Zirkadiane Rhythmen und Hormonzyklen

Viele Hormone werden nicht konstant ausgeschüttet, sondern steigen und fallen nach einem ungefähr 24-stündigen Zeitplan, der von einer inneren Uhr vorgegeben wird. Ein zentraler Schrittmacher im Hypothalamus synchronisiert diese Rhythmen mit dem Tag-Nacht-Zyklus, sodass Hormone wie Cortisol, Wachstumshormon und Melatonin zu charakteristischen Zeiten ihren Höhepunkt erreichen.

Definition

Hormonelle zirkadiane Rhythmen sind ungefähr 24-stündige Zyklen der Hormonsekretion, die von einer inneren molekularen Uhr erzeugt und durch den hypothalamischen Nucleus suprachiasmaticus mit der Umgebung synchronisiert werden.

Scope

Das Thema umfasst die molekulare und anatomische Grundlage der zirkadianen Uhr bei Säugetieren, die Rolle des Nucleus suprachiasmaticus als Hauptschrittmacher, wie die Uhr tägliche Rhythmen der Hormonsekretion vorgibt und die Unterscheidung zwischen zirkadianen, pulsierenden und längeren Hormonzyklen. Es handelt sich um ein physiologisches Thema, nicht um eine klinische Leitlinie.

Core questions

• Was erzeugt einen zirkadianen Rhythmus auf molekularer Ebene?
• Wie fungiert der Nucleus suprachiasmaticus als Hauptuhr?
• Welche Hormone zeigen ausgeprägte Tagesrhythmen und wann erreichen sie ihren Höhepunkt?
• Wie stehen zirkadiane Rhythmen in Beziehung zu pulsierenden und längeren Hormonzyklen?

Key concepts

• Nucleus suprachiasmaticus (Hauptuhr)
• Uhrgene und die Transkriptions-Translations-Rückkopplungsschleife
• Entrainment an Licht
• Cortisol-Tagesrhythmus
• Melatonin und der Schlaf-Wach-Zyklus
• Nächtliche Wachstumshormonsekretion
• Pulsierende versus zirkadiane Sekretion
• Ultradiane und infradiane Zyklen

Key theories

Transkriptions-Translations-Rückkopplungsschleife

Die zelluläre zirkadiane Uhr wird aus einer Reihe von Uhrgenen aufgebaut, deren Proteinprodukte ihre eigene Transkription hemmen; die Verzögerung in dieser negativen Rückkopplungsschleife erzeugt eine selbsterhaltende Oszillation mit einer Periode von etwa 24 Stunden.

Zentraler Schrittmacher, der periphere Rhythmen synchronisiert

Der Nucleus suprachiasmaticus, der durch die Netzhaut an Licht gekoppelt ist, koordiniert die Uhren im gesamten Körper und gibt dem neuroendokrinen Output den täglichen Takt vor, wodurch die Hormonrhythmen mit dem Tag-Nacht-Zyklus in Einklang gebracht werden.

Mechanisms

Innerhalb einzelner Zellen bildet ein Kernsatz von Uhrgenen eine Transkriptions-Translations-Rückkopplungsschleife: Aktivierende Proteine treiben die Expression von Repressorgenen an, deren Produkte dann die Aktivatoren hemmen, und die eingebaute Verzögerung führt zu einer selbsterhaltenden Oszillation von etwa 24 Stunden. Der Nucleus suprachiasmaticus des Hypothalamus enthält ein Netzwerk solcher Uhrzellen, wird täglich durch Lichtsignale von der Netzhaut zurückgesetzt und fungiert als Hauptschrittmacher, der periphere Uhren und den neuroendokrinen Output synchronisiert. Über neuronale und hormonelle Wege gibt der Nucleus suprachiasmaticus den hypothalamisch-hypophysären Achsen den täglichen Takt vor, sodass Cortisol seinen Höhepunkt nahe dem Aufwachen erreicht, Wachstumshormon hauptsächlich im frühen Tiefschlaf freigesetzt wird und Melatonin nachts ansteigt. Diese zirkadianen Rhythmen überlagern sich mit schnellerer pulsierender Sekretion und mit längeren Zyklen wie dem Menstruationszyklus.

Clinical relevance

Da die Hormonspiegel im Tagesverlauf vorhersehbar variieren, ist der Zeitpunkt der Hormonmessung Teil der Interpretation seines Wertes, und eine Störung der zirkadianen Zeitgebung wird als physiologisch bedeutsam anerkannt. Dieser Eintrag beschreibt die Zeitgebung der normalen Sekretion und ist keine Grundlage für eine individuelle Diagnose oder Behandlung.

Evidence & guidelines

Das molekulare Uhrmodell und die Schrittmacherfunktion des Nucleus suprachiasmaticus sind in weithin zitierten Übersichtsartikeln etabliert; die Entdeckung des Uhrgen-Rückkopplungsmechanismus wurde mit dem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin 2017 gewürdigt. Die Kopplung der Uhr an den endokrinen Output, insbesondere die HPA-Achse, wird in speziellen Übersichtsartikeln zusammengefasst.

History

Tägliche Rhythmen in der Physiologie wurden lange beobachtet, aber ihre endogene, genetisch bedingte Natur wurde erst im späten zwanzigsten Jahrhundert nachgewiesen. Die Identifizierung des Nucleus suprachiasmaticus als Hauptuhr der Säugetiere und die anschließende Klonierung von Uhrgenen enthüllten die Transkriptions-Translations-Rückkopplungsschleife und lieferten einen molekularen Mechanismus für die tägliche Zeitgebung der Hormonsekretion.

Key figures

• Joseph S. Takahashi
• Steven M. Reppert
• Michael W. Young
• George P. Chrousos

Seminal works

• reppert-weaver-2002
• takahashi-2016

Frequently asked questions

Was ist die Hauptuhr des Körpers?

Der Nucleus suprachiasmaticus, eine kleine Region des Hypothalamus. Er erzeugt einen selbsterhaltenden, etwa 24-stündigen Rhythmus, wird täglich durch Licht zurückgesetzt und synchronisiert Uhren und Hormonrhythmen im gesamten Körper.

Warum schwankt Cortisol im Tagesverlauf?

Die zirkadiane Uhr steuert die HPA-Achse so, dass die Cortisolsekretion um die Aufwachzeit herum ihren Höhepunkt erreicht und nachts auf einen Tiefpunkt abfällt, wodurch ihr charakteristischer Tagesrhythmus entsteht.