Genetic interaction of Per- and Dec-genes in the mammalian circadian clock

Abstract

Viele Verhaltens- und physiologische Prozesse zeigen zirkadiane (~24 Stunden; von lat. circa dies: ungefähr ein Tag ) Rhythmen, welche durch interne Uhren reguliert werden. In Säugetieren sitzt der zentrale zirkadiane Schrittmacher im Nucleus suprachiasmaticus (SCN) des Hypothalamus. Von dort werden untergeordnete Uhren in den Organen des Körpers kontrolliert, die dann das Zeitsignal in physiologische Befehle umsetzen. Auf molekularer Ebene basieren zirkadiane Uhren auf einem Netzwerk von transkriptionell-translatorischen Rückkopplungsschleifen (TTL, engl. transcriptional translational feedback loops) aus sog. Uhrengenen, darunter Period (Per1 3), Cryptochrome (Cry1,2), Bmal1 (Arntl) und Clock (Npas2). CLOCK und BMAL1 sind zwei Transkriptionsfaktoren, die über cis-regulatorische E-Box-Promotorelemente die Expression der Period- und Cryptochrome-Gene aktivieren. PER- und CRY-Proteine heterodimerisieren im Zytoplasma und werden in den Zellkern zurückgeführt. Dort inhibieren sie den CLOCK/BMAL1-Komplex und damit ihre eigene Produktion. Die Helix-Loop-Helix-Transkriptionsfaktoren DEC1 (BHLHE40) und DEC2 (BHLHE41) interagieren über Bindung an den CLOCK/BMAL1-Komplex oder an E Box- Sequenzen sowohl inhibitorisch als auch aktivatorisch mit dem zirkadianen TTL. Für Drosophila wurde eine synergistische Interaktion zwischen dem DEC-Ortholog CWO und PER postuliert, welches eine ähnliche Per(1,2) Dec-Interaktion in der Säugetieruhr vermuten lässt. Um dies zu untersuchen, wurden Per(1,2)/Dec-doppel- und tripel-mutante Mäuse (Mus musculus) generiert, die im Laufrad hinsichtlich ihres zirkadianen Verhaltens als auch auf molekularer Ebene per In Situ-Hybridisierung analysiert wurden. Es zeigte sich, dass synergistische Per(1,2) Dec-Interaktionen während des Entrainments vorliegen. Per Dec-Doppel- und Tripelmutanten zeigen einen vorgezogenen Aktivitätsbeginn, ähnlich zu Menschen mit Vorgelagertem Schlafphasensyndrom (ASPS, engl. advanced sleep phase syndrome). Unter konstanten Umweltbedingungen ist der Per1 Dec-Synergismus beibehalten. Allerdings zeigen Per2 und Dec1/2 nun antagonistische Interaktionen. In Per2/Dec-Doppelmutanten zeigt sich zudem ein Rekonstitutionseffekt hinsichtlich Periodenlänge und Rhythmik im Verhalten als auch auf molekularer Ebene im SCN. Weiterhin zeigten die In situ-Daten, dass im SCN eine bimodale Funktion der Per(1,2) Dec-Interaktion auf die Uhrengenexpression vorliegt, wobei die Per1 Dec Interaktion tageszeitabhängig variiert. Erstmalig konnten wir zudem nachweisen, dass die DECs zusammen mit PER1 die Bmal1-Transkription im SCN regulieren. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Gen-spezifische, tageszeit- und lichtabhängige funktionelle Interaktionen zwischen den Per(1,2)- und Dec(1,2)-Rückkopplungsschleifen im zirkadianen Uhrensystem der Säugetiere vorliegen. Die PER CWO-Interaktion in der Uhr der Fliege scheint im TTL der Säugetiere weitestgehend konserviert.