Radertjes in de biologische klok

Bij voortdurende duisternis gaat het mis. Muizen die enkele radertjes van hun biologische klok missen, raken volledig van slag. Anderhalve week geleden publiceerden onderzoekers van de Erasmus Universiteit Rotterdam in Nature over deze onderdelen van de biologische klok. Een dag later verschenen in een ander vooraanstaand tijdschrift, Science, ook twee artikelen over de biologische klok. Dat blad heeft z'n uiterste best gedaan om het verhaal van de vakgroep van prof. dr. J. Hoeijmakers te mogen plaatsen, wat aangeeft hoe hectisch het er in de 'klokwereld' aan toegaat.

De radertjes zetten de klok gelijk onder invloed van licht. Moleculair bioloog dr. B. van der Horst was daar helemaal niet naar op zoek. Het onderzoek binnen de afdeling celbiologie en genetica richt zich op de reparatie van schade aan het erfelijk materiaal. UV-licht is een belangrijke veroorzaker van beschadigingen van het DNA. Dat licht levert aan bepaalde DNA-reparatie-eiwitten tegelijkertijd energie voor de reparatie.

Bij zoogdieren en de mens waren deze eiwitten nog niet aangetroffen. Een speurtocht in computerbestanden leverde zelfs twee genen op, cry1 en cry2, die informatie dragen voor zulke eiwitten. Maar die genen waren niet betrokken bij schadeherstel, zo bleek. Ze dragen informatie voor eiwitten die lijken op cryptochromen, bekend uit de plantenwereld waar ze onder meer zorgen voor het dagelijks openen en sluiten van de bloemen. Het vermoeden rees dat de eiwitten Cry1 en Cry2 betrokken zijn bij de menselijke biologische klok. De klok wordt namelijk elke dag 'gelijkgezet' onder invloed van daglicht. De twee eiwitten zouden dat licht kunnen opvangen.

Om dat aan te tonen, maakte Van der Horst gebruik van muizen waarin óf het cry1-gen, óf het cry2-gen of beide waren uitgeschakeld. Hun dagen in de kooitjes met een tredmolen werden verdeeld in 12 uur licht en 12 uur donker, in onderstaande grafiek de bovenste witte en blauwe vlakken. De muizen sliepen overdag. Het zijn nachtdieren, licht betekent voor hen gevaar, ze vallen dan op en zijn een makkelijke prooi. In het donker werden de beestjes actief. De onderzoeker kon dat registreren door het draaien van de tredmolen, weergegeven door de zwarte streepjes in de grafiek.

Afwijkingen in de biologische klok van de muizen die één cry-gen of beide cry-genen missen, kwamen pas aan het licht bij volledige duisternis, in het onderste (blauwe) deel van de grafiek. De biologische klok van 'gezonde' muizen tikte rustig door (a), periodes van rust en activiteit bleven elkaar ook in volledige duisternis volgens het normale patroon afwisselen.

De klok van muizen die het cry1-gen misten, ging sneller tikken, hun dag duurde 22,5 uur (b), terwijl het afwezig zijn van het cry2-gen tot gevolg had dat de dag langer duurde, 24,6 uur (c). Hoeijmakers: „De twee eiwitten werken elkaar dus tegen en houden zo de biologische klok in balans.”

Door het ontbreken van beide genen (d) raakte de klok in het donker volledig in de war. Rust en activiteit wisselden elkaar snel af, zonder enige regelmaat. Volgens de Rotterdamse hoogleraar passen de eiwitten Cry1 en Cry2 niet alleen de biologische klok aan, ze vormen tegelijkertijd het hart ervan. „Zonder deze radertjes loopt-ie helemaal niet meer.”

De eiwitten komen in het hele lichaam voor. Op twee plaatsen is de concentratie veel hoger: in het centrum van de biologische klok, dat zich in de hersenen bevindt, en op het netvlies. „Dat kun je vergelijken met een hoogpolig tapijt, de haren zijn de staafjes en kegeltjes waarmee je ziet, in het weefsel daaronder zitten de eiwitten die de biologische klok aansturen. Daarom heeft een deel van de mensen die volledig blind zijn, toch nog een goed werkende klok.” De Rotterdamse wetenschappers gaan nu uitzoeken hoe de radertjes van de klok ineengrijpen: hoe de eiwitten het lichtsignaal omzetten in een chemische signaal dat de biologische klok in balans houdt.