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Ein Wurm für unseren Schlaf

Nur einen Millimeter klein ist C. elegans. Doch er liefert neues Wissen für unsere Gesundheit. Wie wir von dem Wurm profitieren können.

Von Jana Mundus
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Würmer unterm Mikroskop: Doktorandin Lama Mohsen untersucht am Fluoreszenzmikroskop das Schlafneuron von C. elegans, hier in Rot sichtbar.
Würmer unterm Mikroskop: Doktorandin Lama Mohsen untersucht am Fluoreszenzmikroskop das Schlafneuron von C. elegans, hier in Rot sichtbar. © www.loesel-photographie.de

Unter dem Mikroskop schlängeln sie umher. Sie winden sich, drehen die Köpfe, schieben sich auch mal übereinander hinweg, wenn ein anderer gerade im Weg herumliegt. Millimeter für Millimeter kommen sie voran und hinterlassen dabei wellenartige Spuren in dem feinen Gel, auf dem sie zu Hause sind. Die Fadenwürmer namens Caenorhabditis elegans, kurz C. elegans, haben es Wissenschaftler Henrik Bringmann schon seit einigen Jahren angetan. Sie sind perfekt für die Forschungsfragen, die der Professor am Biotechnologischen Zentrum (Biotec) der TU Dresden mit seiner Gruppe beantworten will. Was passiert, wenn wir schlafen, in unserem Organismus, und wie sehr setzt uns Schlafmangel zu?

Henrik Bringmann ist auf der Suche. Auf einem großen Computerbildschirm im Labor ist zu sehen, was er durchs Mikroskop sieht. „Da ist einer“, sagt er plötzlich und zoomt ein wenig näher heran. Ein Wurm, reglos. Nicht tot, sondern schlafend. „Der Wurm hat ein Schlafsystem wie wir Menschen“, erklärt der Forscher. Doch es gibt einen großen Unterschied. In unserem Gehirn regeln viele Tausende Nervenzellen den Schlaf. Diese Schlafneuronen senden Signale aus, die andere für das Wachsein verantwortliche Neuronen ausschaltet. C. elegans hat genau ein einziges Schlafneuron, das den Schlaf einleitet. „Das macht den Wurm perfekt für uns und unsere Untersuchungen.“

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Fadenwürmer der Art C. elegans unter dem Mikroskop.
Fadenwürmer der Art C. elegans unter dem Mikroskop. © Jürgen Lösel

Doktorandin Lama Mohsen zeigt am Fluoreszenzmikroskop, wie Bringmann das meint. Durch eine spezielle Markierung erscheint dort nur das Schlafneuron farbig. Rot ist es zu sehen, am Kopfende des Fadenwurms. Der ist nur einen Millimeter klein und lebt normalerweise im Boden. Seit 60 Jahren nutzt ihn jedoch die Wissenschaft als Modell, um grundlegende biologische Prozesse im Detail zu erforschen.

Schlafentzung führt zu mehr Aktivität

Bringmann und seine Forschungsgruppe am Biotec wollen untersuchen, wie dieses Schlafneuron die Veränderungen der Genexpression während des Schlafs beeinflusst. Auf molekularer Ebene betrachtet, regt der Schlaf nämlich die sogenannte Expression von Genen an. Das ist wichtig, damit Gehirn und Körper erhalten bleiben und funktionieren. Fehlt uns Schlaf, reagiert unser Körper, indem Gene aktiviert werden, die eine Stressreaktion auslösen. Was schlimm klingt, hat positive Effekte: Der Stress schützt unseren Körper vor den Folgen des Schlafmangels. Denn bei der Reaktion werden Schutzgene eines bestimmten Signalwegs unseres Organismus aktiviert, des Foxo-Signalwegs. Er ist an einer Vielzahl von zellulären Prozessen beteiligt, die insgesamt zur Erholung, zum Überleben und zur Langlebigkeit beitragen.

Schlafneuronen sind laut Bringmann aber nicht nur während des Schlafs aktiv. Schlafentzug führt sogar dazu, dass sie noch stärker aktiviert werden. Ein Trick des Körpers, der bestrebt ist, wieder Gleichgewicht herzustellen. „Die Schlafstörung führt also dazu, dass der Körper das Schlafneuron immer mehr aktiviert“, sagt der Professor. Der Mensch wird in der Folge quasi zum Schlaf gezwungen.

Im Labor leben die Würmer auf speziellen Nährstoff-Gelen. Damit sie genug Nahrung finden, werden sie von Zeit zu Zeit in eine neue Schale umgesiedelt.
Im Labor leben die Würmer auf speziellen Nährstoff-Gelen. Damit sie genug Nahrung finden, werden sie von Zeit zu Zeit in eine neue Schale umgesiedelt. © Jürgen Lösel

Um all das nachvollziehen zu können, arbeiten die Wissenschaftler an den Würmern. Die Würmer leben für die Experimente nicht in der Erde, sondern in kleinen Schälchen. Diese sind mit einem Nährstoff-Gel präpariert, auf dem sich die Würmer satt essen können. Unter dem Mikroskop sind die saugenden Bewegungen in den durchscheinenden Tieren beim Essen gut zu sehen.

Die Biotec-Forscher veränderten C. elegans genetisch. Bringmann ist sich bewusst, wie das in den Ohren von Tierschützern klingen mag. „Das ist natürlich immer ein Abwägen im Sinne der Ethik“, sagt er. Das Thema Schlaf wissenschaftlich zu erforschen sei wichtig für den Menschen. Die Forschung brauche derzeit aber noch Tiermodelle, um auch auf molekularer Ebene Wissen zu generieren. „Wir gehen davon aus, dass der Wurm Schmerz nicht aktiv erleben kann.“ Anders wäre das bei Ratten oder Mäusen, die ebenfalls in Laboren verwendet werden. Die Forscher entwickelten zwei Versionen der Fadenwürmer. Bei den einen ist das Schlafneuron dauerhaft ausgeschaltet. Die andere Gruppe lebt mit einem permanent aktiven Schlafneuron. Die Forscher fanden heraus: Beide Varianten führten zum Verlust des Schlafs. Das ermöglichte das Klären der Kernfrage: Steuert das Schlafneuron die Genexpression unabhängig vom Schlaf?

Folgen der Schlafstörung

„War das Schlafneuron ausgeschaltet, nahm die Expression von Stressreaktions- und von Schutzgenen ab“, formuliert Bringmann eine Beobachtung. War das Schlafneuron permanent eingeschaltet, steigerte das die Expression von Genen. „Diese Ergebnisse zeigen, dass die Expression von Schutzgenen eine Funktion der Aktivität des Schlafneurons ist.“ Die Aktivierung des Schlafneurons ist wichtig, nicht die Frage, wie lange ein Wurm schläft.

Die Ergebnisse liefern eine neue Interpretation der Folgen einer Schlafstörung bei den Würmern. Die Experimente deuten darauf hin, dass die stressschützende Genexpressionsreaktion, die bei Schlafstörungen beobachtet wird, nicht durch den eigentlichen Schlafverlust verursacht wird, sondern durch die Überaktivierung des Schlafneurons. Die Aktivität des Schlafneurons ist damit entscheidend für das Überleben des Tiers. Während der Arbeit zeigte sich zudem, dass die Würmer in vielen Fällen deutlich länger überlebten als nicht genetisch veränderte Artgenossen.

Henrik Bringmann und sein Team untersuchen, welche biomolekularen Prinzipien dem Schlaf zugrunde liegen.
Henrik Bringmann und sein Team untersuchen, welche biomolekularen Prinzipien dem Schlaf zugrunde liegen. © Jürgen Lösel

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Doch wie lässt sich all das nun auf den Menschen und sein Schlafverhalten übertragen? „Wir stehen erst am Anfang“, macht Bringmann deutlich. Doch die Ergebnisse zeigten den Zusammenhang zwischen der Aktivität von Schlafneuronen und der Genexpression. „Wir schauen damit noch einmal ganz anders auf die Themen Schlaflosigkeit- oder Schlafstörungen.“ Immerhin könnte es sein, dass die Aktivität der Schlafneuronen die Stressreaktion und die schützende Genexpression auch beim Menschen kontrolliert. Womöglich könnten wir uns das in Zukunft zunutze machen.

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