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Wie Alter und Geschlecht unsere innere Uhr beeinflussen
Der menschliche Körper läuft nach einer fein abgestimmten Uhr, die mit dem 24-Stunden-Zyklus der Erdrotation synchronisiert ist, der sogenannten zirkadianen Uhr, die verschiedene physiologische Prozesse wie den Schlaf-Wach-Rhythmus, die Hormonproduktion und den Stoffwechsel steuert.
In einer neuen Studie konnten Forschende unter Leitung von Felix Naef an der EPFL die Organisation der gewebespezifischen Genexpressionsrhythmen beim Menschen aufdecken und aufklären, wie unsere Körperuhren von Geschlecht und Alter abhängen.
Bei Modellorganismen erfolgt die Analyse molekularer Rhythmen in der Regel anhand von Zeitstempelmessungen – beim Menschen sind solche Daten jedoch nicht ohne weiteres verfügbar. Um dies zu umgehen, nutzten die Forschenden vorhandene Messungen aus einer grossen Kohorte von postmortalen Spendern in Kombination mit einem neuartigen Computeralgorithmus, der dazu diente, die inneren Uhrzeiten von fast tausend Spenderinnen und Spendern zuzuordnen.
«Interessanterweise stellte sich heraus, dass der von uns entwickelte datenwissenschaftliche Algorithmus Modellen aus magnetischen Systemen ähnelt, die in der statistischen Physik gut untersucht sind», sagt Felix Naef. Mit diesem innovativen Ansatz erhielten die Forschenden die erste umfassende und genaue Übersicht über die 24-Stunden-Rhythmen der Genexpression in 46 menschlichen Geweben.
Die Studie ergab, dass die grundlegenden Eigenschaften der Uhrenmaschinerie im gesamten Körper konserviert sind und sich mit dem Geschlecht und dem Alter nicht wesentlich verändern. Andererseits ergab die Analyse umfangreiche Programme von Genexpressionsrhythmen in den wichtigsten Bereichen des Stoffwechsels, der Stressreaktionswege und der Immunfunktion, und diese Programme erreichten zweimal täglich ihren Höhepunkt.
Die sich abzeichnende Ganzkörperorganisation der zirkadianen Zeitsteuerung zeigt, dass die rhythmische Genexpression in Form von Morgen- und Abendwellen auftritt, wobei die Zeitsteuerung in der Nebenniere zuerst ihren Höhepunkt erreicht, während die Gehirnregionen im Vergleich zu den Stoffwechselgeweben eine viel geringere Rhythmizität aufweisen.
Die Aufteilung der Spender nach Geschlecht und Alter ergab eine bisher unbekannte Fülle geschlechts- und altersspezifischer Genexpressionsrhythmen, die sich über alle biologischen Funktionen verteilen. Auffallend war, dass die Genexpressionsrhythmen geschlechtsdimorph (bei Männern und Frauen unterschiedlich) und bei Frauen nachhaltiger waren, während die rhythmischen Programme im Allgemeinen mit dem Alter im gesamten Körper abnahmen.
Die geschlechtsdimorphen Rhythmen – die sich auf die Unterschiede zwischen Männern und Frauen beziehen – waren besonders auffällig bei der «Xenobiotika-Entgiftung» der Leber, dem Prozess, bei dem die Leber schädliche Substanzen abbaut. Ausserdem ergab die Studie, dass mit zunehmendem Alter der Rhythmus der Genexpression in den Herzarterien abnimmt, was erklären könnte, warum ältere Menschen anfälliger für Herzerkrankungen sind. Diese Informationen könnten auf dem Gebiet der «Chronopharmakologie» von Nutzen sein, d. h. der Untersuchung, wie die innere Uhr eines Menschen die Wirksamkeit und die Nebenwirkungen von Medikamenten beeinflusst.
Die Studie liefert neue Erkenntnisse über das komplexe Zusammenspiel zwischen unserer Körperuhr, dem Geschlecht und dem Alter. Wenn wir diese Rhythmen verstehen, könnten wir neue Wege für die Diagnose und Behandlung von Krankheiten wie Schlafstörungen und Stoffwechselerkrankungen finden.