34.5.4.1 Das Design von molekularen Oszillatoren: autoregulatorische Feedback-Loops

Um rhythmisches Verhalten zu dirigieren, benötigt der Organismus einen unabhängigen Taktgeber oder Oszillator, der dann durch direkte oder indirekte physiologische Mechanismen die Kontrolle über Verhaltensaktivitäten, den physiologischen "output" übernimmt.

Die einfachste Form eines solchen Oszillators ist die Transkription einer mRNA, deren Translationsprodukt die Transkription hemmt. Akkumulation der RNA führt damit zu negativer Autoregulation und Abnahme der Syntheserate. Posttranskriptionelle Mechanismen, wie Stabilität der RNA, Translationsrate und Wiedereintritt des Proteinproduktes in den Zellkern spielen eine zusätzliche, wichtige Rolle und sind wichtige Parameter für das Funktionieren eines solchen Regelkreises. In zwei Modellsystemen wurden unabhängig voneinander zwei Loci entdeckt, die den theoretischen Anforderungen eines solchen autoregulatorischen Loops gerecht werden: das period-Gen in Drosophila und das freqency-Gen in dem Ascomyceten Neurospora. Als wichtiges Kennzeichen von endogenen Rhythmen, die als Funktionen einer echten inneren Uhr angesprochen werden dürfen, gilt neben dem Freilauf unter konstanten Bedingungen Temperaturunabhängigkeit. Während sich die Geschwindigkeit unkompensierter biochemischer Prozesse bei einer Erwärmung um 10 °C im Schnitt etwa verdoppelt, bleibt die Periodenlänge der inneren Uhr über einen größeren Temperaturbereich konstant. Sowohl in Drosophila als auch in Neurospora wurden Bestandteile des Temperaturkompensationsmechanismus entdeckt.