15.10.2019 - Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU)

Schlaf-Wach-Rhythmus: Was die synaptische Phosphorylierung steuert

LMU-Chronobiologen zeigen in zwei Beiträgen im Fachmagazin Science, wie entscheidend der Schlaf-Wach-Zyklus für die Dynamik der Phosphorylierung von Proteinen in Synapsen ist, um deren Aktivität zu regulieren.

Die innere Uhr steuert so gut wie alle physiologischen Abläufe im menschlichen Körper und richtet sich täglich am Wechsel von Tag und Nacht aus. Wie der zirkadiane Rhythmus und der Schlaf die molekularen Mechanismen auf Zellebene im Gehirn beeinflussen, ist bislang noch nicht vollständig verstanden. Professor Maria Robles, Arbeitsgruppenleiterin am Institut für Medizinische Psychologie, zeigt in zwei aktuell im Fachmagazin Science veröffentlichten Beiträgen, wie (eher) der Schlaf-Wach-Rhythmus (als die zircadiane Uhr) die zyklische Schwankung von Protein-Mengen und die Phosphorylierung synaptischer Proteine lenkt, um die Dynamik synaptischer Aktivität im Gehirn zu orchestrieren. „Unsere Arbeit zeigt, dass Schlaf-Wach-Zyklen eine zentrale Rolle für die zeitliche Regulierung vieler Aspekte synaptischer Funktionen spielen“, sagt Maria Robles.

Die LMU-Chronobiologin nutzt mit ihrer Arbeitsgruppe massenspektrometrische Verfahren der quantitativen Proteomik, um die Tagesdynamik des Protein-Status und der Phosphorylierung in isolierten Synapsen des Vorderhirns von Mäusen darzustellen. Für die Studien in Science hat das Team untersucht, wie dynamisch das synaptische Proteom und Phosphoproteom über den Tag strukturiert ist und wie es von Schlafmangel beeinflusst wird. In einer der beiden Studien zeigt das Team, dass an einem gewöhnlichen Tag ein Viertel der 8000 Phosphorylierungen in vielen entscheindenden synaptischen Proteinen um zwei zeitliche Höhepunkte schwankt – davon ist einer kurz vor dem Aufwachen der Mäuse und der andere kurz vorm Einschlafen. „Das deutet darauf hin, dass die synaptische Phosphorylierung eine Schlüsselrolle für die Regulierung synaptischer Funktionen spielt, insbesondere während des Übergangs in den Schlaf beziehungsweise in die Wachphase“, sagt Maria Robles.

Dieses charakteristische Phosphorylierungsmuster scheint den Aufbau und die Auflösung des Schlafdrucks widerzuspiegeln, da Schlafmangel synaptische Phosphorylierungs-Rhythmen fast vollständig aufhebt. „Unsere Studie zeigt, dass Schlaf-Wach-Zyklen die zeitliche Orchestrierung der phosphorylierungsabhängigen Regulierung wesentlicher synaptischer Prozesse gestalten – angefangen von der Erhaltungsfunktion bis hin zur Plastizität in Antwort auf den Schlafdruck“, sagt Maria Robles.

In der zweiten Studie, die in derselben Ausgabe des Science-Magazins erscheint, haben die Forscher um Maria Robles zusammen mit einer Arbeitsgruppe der Universität Zürich (um Steve Brown) gezeigt, dass die Fülle synaptischer Proteine ebenfalls rhythmisch durch Schlaf-Wach-Zyklen gesteuert ist. Insbesondere zeigen sie, dass die synaptische Aktivität die zyklische Produktion von Proteinen mithilfe von Boten-Molekülen anstößt, die sich über den Tag hinweg rhythmisch an den Synapsen ansammeln. Während die Produktion von Proteinen völlig von Wach-Schlaf-Zyklen abhängt, ist die Bewegung und Ansammlung von Botenmolekülen abhängig von zirkadianen Mechanismen.

  • Franziska Brüning, Sara B Noya, Tanja Bange, Stella Koutsouli, Jan D Rudolph, Shiva Tyagarajan, Jürgen Cox, Matthias Mann Steven A Brown3 and Maria S Robles; "Sleep-wake cycles drive daily dynamics of synaptic phosphorylation"; Science 2019.
  • Sara B. Noya, David Colameo, Franziska Brüning, Andrea Spinnler, Dennis Mircsof, Lennart Opitz, Matthias Mann, Shiva Tyagarajan, Maria S. Robles, and Steven A. Brown; "The Forebrain Synaptic Transcriptome is Organized by Clocks, but its Proteome is Organized by Sleep"; Science 2019
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