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Redox Potential as an Interface between Sleep homeostasis and Circadian Rhythms

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Zusammenhang zwischen zellulärem Energieniveau und Schlafstörungen

Schlafmangel beeinträchtigt die kognitive Leistungsfähigkeit, was mit einem erhöhten Unfallrisiko und gesundheitlichen Problemen einhergehen kann. Eine Erforschung der Zusammenhänge zwischen zellulären Energieniveaus, Gentranskription und Schlafrhythmus könnte die Antwort darauf liefern, warum es zu Schlafstörungen und infolge dessen zu Schlafmangel kommt.

Gesundheit

Die Schlafzeit und –qualität wird durch einen homöostatischen Prozess gesteuert, der Schlaflosigkeit kompensiert, sowie einen zirkadianen Zyklus (Tag-Nacht-Zyklus), der bestimmt, wann ein Mensch Schlaf braucht. Sind diese beiden Prozesse auch nur geringfügig gegeneinander verschoben, verdeutlicht beispielsweise der so genannte Jet-Lag, wie wichtig geregelter Schlaf ist, um die kognitive Leistungsfähigkeit und Lebensqualität aufrechtzuerhalten. Frühere Untersuchungen des EU-finanzierten Projekts "Redox potential as an interface between sleep homeostasis and circadian rhythms" (REDOXSLEEPCIRCADIAN) legten nahe, dass, obwohl die beiden Prozesse unabhängig voneinander arbeiten sollten, die beiden Uhren-Gene bei der homöostatischen Regulierung von Schlaf zusammenarbeiten, um einen Tag-Nacht-Rhythmus zu gewährleisten. Weiterhin werden die beiden Gene CLOCK und NPAS2 durch das zelluläre Redoxpotenzial beeinflusst, was nahe legt, das die beiden Schlafmechanismen über den Zellmetabolismus miteinander verknüpft sind. Ziel des kürzlich abgeschlossenen Projekts REDOXSLEEPCIRCADIAN war die Erforschung zellulärer Prozesse, die die kognitive Leistungsfähigkeit am Tage und die Qualität des Nachtschlafs beeinflussen. Die Forscher induzierten in Fibroblasten (einer Art Bindegewebszelle) einen zirkadianen Rhythmus und beobachteten eventuelle Redoxveränderungen. Mittels genetischer Redox-Sonden und Zeitrafferaufzeichnungen wurden Veränderungen des Redoxpotenzials bei lebenden Fibroblasten ermittelt. Die verstärkte Transkription der Gene Per1 und Per2 bei Schlafmangel legte nahe, dass es durch überlange Wachheit zu zellulären Energiedefiziten kommen könnte. Per1 und Per2 stehen unter direkter Kontrolle von CLOCK und NPAS2. Die Ergebnisse lassen vermuten, dass Per2 aktivitätsinduzierte und zirkadiane Mechanismen steuert, mit denen Schlaf- und Wachphasen reguliert werden. Weiterhin werden durch molekulare Rückkopplung des zirkadianen Rhythmus die Bedingungen für die homöostatische Regulierung des Schlafbedarfs vorgegeben. Parallel dazu untersuchten die Forscher Per2 in Mäusen. Nachweislich wird bei den Nagern das Schlaf-Gen nach Schlafmangel (sleep deprivation, SD) stärker exprimiert. Es wurde demonstriert, dass alle lebenden Mäuse verstärkt Per2-Proteine bilden, mit jeweils unterschiedlichen Dynamiken im Gehirn. Dies war vor allem im zerebralen Kortex sowie in Leber und Niere der Fall. Interessanterweise beeinträchtigte längerer Schlafmangel die Per2-RNA-Expression durch zirkadiane und nicht-zirkadiane Mechanismen, wodurch es stets zu einer erhöhten Expression von Per2 kam. Damit kann angenommen werden, dass die beiden Zyklen nicht separiert sind. Nach Abschluss des Projekts untersuchte REDOXSLEEPCIRCADIAN die Rolle des wichtigsten zirkadianen Taktgebers, des suprachiasmatischen Nucleus (SCN). Das winzige Kerngebiet im ventralen Hypothalamus reguliert viele neuronale und hormonelle Aktivitäten und ist damit ein Schlüsselfaktor im Zusammenspiel von Uhren-Genen, Schlaf und Wachheit. Ließe sich der Schlafrhythmus besser steuern, könnte Patienten mit Schlafstörungen wesentlich geholfen werden. Jet-Lag und Leistungsabfall, etwa bei Schichtarbeitern, wären dann für viele Menschen weltweit Geschichte.

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