Satchin Panda - Der Zirkadian-Code

In den vergangenen 21 Jahren habe ich mein Leben diesem Forschungsgebiet gewidmet. Als Doktorand am Scripps Research Institute im kalifornischen La Jolla erforschte ich, wie Pflanzen Zeit messen – eine besonders spannende Erfahrung, da das Labor zu den Vorreitern auf diesem Gebiet zählte. Hier entdeckten wir, dass sowohl Pflanzen als auch Tiere über sogenannte „Uhren-Gene“ verfügen, und wie diese arbeiten. Jeder Tag war ein Abenteuer – als würde man ständig in der ersten Reihe seiner Lieblingsshow sitzen. Ich war Teil des Teams, das entdeckte, wie bestimmte pflanzliche Uhren-Gene zusammenarbeiten, um den Pflanzen mitzuteilen, wann es Zeit war für die Fotosynthese und die Aufnahme von Kohlendioxid und wann Schlaf- und Reparaturzeiten anstanden. Eines der von mir entdeckten Pflanzengene ermöglichte uns einen besseren Einblick in den Zusammenhang zwischen zirkadianer Uhr, Stoffwechsel und DNA-Reparaturen.

Im Jahr 2001 lud man mich im Anschluss an meine Promotion ein, am neu gegründeten Genomics Institute der Novartis Research Foundation (GNF) weiterzuforschen, und zwar auf dem Gebiet der inneren Uhr von Tieren. An diesem Institut lag der Schwerpunkt darauf, die vorhandenen Informationen zum menschlichen Genom und dem Genom von Mäusen zu nutzen, um biologische Vorgänge zu verstehen. Meine Aufgabe bestand im Erforschen der Geheimnisse der zirkadianen Biologie.

Gleich im ersten Jahr konnte ich einen Durchbruch erzielen. Ich fand heraus, wie sich unsere zirkadianen Rhythmen an verschiedene Jahreszeiten und Lichtverhältnisse anpassen. Mein Team entdeckte einen Blaulichtsensor in der Netzhaut des Auges, der Lichtsignale an die innere Uhr im Gehirn sendet, um ihr mitzuteilen, wann Tag und wann Nacht ist. Das Entdecken des Lichtsensors half uns dabei herauszufinden, wie viel Licht – in welcher Farbe, für wie lange und zu welcher Tageszeit – wir benötigen, um unsere innere Uhr vorzustellen oder zurückzudrehen. Das war eine wahrhaft große Entdeckung, denn obwohl Wissenschaftler seit nahezu 100 Jahren wussten, dass es einen Lichtsensor im Auge gab, war doch unbekannt, wo er saß und was genau er bewirkte. Die Entdeckung wurde von der renommierten Zeitschrift Science zu einer der wichtigsten 10 Entdeckungen des Jahres 2002 ernannt und ist außerdem der Grund, warum Sie neuerdings bei Ihrem Smartphone oder Tablet einstellen können, dass die Hintergrundfarbe einige Zeit vor dem Zubettgehen von hellem Weiß zu einem gedämpfteren Orange wechselt.

Wir benötigten rund acht weitere Jahre um festzustellen, wie dieser Lichtsensor genau arbeitet, wie die Informationen vom Auge zum Gehirn gelangen und von welchen Hirnregionen sie empfangen werden, um auf dieser Grundlage Dinge wie Schlaf, Depressionen, zirkadiane Rhythmen und Schmerz zu regulieren. Auch heute noch arbeite ich daran herauszufinden, wie hoch der Einfluss von Licht auf zirkadiane Rhythmen ist und welche Rolle die moderne Beleuchtung bei diesem Prozess spielt. Dennoch ist es sehr befriedigend zu sehen, wie unsere Entdeckung von einer reinen Beobachtung zur Umsetzung gebracht wurde, sodass nun mehr als eine Milliarde Menschen sich des Einflusses von Licht auf ihre Gesundheit bewusst sind.

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt lag darauf herauszufinden, wie unsere innere Uhr ihre Informationen überträgt und wie unsere Organe die Zeit erkennen und zu bestimmten Zeiten bestimmte Aufgaben erledigen. Wir nutzten modernste Gentechnologie, um festzustellen, welche Gene zu bestimmten Zeiten in unterschiedlichen Organen aus- und eingeschaltet werden. Diese Forschungsarbeiten begannen im Jahr 2002. Seither ist uns ein weiterer Durchbruch gelungen: die Entdeckung, dass Hunderttausende von Genen sowohl im Gehirn als auch in der Leber sich zu bestimmten Zeiten ein- und ausschalten. Wir sind immer noch dabei, die entsprechenden Versuche auf unterschiedliche Organe, Gewebe, Hirnregionen und Drüsen auszudehnen. Dabei haben wir festgestellt, dass nahezu jedes Organ über eine eigene innere Uhr verfügt und über Gene, die ein- und ausgeschaltet werden, was sich auf die Höhe der Proteinproduktion zu vorhersehbaren Tageszeiten auswirkt.

Nachdem ich beim renommierten Salk Institute for Biological Studies mein eigenes Forschungslabor bekam, setzte ich meine Erforschung der inneren Rhythmen gemeinsam mit hochgeschätzten Kollegen fort. Wir können mittlerweile sagen, dass die Existenz von vorhersehbaren zirkadianen Rhythmen bedeutet, dass ein Organ gesund ist. Genau wie eine Mutation im genetischen Code Krankheiten hervorrufen kann, kann auch ein Leben, das gegen unseren zirkadianen Rhythmus geführt wird, unsere Gesundheit gefährden. In den vergangenen Jahren hatte ich das Glück, mit einigen genialen Köpfen in den Bereichen von Herz-Kreislauf- sowie Stoffwechselerkrankungen zusammenzuarbeiten. Gemeinsam fanden wir heraus, dass Tiere, denen die normale innere Uhr fehlt, hochgradig anfällig für diese Art von Erkrankungen sind. Auch wurde klar, dass eine gestörte innere Uhr der Ursprung aller Krankheiten war und dass bei den meisten chronischen Leiden die Funktion der inneren Uhr beeinträchtigt ist.

Im Jahr 2009 schließlich kamen die beiden Bereiche meiner Forschungsarbeit – Licht und Zeit – zusammen. Wir entwickelten ein einfaches Experiment, bei dem wir Mäuse einem festgelegten Hell-Dunkel-Zyklus aussetzten. 1,2Mäuse sind normalerweise nachtaktiv und fressen in der Nacht. In unserem Versuch gaben wir ihnen ihr Fressen am Tag und beobachteten, was mit ihren inneren Uhren geschah. Zu unserer Überraschung stellten wir fest, dass nahezu alle Leber-Gene, die sich normalerweise innerhalb eines Zeitraums von 24 Stunden ein- und ausschalten, das Lichtsignal komplett ignorierten und sich stattdessen nach den Zeiten richteten, zu denen die Mäuse fraßen beziehungsweise fasteten. Wir lernten aus diesem Experiment, dass nahezu jeder Rhythmus in der Leber von der Nahrungsaufnahme abhing. Die Annahme, dass die gesamte zeitliche Information aus der Außenwelt stammt und über den Blaulichtsensor im Auge gesteuert wird, war dadurch widerlegt, denn es zeigte sich, dass der erste Bissen am Morgen alle Organuhren ebenso zuverlässig stellt wie das erste Morgenlicht.

Im Jahr 2012 erweiterten wir unsere Fragestellung. Wir wollten herausfinden, ob Krankheiten nicht nur mit der Ernährungsweise zusammenhingen, sondern auch mit einer Störung des zirkadianen Rhythmus. Tausende Forschungsreihen hatten gezeigt, dass Mäuse, die freien Zugang zu fetter und gezuckerter Nahrung hatten, innerhalb von wenigen Wochen Übergewicht und Diabetes aufwiesen. Wir verglichen eine Mäusegruppe, die freien Zugang zu fettreicher Nahrung hatte, mit einer zweiten, die ihre gesamte Nahrung innerhalb eines Zeitraums von 8 bis 12 Stunden zu sich nehmen musste. Das Ergebnis war überraschend: Mäuse, die die gleiche Kalorienanzahl und die gleiche Nahrung innerhalb von 12 Stunden oder weniger zu sich nahmen, waren vollständig geschützt vor Fettleibigkeit und Diabetes, ebenso wie vor Leber- und Herzerkrankungen. Noch erstaunlicher war, dass kranke Mäuse, denen wir diesen Essensplan „verordneten“, ohne zusätzliche Medikamentengabe oder eine Veränderung des Futters wieder gesund wurden.

Zu Beginn stand die Fachwelt unseren Ergebnissen äußerst skeptisch gegenüber. Nach landläufiger Meinung waren schließlich allein die Menge und Art unserer Nahrung entscheidend für unsere Gesundheit. Aber nach und nach machten andere Forschungseinrichtungen ähnliche Beobachtungen, auch bei Tests mit menschlichen Probanden. Wir wissen also mittlerweile, dass neben der Frage, was und wie viel wir essen, auch der Zeitpunkt der Nahrungsaufnahme wichtig ist. Viele medizinische Institutionen haben unsere Ergebnisse aufgegriffen und das Thema selbst untersucht. So glauben beispielsweise die nationalen Gesundheitsinstitute in den USA, die American Heart Association und die American Diabetes Association ebenso wie ich, dass eine Neueinstellung der zirkadianen Uhr die nächstliegende und beste Option ist, chronische Leiden zu verhindern oder ihre Heilung zu beschleunigen. Im Jahr 2017 hat die American Heart Association nach 70 Jahren erstmals eine Empfehlung zur Häufigkeit und zum idealen Zeitpunkt für Mahlzeiten herausgegeben und sie stützt unsere Forschung – zeigt sie doch, dass Essgewohnheiten zur Verhinderung oder Linderung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen beitragen können. 3