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Das Leben aller Organismen wird grundlegend durch den tages- und jahreszeitlich bedingten Wechsel der Beleuchtungsverhältnisse geprägt. Die Anpassung der Stoffwechselprozesse und Verhaltensweisen an diese Oszillationen erfolgt nicht passiv, sondern wird durch eine innere Uhr gesteuert. Tageszeitliche Rhythmen, die auch ohne den Einfluss äußerer, periodisch verlaufender Umgebungsreize (Zeitgeber) ablaufen, werden als zirkadiane Rhythmen bezeichnet. Im Säugetier steuert ein endogener Rhythmusgenerator im Nucleus suprachiasmaticus (SCN) zirkadiane Rhythmen, indem er periphere Oszillatoren miteinander synchronisiert. Auf molekularer Ebene besteht dieser endogener Rhythmusgenerator aus Aktivatoren (BMAL1 und CLOCK/NPAS2) und Inhibitoren (PER1/2 und Cry1/2), die in Rückkopplungsschleifen die Grundlage für die Rhythmogenese steuern. Die Synchronisation dieses molekularen Uhrwerkes an die Umgebungszeit erfolgt durch Licht, das in der Retina wahrgenommen und an das SCN weitergeleitet wird. Die Signaltransduktionskaskaden nach einem Lichtpuls in der frühen und der späten Nacht unterscheiden sich dabei wesentlich: Ein Lichtpuls während der frühen Nacht führt zu einer erhöhten Freisetzung von Ca2+-Ionen über Ryanodin Rezeptoren (RYR), während ein Lichtpuls während der späten Nacht zu einer erhöhten Guanylylcyclase Aktivität führt. Um zu untersuchen, wie der endogene Rhythmusgenerator seinen Lichteingang reguliert, wurde die Licht-vermittelte Phasenverzögerung in BMAL1+/+- (profizienten) und BMAL1-/-- (defizienten) Mäusen untersucht. Die Befunde aus den in-situ Hybridisierungsstudien, RTQ-PCR und immunhistochemischen Untersuchungen dieser Arbeit zeigten, dass in BMAL1-/--Mäusen die Licht-induzierte mPer-Expression während der frühen Nacht selektiv beeinträchtigt ist. Zudem konnte gezeigt werden, dass die mRNA- und Proteinmengen von RYRs in BMAL1-/--Mäusen dramatisch reduziert waren. Ryr1:: und Ryr2::Luciferase-Reportersstudien zeigten darüber hinaus, dass die Ryr-Expression durch CLOCK/BMAL1 aktiviert und durch CRY1inhibiert werden kann. Diese Ergebnisse liefern den ersten Beweis dafür, dass der endogene Rhythmusgenerator des Säugers die Signalübertragung seines eigenen Lichteingangs regulieren kann. Weiterhin wurde in dieser Arbeit die ontogenetische Entwicklung des endogenen Rhythmusgenerators im SCN und in einem Melatonin-abhängigen peripheren Oszillator, der PT, untersucht und miteinander verglichen. Dazu wurden die Uhrengenproteine im fetalen (E18), postnatalen (P2 & P10) und adulten SCN und in der PT von C3H-Mäusen zu vier verschiedenen zirkadianen Zeitpunkten mittels Immunhistochemie untersucht. Die Anzahl immunreaktiver SCN-Zellen gegen alle untersuchten Uhrengenproteine (außer BMAL1) war im Fetus signifikant niedriger, als in der adulten Maus. Auch im SCN neonataler (P2) Mäuse erreichte die Anzahl immunreaktiver Zellen noch nicht das Niveau der adulten Maus. Erst 10 Tage nach der Geburt (P10) zeigen alle Uhrengenproteine im SCN ein adultes Verteilungsmuster. Offenbar reift das Uhrwerk im SCN von Mäusen graduell während der postnatalen Entwicklungsphase. Dabei besteht eine zeitliche Korrelation zwischen der Reifung des endogenen Rhythmusgenerators im SCN und der Ausbildung von inter-suprachiasmatischen und retino-suprachiaamatischen neuronalen Kontakten. Im Gegensatz zum SCN zeigte der Melatonin-abhängigen Oszilllator in der PT bereits im Fetus einen nahezu vollständig ausgeprägten Rhythmus der Uhrengenproteine. Da das fetale Pinealorgan noch nicht zur rhythmischen Melatonin-Synthese fähig ist, liegt es nahe, dass das mütterliche Melatonin die rhythmische Expression der Uhrengene in der fetalen PT reguliert. Wie in vitro Untersuchungen an PER2::LUCIFERASE-Mäusen zeigten, hat das mütterliche Melatonin offenbar auch einen modulierenden Einfluss auf den fetalen SCN. Bei diesen Mäusen konnte im fetalen und postnatalen SCN ein zirkadianer Rhythmus in der PER2-Synthese nachgewiesen werden, der eine relativ lange Periodenlänge aufwies und nach 3 Tagen zum Erliegen kam. Eine Stimulation mit Melatonin führte zu einer deutlichen Verkürzung der Periodenlänge im PER2-Rhythmus. Folglich scheint das mütterliche Melatonin eine wichtige Quelle für Informationen der Umgebungszeit im Fetus zu sein. Um die Uhrengenexpression während der Maus-Ontogenese in vitro auf zellulärer Ebene darzustellen, wurde in dieser Arbeit zudem ein vom murinen Per2-Promoter angetriebenes DsRed- Reportersystem etabliert und der Versuch begonnen, eine darauf basierende transgene Maus zu generieren.

In allen untersuchten Geweben findet sich eine perinukleäre cytoplasmatische NEUROD-Immunreaktion. Diese zeigt vor allem in den peripheren Geweben, die im Dienste des Metabolismus stehen, einen circadianen Rhythmus. Die NEUROD-Ir untersteht in den Verdauungsorganen Pankreas und Duodenum einem circadianen Rhythmus. Das Maximum der NEUROD-Ir liegt in der frühen subjektiven Nacht, zum Zeitpunkt der gesteigerten Nahrungsaufnahme. Möglicherweise reguliert NEUROD als rhythmischer Transkriptionsfaktor die Expression von Genen, die im Dienste des Metabolismus stehen. In Pankreas und Duodenum ist die NEUROD-Ir in MT1-defizienten Mäusen deutlich schwächer ausgeprägt als im WT. Dies deutet darauf hin, dass Melatonin über Aktivierung des MT1-Rezeptors einen modulatorischen, stimulierenden Einfluss auf die Synthese von NEUROD im endokrinen Pankreas und in den Krypten des Duodenums ausübt. Dieser Effekt scheint jedoch indirekt zu sein, da nur eine geringe Kolokalisation der NEUROD- mit der MT1-Ir nachgewiesen werden konnte. Mittels Mehrfachfluoreszenzmarkierung wurde die Identität der NEUROD-Ir Zellen in Pankreas und Duodenum charakterisiert. Es findet sich eine NEUROD-Ir in Glucagon--Zellen), Somatostatin-produzierenden Zellen (δ-Zellen), PP-produzierenden Zellen (γ-Zellen) und Ghrelin-produzierenden Zellen (ε-Zellen). Auch die vom Duodenum bekannten Hormone GIP, PYY und Serotonin sind im adulten endokrinen Pankreas präsent, Serotonin zeigt zudem weitgehende Kolokalisation mit NEUROD. Eine hundertprozentige Kolokalisation besteht in den Langerhans Inseln von Tyrosinhydroxylase und NEUROD. Einige Zellen in den Langerhans Inseln zeigen Koproduktion von PYY und Serotonin sowie PYY und VIP, nicht jedoch von PYY und Glucagon, PYY und Gastrin sowie Glucagon und PP. Des Weiteren ist auch NPY im adulten endokrinen Pankreas nachweisbar. Von den Melatonin-Rezeptoren kommt der MT2-Rezeptor besonders zahlreich in den Langerhans Inseln vor und zeigt teilweise Kolokalisation mit NEUROD, der MT1-Rezeptor ist in den Langerhans Inseln nur vereinzelt nachweisbar. Im exokrinen Pankreas konnten feine Fasern nachgewiesen werden, die eine NEUROD-Ir aufweisen. In den Krypten des adulten Duodenums von Mäusen ist die NEUROD-Ir ebenfalls perinukleär-cytoplasmatisch. Kolokalisation der entsprechenden Hormone mit NEUROD besteht in Gastrin-produzierenden Zellen (G-Zellen) in den Krypten und in der Lamina propria mucosae; in Secretin-produzierenden Zellen (S-Zellen) in den Krypten, in der Lamina propria mucosae sowie in den Zotten; in Substanz P-produzierenden Zellen (P-Zellen) in den Krypten. Letztere Zellen zeigen auch in den Langerhans Inseln des endokrinen Pankreas teilweise Kolokalisation mit NEUROD. Des Weiteren besteht Kolokalisation von GIP und NEUROD in den Inseln des Duodenums. Ghrelin und PP, bekannterweise in den Langerhans Inseln des endokrinen Pankreas vorhanden, werden auch im Duodenum produziert. Ghrelin findet sich zwischen den Krypten wie auch in einzeln identifizierbaren Zellen in den Krypten, die bislang nicht beschrieben wurden und eine hundertprozentige Kolokalisation mit NEUROD aufweisen. PP findet sich im Duodenum in den Krypten, Zotten und Inseln, es besteht keine Kolokalisation mit NEUROD, während in den Langerhans Inseln des endokrinen Pankreas Kolokalisation von PP mit NEUROD gegeben ist. Das deutet darauf hin, dass die Langerhans Inseln des endokrinen Pankreas und die Inseln des Duodenums sich voneinander unterscheiden. Es besteht in den Krypten des adulten Duodenums keine Koproduktion von Substanz P und Serotonin, in den Inseln des adulten Duodenums keine Koproduktion von Serotonin und PYY. Tyrosinhydroxylase ist im adulten Duodenum auβerhalb der Krypten und in den Zotten vorhanden, zeigt aber im Gegensatz zum endokrinen Pankreas hier keine Kolokalisation mit NEUROD. Auch NPY ist im adulten Duodenum nachweisbar, und zwar in den Krypten wie auch in den Zotten. In der Lamina propria mucosae des adulten Duodenums liegen wie im adulten exokrinen Pankreas feine Fasern vor, die auch hier NEUROD-immunpositiv sind. Auch in der hypophysären Pars tuberalis ist die NEUROD-Ir in MT1-defizienten Mäusen geringer ausgeprägt als in WT und nicht rhythmisch. Daher scheint auch in diesem Gewebe Melatonin einen (indirekten) stimulierenden Effekt auf die Synthese von NEUROD zu haben. Dies ist von besonderem Interesse, da die Pars tuberalis der einzige Anteil der Hypophyse ist, der Melatoninrezeptoren enthält und über parakrine Faktoren die jahreszeitliche Hormonsynthese der Pars distalis beeinflussen kann. Diese Arbeit zeigt zum ersten Mal das Vorkommen der Hormone Ghrelin, GIP und Secretin in der Pars tuberalis. GIP ist teilweise mit NEUROD kolokalisiert. Dieser Befund unterstreicht die Rolle der Pars tuberalis für die rhythmische Nahrungsaufnahme. Im Hippocampus (Gyrus dentatus, CA1 und CA3 Region) zeigt die NEUROD-Ir in MT1-defizienten und WT Mäusen ein ähnliches Tagesprofil. Daher scheint das MT1-vermittelte Melatoninsignal keinen Effekt auf die Synthese von NEUROD zu haben. Auch im Neuropil der Eminentia mediana sowie in den Ependymzellen des dritten Ventrikels ist kein eindeutiger Effekt des MT1-Defizits auf die NEUROD-Ir festzustellen. Offenbar wird die Synthese von NEUROD in neuronalen Strukturen, anders als in peripheren Strukturen, nicht über Melatonin (MT1) beeinflusst. Die Rolle des molekularen Uhrwerkes auf die Synthese von NEUROD wurde durch die vergleichende Analyse der NEUROD-Ir in WT und PER1-defizienten Mäusen untersucht. Dabei zeigte sich, dass der negative Regulator PER1 offenbar einen hemmenden Einfluss auf die Synthese von NEUROD in Pankreas und Hippocampus (Gyrus dentatus, CA1 und CA3 Region) ausübt. PER1 hemmt im molekularen Uhrwerk rhythmisch die CLOCK:BMAL1 vermittelte Genexpression. Fehlt PER1, wird auch die Inhibition der Expression von uhrenkontrollierten Genen, deren rhythmische Expression vom molekularen Uhrwerk gesteuert wird, geschwächt. Dadurch kommt es zur Enthemmung der Expression von uhrenkontrollierten Genen und zu einer Steigerung der entsprechenden Proteinsynthese. Die vergleichende Analyse von WT und PER1-defizienten Määusen deutet darauf hin, dass NeuroD ein uhrenkontrolliertes Gen sein könnte. Dies ist insbesonders interessant im Hinblick auf die wichtige Rolle von NEUROD bei der adulten Neurogenese. Im Hippocampus (Gyrus dentatus, CA1 und CA3 Region) findet sich die NEUROD-Ir in Neuronen der Körnerschicht und in der polymorphen Schicht bzw. in Pyramidenzellen. Dabei scheinen besonders unreife Neuronen NEUROD-positiv zu sein. Es besteht teilweise Kolokalisation mit Ghrelin, nicht jedoch mit den Melatonin-Rezeptoren MT1 und MT2. Im mediobasalen Hypothalamus findet sich die NEUROD-Ir im Neuropil von Tractus hypothalamohypophysealis, Zona externa infundibuli sowie in den Ependymzellen des dritten Ventrikels als auch in Neuronen des Nucleus arcuatus. Diese zeigen jedoch keine nukleäre NeuN-Ir. Die Ependymzellen des dritten Ventrikels zeigen nur eine schwache NEUROD-Ir, es besteht keine Kolokalisation von NEUROD mit GFAP. GIP ist, wie oben für die Pars tuberalis beschrieben, in Tractus hypothalamohypophysealis und Zona externa infundibuli vorhanden und zeigt teilweise Kolokalisation mit NEUROD. Secretin ist im mediobasalen Hypothalamus relativ homogen verteilt vorhanden. In Tractus hypothalamohypophysealis, Zona externa infundibuli und Nucleus arcuatus besteht eine starke Ir mit Vimentin, das Fibroblasten, Leukozyten und Endothel-Zellen der Blutgefäβe markiert. Auch die Melatonin-Rezeptoren MT1 und MT2 finden sich in Tractus hypothalamohypophysealis und Zona externa infundibuli. Es besteht jedoch keine Kolokalisation mit NEUROD.