Was passiert, wenn Nervenzellen schlafen gehen?
Schlaf ist für unser Gehirn unerlässlich. Kommt dieser lebenswichtige Prozess zu kurz, kann das zu erheblichen kognitiven Defiziten führen. Nur erholsamer Schlaf kann das beheben. Zwei Forschungsteams aus München und Zürich veröffentlichen in der Zeitschrift „Science“ (Primärquellen) nun erste Beweise, wie genau Schlafbedürftigkeit, Tagesrhythmen und Gehirnfunktion auf molekularer Ebene zusammenhängen könnten.
Die Forscher fokussierten ihre Experimente auf das Vorderhirn von Mäusen. Zu sechs Tageszeiten analysierten sie zyklische Häufigkeiten und chemische Modifikationen von tausenden Proteinen an den Kontaktstellen zwischen Nervenzellen (Synapsen). Rund zwölf Prozent aller Proteine und rund die Hälfte aller Phosphoproteine in den Synapsen weisen den Forschenden zufolge charakteristische tägliche Zyklen auf. Phosphoproteine besitzen die Eigenschaft, dass sie durch das Anhängen von einem oder mehreren Phosphatresten funktional verändert werden können. In den Synapsen wurden nun zyklische Phosphorylierungswellen beobachtet, die abhängig vom Tagesrhythmus gleichzeitig eine Vielzahl von Proteinen modifizieren und somit offenbar die Funktion der Synapse regulieren. Wurden schlafbedürftige Mäuse für einige Stunden am Einschlafen gehindert, waren die wiederkehrenden Phosphorylierungswellen fast komplett unterbrochen – und zwar unabhängig vom Tag-Nacht-Rhythmus der Nager.
Mit den neuartigen Methoden der sogenannten Phosphoproteomik können Forschende die Funktionen von Synapsen von gesunden Nagern und solchen mit Schlafstörungen viel genauer als bisher auf molekularbiologische Funktionen erkunden. Damit auch eine der Kernfragen der Neurobiologie: Welche synaptischen Funktionen sind für das Lernen im Schlaf zwingend erforderlich?
- Dr. Beatriz Blanco-Redondo, Wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Biochemie, Universität Leipzig
- Dr. Alfred Wiater, Vorstandsreferent, Deutsche Gesellschaft für Schlafforschung und Schlafmedizin (DGSM), Köln
Statements
Dr. Beatriz Blanco-Redondo
Wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Biochemie, Universität Leipzig
„Die Neuheit dieser Arbeit besteht in der Identifizierung von Phosphoproteinen mit ihren Phosphorylierungsseiten und den Proteinkinasen (Enzyme, die den Transfer einer Phosphatgruppe von einem Donor auf eine Aminosäure des Phosphoproteins katalysieren; Anm. d. Red.), die für die beiden wichtigsten Ereignisse während des zirkadianen Rhythmus, die schlaf- und wachabhängige Phosphorylierung, spezifisch sind. Das eröffnet eine neue Perspektive, um diese verschiedenen Phosphoproteine genauer zu untersuchen und sie mit Schlaf und Wachsein zu verbinden.“
„Es wurde in dem Papier schön gezeigt, dass die Mehrheit der Phosphoproteine einem sehr klaren Muster der Phosphorylierung während des Schlaf-Wach-Zyklus folgt. Dies wurde nachgewiesen, nachdem sie den zirkadianen Rhythmus verändert hatten und sahen, dass sich die Phosphorylierung dieser Proteine veränderte.“
Auf die Frage, ob es weitere Mechanismen gebe, die den Wach- oder Schlafzustand regulieren:
„Es gibt verschiedene Mechanismen, die den Schlaf regulieren, wie zum Beispiel energiebezogene Moleküle, Krankheitserreger, Rezeptoren oder Ionen [1].“
Auf die Frage, inwiefern die Erkenntnisse die Basis für die Entwicklung von Therapien und Medikamenten für Erkrankungen liefern, die mit Schlafmangel in Verbindung stehen:
„Die Autoren haben einen neuen Weg eröffnet, um diese Krankheiten zu untersuchen, aber es gibt noch viel mehr zu untersuchen. Diese Ergebnisse dienen als molekulare Grundlage, um die mit Schlafentzug häufig verbundene psychische Fehlfunktionen zu verstehen, aber es müssen noch weitere Experimente durchgeführt werden, um den gesamten Mechanismus aufzuklären und Medikamente zur Behandlung dieser Art von Krankheiten zu entwickeln.“
Dr. Alfred Wiater
Vorstandsreferent, Deutsche Gesellschaft für Schlafforschung und Schlafmedizin (DGSM), Köln
„Die Ergebnisse der Studie belegen eindeutig die Bedeutung der zirkadianen Rhythmik für biochemische Prozesse in den Synapsen von Vorderhirnzellen der Maus. Damit wird belegt, dass die den Schlaf-Wach-Rhythmus steuernden Mechanismen auf zellulärer Ebene direkten Einfluss auf die Hirnfunktionen ausüben. Herausragendes Ergebnis der Studie ist, dass durch Schlafentzug 98 Prozent der Phosphorylierungszyklen entfallen. Damit bekommt die Schlafhomöostase, also das Gleichgewicht zwischen Schlafen und Wachsein, eine zunehmende Bedeutung für die neuronalen biochemischen Prozesse.“
„Die zirkadianen Phosphorylierungszyklen gelten als gesicherte biochemische Prozesse, die jetzt wissenschaftlich fundiert auch für Hirnzellen der Maus nachgewiesen worden sind. Die Regulation des Schlaf-Wach-Rhythmus erfolgt durch die innere Uhr und die Schlaf-Wach-Homöostase. Die innere Uhr steuert individuell unterschiedlich das Schlaf-Wach-Verhalten, wird beeinflusst durch endogene Faktoren – wie zum Beispiel das Neuropeptid Hypokretin, und durch exogene Faktoren – die äußeren Zeitgeber. Der wichtigste äußere Zeitgeber ist das Licht. Zirkadiane Prozesse laufen aber nicht nur in definierten Kerngebieten des Gehirns ab, sondern auch auf breiter zellulärer Basis. Dass sich Schlafmangel in gravierender Weise auf zelluläre Abläufe auswirkt, zeigt auf, dass erholsamer Schlaf noch höher als bisher zu bewerten ist.“
„Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass erholsamer Schlaf entscheidend dafür ist, dass unser Organismus, insbesondere auch unser Nervensystem störungsfrei funktioniert. Hinzu kommt, dass bei therapeutischen Maßnahmen künftig die zirkadiane Rhythmik und die damit einhergehenden biochemischen Prozesse stärker als bisher zu berücksichtigen sind. Schlafmangel zu verhindern oder zumindest zu reduzieren, bleibt jedoch das Hauptziel, gerade im Hinblick auf die Herausforderungen der globalen Digitalisierung.“
Angaben zu möglichen Interessenkonflikten
Dr. Beatriz Blanco-Redondo: „Es gibt von meiner Seite keinen Interessenkonflikt.“
Dr. Alfred Wiater: „Interessenskonflikte bestehen nicht.“
Primärquelle
Brüning F et al. (2019): Sleep-wake cycles drive daily dynamics of synaptic phosphorylation. Science; 366, eaav3617. DOI: 10.1126/science.aav3617.
Noya SB et al. (2019): The forebrain synaptic transcriptome is organized by clocks but its proteome is driven by sleep. Science; 366, eaav2642. DOI: 10.1126/science.aav2642.
Kommentar zu den Studien:
Cirelli C et al. (2019): Linking the need to sleep with synaptic function. Science; 366. DOI: 10.1126/science.aay5304.
Literaturstellen, die von den Experten zitiert wurden
[1] Zielinski MR et al. (2016): Functions and Mechanisms of Sleep. AIMS Neurosci.;3(1):67-104. DOI: 10.3934/Neuroscience.2016.1.67.