Wie erkennt der innere Mondkalender von Tieren die richtige Mondphase?

Wie Tiere in der Lage sind, natürliche Lichtquellen zu interpretieren, um ihre Physiologie und ihr Verhalten anzupassen, ist wenig verstanden. Die Labore von Kristin Tessmar-Raible (Max Perutz Labs Wien, Alfred-Wegener-Institut, Universität Oldenburg) und Eva Wolf (Johannes Gutenberg-Universität und Institut für Molekularbiologie, Mainz) haben nun herausgefunden, dass ein Molekül namens L-Cryptochrome (L-Cry) die biochemischen Eigenschaften besitzt, um zwischen verschiedenen Mondphasen sowie zwischen Sonnen- und Mondlicht zu unterscheiden. Ihre in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlichten Ergebnisse zeigen, dass L-Cry das Mondlicht interpretieren kann, um die inneren Kalender (auch circalunare Uhren genannt) von Meeresringelwürmern zu synchronisieren und so die gemeinsame sexuelle Reifung und Fortpflanzung zu optimieren.

Viele Meeresorganismen, darunter Braunalgen, Fische, Korallen, Schildkröten und Borstenwürmer, synchronisieren ihr Verhalten und ihre Fortpflanzung mit dem Mondzyklus. Bei einigen Arten, wie dem Borstenwurm Platynereis dumerilii, haben Laborexperimente gezeigt, dass das Mondlicht seine zeitliche Funktion ausübt, indem es einen inneren Monatskalender (circalunaren Oszillator) einstellt. Unter diesen Laborbedingungen reicht es aus, die Dauer des Vollmonds zu imitieren, um die circalunaren Oszillatoren verschiedener Individuen zu synchronisieren. In natürlichen Lebensräumen schwanken Lichtverhältnisse jedoch erheblich. Unabhängig vom Wetter erzeugt schon das regelmäßige Zusammenspiel von Sonne und Mond hochkomplexe Muster.

Organismen, die das Mondlicht für ihre Zeitmessung nutzen, müssen daher zwischen bestimmten Mondphasen und zwischen Sonnen- und Mondlicht unterscheiden können. Wie Tiere dies bewerkstelligen können war bisher unklar. "Wir haben nun herausgefunden, dass ein lichtempfindliches Molekül, L-Cry, in der Lage ist, zwischen verschiedenen Lichtwertigkeiten zu unterscheiden", sagt Birgit Poehn, Co-Erstautorin der Studie. Dieses Cryptochrome dient damit als Lichtsensor, der Lichtintensität und -dauer messen kann und den Tieren so hilft, das "richtige" Licht zu wählen, um ihr monatliches Zeitmesssystem adäquat zu takten.

In Zusammenarbeit mit dem Labor von Eva Wolf charakterisierte das Team L-Cry von der Biochemie zur Genetik. "Wir fanden heraus, dass die Fähigkeit von L-Cry, Licht zu interpretieren, mit verschiedenen molekularen Zuständen von L-Cry korreliert", erklärt Birgit Poehn. Das Cryptochrome enthält insbesondere Kofaktoren, Nicht-Protein-Komponenten, die für seine Funktion essentiell sind. Diese Kofaktoren, sogenannte Flavin-Adenin-Dinukleotide (FAD), verändern sich unter Lichteinfluss biochemisch. Dabei geht das an die Dunkelheit angepasste oxidierte FAD in einen durch Licht reduzierten FAD-Zustand über. Co-Erstautorin Shruthi Krishnan fand heraus, dass L-Cry-Proteine, die natürlichem Mondlicht ausgesetzt sind, die geringe Photonenzahl des Mondlichts über Stunden hinweg akkumulieren, aber höchstens die Hälfte der FADs photoreduziert wird. Im Gegensatz dazu bewirkt die mehr als 10000-fach höhere Photonenzahl des in den Experimenten verwendeten naturalistischen Sonnenlichts eine rasche Photoreduktion aller FAD-Moleküle innerhalb von Minuten. Die Autoren vermuten, dass L-Cry Dimere je nach kombinatorischem FAD Status unterschiedliche strukturelle und biochemische Eigenschaften aufweisen. Damit dient es als effizienter Lichtsensor, der einen extrem weiten Bereich natürlicher Lichtintensitäten unterscheiden kann. Die Wissenschaftler konnten auch zeigen, dass L-Cry seine subzelluläre Lokalisation verändert, je nachdem welchem Licht es ausgesetzt ist. Wie diese unterschiedliche Lokalisierung zu unterschiedlichen Signalwegen führt, die das Verhalten und die Physiologie steuern, ist eine zentrale offene Frage. Auch die Frage wie der lichtinduzierte Transport von L-Cry zwischen Zellkern und Zytoplasma zustande kommt, wird Gegenstand weiterer Untersuchungen der Forschenden sein.

Der Mechanismus ist aber auch für andere biologische Uhren und lichtgesteuerte Prozesse relevant: "Wir denken, dass unsere Entdeckung über das monatliche Zeitmesssystem hinausgeht", sagt Eva Wolf. Kristin Tessmar-Raible fügt hinzu: "Es könnte sich um einen allgemeineren Mechanismus handeln, der den Organismen hilft natürliche Lichtquellen zu interpretieren. Dies ist für jeden Organismus, der seine Physiologie und sein Verhalten durch Licht steuert, von zentraler ökologischer Relevanz. Zudem ist Mondlicht nicht lediglich eine schwächere Version des Sonnenlichts, sondern hat eine ganz andere zeitlich-ökologische Bedeutung für Organismen." Daher stellen Störungen durch künstliche nächtliche Lichtquellen eine ernsthafte Bedrohung für natürliche Ökosysteme und auch die menschliche Gesundheit dar. Ein besseres Verständnis der Art und Weise, wie Mondlicht wahrgenommen und verarbeitet wird, kann auch dazu beitragen, die negativen Auswirkungen von künstlichem Licht zu bewerten und zu begrenzen.

Publikation:

Birgit Poehn, Shruthi Krishnan, Martin Zurl, Aida Coric, Dunja Rokvic, N. Sören Häfker, Elmar Jaenicke, Enrique Arboleda, Lukas Orel, Florian Raible, Eva Wolf & Kristin Tessmar-Raible. A Cryptochrome adopts distinct moon- and sunlight states and functions as sun- versus moonlight interpreter in monthly oscillator entrainment. Nature Communications 2022.

DOI: 10.1038/s41467-022-32562-z

Über die Max Perutz Labs

Die Max Perutz Labs sind ein Joint Venture der Universität Wien und der Medizinischen Universität Wien. Das Institut betreibt herausragende, international anerkannte Forschung und Lehre auf dem Gebiet der Molekularbiologie. WissenschaftlerInnen der Max Perutz Labs erforschen grundlegende, mechanistische Prozesse in der Biomedizin und verbinden innovative Grundlagenforschung mit medizinisch relevanten Fragestellungen.

Die Max Perutz Labs sind Teil des Vienna BioCenter, einem führenden Hotspot der Lebenswissenschaften in Europa. Am Institut sind rund 45 Forschungsgruppen mit mehr als 450 MitarbeiterInnen aus 40 Nationen tätig.

Abbildungen

Abb. 1: Mondlicht spielt eine wichtige Rolle in der Synchronisierung der Fortpflanzungszyklen von Meereslebewesen. © Carolina Castro

Abb. 2: Gruppenleiterin Kristin Tessmar-Raible (links) und Erstautorin Birgit Poehn (rechts) © Sándor Fülöp / Max Perutz Labs