sind beim Menschen nicht leicht zugänglich. Um dieses Hindernis zu umgehen, nutzten die Forscher die vorhandenen Messungen einer großen Kohorte postmortaler Spenderinnen und Spender und kombinierten sie mit einem neuen Computeralgorithmus, der so konzipiert war, dass er den fast tausend Spenderinnen und Spendern Stunden der inneren Uhr zuordnen konnte.
"Interessant ist, dass der von uns entwickelte Algorithmus für die Datenwissenschaft den Modellen magnetischer Systeme ähnelt, die in der statistischen Physik sehr gut untersucht sind", erklärt Felix Naef. Dank dieses innovativen Ansatzes erhielten die Forscher den ersten vollständigen und genauen Überblick über die 24-Stunden-Rhythmen der Genexpression in 46 menschlichen Geweben.
Die Studie ergab, dass die Eigenschaften des Mechanismus der zentralen Uhr im gesamten Körper erhalten bleiben und sich weder mit dem Geschlecht noch mit dem Alter signifikant verändern. Darüber hinaus zeigte die Analyse vollständige Programme für die Rhythmen der Genexpression in den Hauptkompartimenten Stoffwechsel, Stressreaktionswege und Immunfunktion, und diese Programme erreichten zweimal täglich einen Höhepunkt.
Tatsächlich zeigt die emergente Organisation des zirkadianen Rhythmus im gesamten Körper, dass die rhythmische Genexpression in Form von Morgen- und Abendwellen auftritt, wobei der Rhythmus in der Nebenniere seinen Höhepunkt zuerst erreicht, während die Hirnareale eine viel geringere Rhythmizität aufweisen als die Stoffwechselgewebe.
Die Verteilung der Spenderinnen und Spender nach Geschlecht und Alter offenbarte einen bis dahin unbekannten Reichtum an geschlechts- und altersspezifischen Genexpressionsrhythmen, die sich auf mehrere biologische Funktionen verteilten. Interessanterweise waren die Genexpressionsrhythmen geschlechtsspezifisch dimorph (bei Männern und Frauen unterschiedlich) und bei Frauen nachhaltiger, während die rhythmischen Programme mit zunehmendem Alter im gesamten Körper generell reduziert wurden.
Die geschlechtsspezifischen Rhythmen, die sich auf die Unterschiede zwischen Männern und Frauen beziehen, machten sich besonders bei der "xenobiotischen Entgiftung" der Leber bemerkbar, dem Prozess, bei dem die Leber giftige Substanzen neutralisiert. Darüber hinaus ergab die Studie, dass mit zunehmendem Alter die Geschwindigkeit der Genexpression in den Herzarterien abnimmt, was erklären könnte, warum ältere Menschen anfälliger für Herzerkrankungen sind. Diese Informationen könnten im Bereich der "Chronopharmakologie" nützlich sein, die sich mit dem Einfluss der inneren Uhr auf die Wirksamkeit von Medikamenten und deren Nebenwirkungen befasst.
Diese Studie liefert neue Erkenntnisse über die komplexe Interaktion zwischen unserer biologischen Uhr, dem Geschlecht und dem Alter. Wenn wir diese Rhythmen verstehen, könnten wir neue Wege finden, um Krankheiten wie Schlafstörungen und Stoffwechselerkrankungen zu diagnostizieren und zu behandeln.
Referenzen
Lorenzo Talamanca, Cédric Gobet, Felix Naef. Sex-dimorphic and age-dependent organization of 24-hour gene expression rhythms in human. Science 03 February 2023. add0846
