Zwei sich ergänzende Forschungsartikel zeigen, dass zentrale und periphere circadiane Uhren die tägliche Aktivität von Haut und Muskeln koordinieren. Die Koordination zwischen den beiden Uhren (der zentralen und der peripheren) gewährleistet 50% der circadianen Funktionen von Geweben, einschließlich lebenswichtiger Prozesse wie Zellzyklus, DNA-Reparatur, mitochondriale Aktivität und Stoffwechsel. Die Synchronisierung zwischen der zentralen und der peripheren Uhr des Gehirns verhindert eine vorzeitige Muskelalterung und verbessert die Muskelfunktion, was neue Strategien zur Bekämpfung des altersbedingten Abbaus durch Modulation des 24-Stunden-Rhythmus nahelegt.

Wie circadiane Uhren die Aufrechterhaltung einer optimalen Funktionalität von Muskeln und Haut sicherstellen

Die in den 1970er Jahren entdeckten circadianen Uhren sind für die Regelung der biologischen Zeit in den meisten Zellen des menschlichen Körpers unerlässlich. Diese internen Mechanismen passen biologische Prozesse an einen 24-Stunden-Zyklus an und ermöglichen die Synchronisierung der Zellfunktionen mit den täglichen Schwankungen in der Umwelt. Die circadianen Rhythmen, die von einer zentralen Uhr im Gehirn koordiniert werden, die mit Uhren in verschiedenen peripheren Geweben kommuniziert, beeinflussen viele Funktionen, von unserem Schlafverhalten bis hin zu unserer Fähigkeit, Nahrung zu verwerten.

Ein Team unter der Leitung von Dr. Salvador Aznar Benitah, ICREA-Forscher am IRB Barcelona, und Dr. Pura Muñoz-Cánoves, ICREA-Forscherin an der Fakultät für Medizin und Biowissenschaften der Universität Pompeu Fabra (UPF), hat beschrieben, wie die Synchronisation zwischen der zentralen Uhr und den peripheren Uhren in Muskeln und Haut eine Schlüsselrolle bei der Sicherstellung der korrekten Funktion dieser Gewebe sowie bei der Vorbeugung degenerativer Prozesse im Zusammenhang mit dem Altern spielt. Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden in zwei Artikeln in hochrangigen Fachzeitschriften veröffentlicht. So erscheint die Studie über die Synchronisation zwischen der zentralen und der peripheren Uhr in Science, während die Arbeit über die Koordination zwischen der zentralen Uhr und der peripheren Uhr der Haut in Cell Stem Cell veröffentlicht wurde. Beide Studien zeigen die gemeinsamen Mechanismen auf, die die Bedeutung dieser Koordination für die Aufrechterhaltung der optimalen Funktionalität von Muskeln und Haut unterstreichen.

Die Arbeit beschreibt auch das bemerkenswerte Maß an Autonomie der peripheren Uhren, die 24-Stunden-Zyklen aufrechterhalten und etwa 15% der circadianen Funktionen in Abwesenheit der zentralen Uhr steuern können. Die Studie verdeutlicht, dass eine minimale Interaktion zwischen nur zwei Gewebeuhren (einer zentralen und einer peripheren) erforderlich ist, um die optimale Funktion von Geweben wie Muskeln und Haut aufrechtzuerhalten und deren Verschlechterung und Alterung zu verhindern. Der nächste Schritt besteht nun darin, die Signalfaktoren zu identifizieren, die an dieser Interaktion beteiligt sind, mit Blick auf mögliche therapeutische Anwendungen.

Entwicklung von Therapien für die Muskelalterung und die Verbesserung der körperlichen Leistungsfähigkeit im Alter

Die in der Zeitschrift Science veröffentlichte Studie über die Kommunikation zwischen Gehirn und Muskeln bestätigt, dass die Koordination zwischen der zentralen und der peripheren Uhr für die Aufrechterhaltung der täglichen Muskelfunktion und die Verhinderung der vorzeitigen Alterung dieses Gewebes entscheidend ist. Die Wiederherstellung des circadianen Rhythmus verringert den Verlust an Muskelmasse und -kraft und verbessert so die verschlechterten motorischen Funktionen in experimentellen Mausmodellen.

Die Forschungserkenntnisse haben auch gezeigt, dass die zeitbeschränkte Ernährung (TRF), bei der nur in der aktiven Phase des Tages gegessen wird, die zentrale Uhr teilweise ersetzen und die Autonomie der Muskeluhr verbessern kann. Noch wichtiger ist, dass diese Wiederherstellung des circadianen Rhythmus durch TRF den Muskelabbau, die Verschlechterung der metabolischen und motorischen Funktionen und den Verlust der Muskelkraft bei gealterten Mäusen eindämmen kann.

Diese Erkenntnisse haben erhebliche Auswirkungen auf die Entwicklung von Therapien für die Muskelalterung und die Verbesserung der körperlichen Leistungsfähigkeit im Alter. Dr. Arun Kumar und Mireia Vaca Dempere, beide von der UPF, sind die Erstautoren dieser Studie, zu der auch Dr. Eusebio Perdiguero und Antonio Serrano, früher an der UPF und jetzt bei Altos Labs, beigetragen haben.

In der in Cell Stem Cell veröffentlichten Studie hat das Team gezeigt, dass die circadiane Uhr der Haut eine zentrale Rolle bei der Koordinierung der täglichen Physiologie dieses Gewebes spielt. Durch die Integration von Gehirnsignalen und manchmal auch durch deren Modifizierung, gewährleistet diese Koordination die korrekte Funktionsweise der Haut.

Eine überraschende Entdeckung war, dass in Abwesenheit der peripheren Uhr die zentrale Körperuhr den circadianen Rhythmus der Haut aufrechterhält, aber auf die entgegengesetzte Weise wie es üblich funktioniert (d. h. nach einem entgegengesetzten Zeitplan). So stellten die Forscher beispielsweise fest, dass die DNA-Replikation, wenn sie nur von der zentralen Uhr gesteuert würde, tagsüber stattfinden würde, wenn die Haut dem ultravioletten Licht ausgesetzt ist, was das Risiko der Mutationsanhäufung erhöhen würde. Dieses Phänomen unterstreicht die Bedeutung der peripheren Uhr, die nicht nur Signale von der zentralen Uhr empfängt – welche die Rhythmen des gesamten Organismus koordiniert -, sondern diese Signale auch an die spezifischen Bedürfnisse des Gewebes anpasst, in dem sie sich befinden (im Fall der Hautstammzellen erreicht die DNA-Replikation ihren Höhepunkt, wenn sie tagsüber ultraviolettem Licht ausgesetzt sind).