Charlotte Helfrich-Förster (* 30. August 1957 in Heilbronn-Sontheim) ist eine deutsche Zoologin und Neurobiologin sowie Universitätsprofessorin an der Universität Würzburg.Uni Würzburg: Förster ist besonders bekannt für ihre Forschungen zur Funktionsweise der inneren Uhr bei Insekten.
Leben Charlotte Helfrich-Förster studierte ab 1976 Biologie an der Universität Stuttgart und der Universität Tübingen.Uni Würzburg: Sie schloss 1981 mit dem Diplom ab und promovierte 1985 zum Thema Untersuchungen über das circadiane System von Fliegen. Als Post-Doktorandin war sie ab 1994 am Max-Planck-Institut für Biologische Kybernetik in Tübingen. 2000 habilitierte sie sich in Zoologie und wurde 2001 Vertretungsprofessorin und dann Professorin für Zoologie an der Universität Regensburg. Seit 2009 ist sie Inhaberin des Lehrstuhls für Neurobiologie und Genetik an der Universität Würzburg. 2012 etablierte sie dort den DFG-Sonderforschungsbereich Insect timing: mechanisms, plasticity and interactions. Julius-Maximilians-Universität Würzburg (2013–2016)
Wissenschaftlicher Beitrag Försters Hauptinteresse ist es, die Funktionsweise von inneren Uhren auf molekularer und neuronaler Ebene zu verstehen sowie aufzuklären wie innere Uhren auf die zyklischen Änderungen der Umwelt synchronisiert werden und wie sie Verhalten steuern. Da die Funktion von inneren Uhren im Tierreich stark konserviert ist, eignet sich die Taufliege Drosophila melanogaster aufgrund ihrer genetischen Zugänglichkeit am besten dazu die meisten dieser Fragen zu untersuchen.Helfrich-Förster, C. (2004). The circadian clock in the brain: a structural and functional comparison between mammals and insects. Journal of Comparative Physiology. A, Neuroethology, Sensory, Neural, and Behavioral Physiology, 190(8), 601–613. doi:10.1007/s00359-004-0527-2 Es gelang Förster das neuronale Uhr-Netzwerk im Gehirn der Taufliege im Detail aufzuklären.Helfrich-Förster, C. (2005). Neurobiology of the fruit fly’s circadian clock. Genes, Brain and Behavior, 4(2), 65–76. doi:10.1111/j.1601-183X.2004.00092.xHelfrich-Förster, C., Shafer, O. T., Wülbeck, C., Grieshaber, E., Rieger, D., & Taghert, P. (2007). Development and morphology of the clock-gene-expressing lateral neurons of Drosophila melanogaster. The Journal of Comparative Neurology, 500(1), 47–70. doi:10.1002/cne.21146Helfrich-Förster, C., Yoshii, T., Wülbeck, C., Grieshaber, E., Rieger, D., Bachleitner, W., … Rouyer, F. (2007). The lateral and dorsal neurons of Drosophila melanogaster: new insights about their morphology and function. Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology, 72, 517–525. doi:10.1101/sqb.2007.72.063Hermann-Luibl, C., & Helfrich-Förster, C. (2015). Clock network in Drosophila. Current Opinion in Insect Science, 7, 65–70. doi:10.1016/j.cois.2014.11.003 Weiterhin konnte Förster zeigen, dass spezielle neuropeptiderge Neurone dieses Uhr-Netzwerks für die rhythmische Aktivität der Fliege von besonderer Bedeutung sind. Dabei handelt es sich um Neurone, die das Neuropeptid „Pigment-Dispersing Factor“ (PDF) exprimieren.Helfrich-Förster C, Homberg U (1993) Pigment-dispersing hormone-immunoreactive neurons in the nervous system of wild-type Drosophila melanogaster and of several mutants with altered circadian rhythmicity. J Comp Neurol 337, 177-190.Helfrich-Förster, C. (1995). The period clock gene is expressed in central nervous system neurons which also produce a neuropeptide that reveals the projections of circadian pacemaker cells within the brain of Drosophila melanogaster. Proceedings of the National Academy of Sciences, 92(2), 612–616.Helfrich-Förster, C. (1998). Robust circadian rhythmicity of Drosophila melanogaster requires the presence of lateral neurons: a brain-behavioral study of disconnected mutants. Journal of Comparative Physiology A, 182(4), 435–453. doi:10.1007/s003590050192Helfrich-Förster, C., Täuber, M., Park, J. H., Mühlig-Versen, M., Schneuwly, S., & Hofbauer, A. (2000). Ectopic expression of the neuropeptide pigment-dispersing factor alters behavioral rhythms in Drosophila melanogaster. The Journal of Neuroscience: The Official Journal of the Society for Neuroscience, 20(9), 3339–3353.Yoshii, T., Wülbeck, C., Sehadova, H., Veleri, S., Bichler, D., Stanewsky, R., & Helfrich-Förster, C. (2009). The neuropeptide pigment-dispersing factor adjusts period and phase of Drosophila’s clock. The Journal of Neuroscience: The Official Journal of the Society for Neuroscience, 29(8), 2597–2610. doi:10.1523/JNEUROSCI.5439-08.2009 Die PDF Neurone sind essentiell zur Erhaltung rhythmischer Aktivität in Abwesenheit externer Zeitgeber wie Licht- und Temperaturzyklen. Im normalen 24-Stunden-Tag sind die PDF Neurone wichtig für eine normale Morgenaktivität und bestimmen gleichzeitig den Zeitpunkt der Abendaktivität der Tiere. Essentiell für die Abendaktivität per se sind aber andere Uhr-Neuronen, u. a. solche die das Neuropeptid „Ion Transport Peptide“ (ITP) exprimieren.Hermann-Luibl, C., Yoshii, T., Senthilan, P. R., Dircksen, H., & Helfrich-Förster, C. (2014). The ion transport peptide is a new functional clock neuropeptide in the fruit fly Drosophila melanogaster. The Journal of Neuroscience: The Official Journal of the Society for Neuroscience, 34(29), 9522–9536. doi:10.1523/JNEUROSCI.0111-14.2014 Zusammen mit Ergebnissen anderer Arbeitsgruppen führten Charlotte Helfrich-Försters Untersuchungen zu einem allgemein gültigen Modell der Aktivitätskontrolle durch Morgen- und Abendoszillatoren.The activity rhythm of Drosophila melanogaster is controlled by a dual oscillator. (o. J.). Abgerufen am 4. April 2017, von https://www.researchgate.net/publication/223763985_The_activity_rhythm_of_Drosophila_melanogaster_is_controlled_by_a_dual_oscillator.Rieger, D., Shafer, O. T., Tomioka, K., & Helfrich-Förster, C. (2006). Functional analysis of circadian pacemaker neurons in Drosophila melanogaster. The Journal of Neuroscience: The Official Journal of the Society for Neuroscience, 26(9), 2531–2543. doi:10.1523/JNEUROSCI.1234-05.2006Helfrich-Förster, C. (2009). Does the Morning and Evening Oscillator Model Fit Better for Flies or Mice? Journal of Biological Rhythms, 24(4), 259–270. doi:10.1177/0748730409339614Yoshii, T., Rieger, D., & Helfrich-Förster, C. (2012). Two clocks in the brain: an update of the morning and evening oscillator model in Drosophila. Progress in Brain Research, 199, 59–82. doi:10.1016/B978-0-444-59427-3.00027-7Helfrich-Förster, C. (2014). From Neurogenetic Studies in the Fly Brain to a Concept in Circadian Biology. Journal of Neurogenetics, 28(3–4), 329–347. doi:10.3109/01677063.2014.905556
Försters zweiter wissenschaftlicher Schwerpunkt liegt in der Aufklärung der Synchronisation der inneren Uhr durch externe Zeitgeber, insbesondere durch Licht-Dunkel Zyklen. Sie konnte bereits in ihrer Doktorarbeit zeigen, dass sich die Aktivitätsrhythmik von augenlosen Taufliegen noch auf Licht-Dunkel-Zyklen synchronisieren lässt, was für die Existenz von extraocularen Fotorezeptoren spricht.Helfrich, C., & Engelmann, W. (1983). Circadian rhythm of the locomotor activity in Drosophila melanogaster and its mutants ‘sine oculis’ and ‘small optic lobes’. Physiological Entomology, 8(3), 257–272. doi:10.1111/j.1365-3032.1983.tb00358.x Solche wurden in Form eines extraretinalen Äugleins und in Form des Blaulichtpigments Cryptochrom auch gefunden.Emery, P., Stanewsky, R., Helfrich-Förster, C., Emery-Le, M., Hall, J. C., & Rosbash, M. (2000). Drosophila CRY is a deep brain circadian photoreceptor. Neuron, 26(2), 493–504.Veleri, S., Rieger, D., Helfrich-Förster, C., & Stanewsky, R. (2007). Hofbauer-Buchner Eyelet Affects Circadian Photosensitivity and Coordinates TIM and PER Expression in Drosophila Clock Neurons. Journal of Biological Rhythms, 22(1), 29–42. doi:10.1177/0748730406295754 In zahlreichen Arbeiten und in nationaler und internationaler Zusammenarbeit mit vielen Wissenschaftlern klärte Förster die Bedeutung und Rolle aller Photorezeptororgane und Photopigmente der Taufliege für die Synchronisation der Taufliege weitgehend auf.Rieger D., Stanewsky R., Helfrich-Förster C. (2003). Cryptochrome, compound eyes, Hofbauer-Buchner eyelets, and ocelli play different roles in the entrainment and masking pathway of the locomotor activity rhythm in the fruit fly Drosophila melanogaster. J Biol Rhythms 18, 377-391.Yoshii T., Todo T., Wülbeck C., Stanewsky R., Helfrich-Förster C. (2008). Cryptochrome operates in the compound eyes and a subset of Drosophila’s clock neurons. J Comp Neurol 508, 952-966.Yoshii T., Vanin S., Costa R., Helfrich-Förster C. (2009). Synergic entrainment of Drosophila’s circadian clock by light and temperature. J Biol Rhythms 24, 452-464.Mazotta G., Rossi A., Leonardi E., Mason M., Bertolucci C., Caccin L., Spolaore B., Martin AJM, Schlichting M., Grebler R., Helfrich-Förster C., Mammi S., Costa R., Tosatto SCE. (2013). Fly cryptochrome and the visual system, Proc Natl Acad Sci USA 110(15), 6163-6168.Schlichting M., Grebler R., Peschel N., Yoshii T., Helfrich-Förster C. (2014). Moonlight detection by Drosophila’s endogenous clock depends on multiple photopigments in the compound eyes. J Biol Rhythms 29, 75-86.Yoshii T., Hermann-Luibl C., Kistenpfennig C., Tomioka K., Helfrich-Förster C. (2015). Cryptochrome dependent and independent circadian entrainment circuits in Drosophila. J Neurosci 35(15), 6131-6141.Yoshii T., Hermann-Luibl C., Helfrich-Förster C. (2016). Circadian light-input pathways in Drosophila. Communicative & Integrative Biol 9(1), e1102805. doi:10.1080/19420889.2015.1102805. Noch unbekannt ist die Rolle eines siebten Rhodopsins, Rh7, aber es mehren sich die Hinweise, dass auch dieses an der Synchronisation der inneren Uhr auf Licht beteiligt ist.Senthilan, P. R., & Helfrich-Förster, C. (2016). Rhodopsin 7–The unusual Rhodopsin in Drosophila. PeerJ, 4, e2427. doi:10.7717/peerj.2427 Ebenso ist unklar, warum die Fliege so viele Photorezeptoren für die innere Uhr braucht. Möglicherweise hängt dies damit zusammen, dass die spektralen Veränderungen während der Dämmerung, die die exakteste Zeitbestimmung ermöglichen, wahrgenommen werden müssen. Ganz ähnliche Mechanismen wurden auch für Säugetiere angedacht.Foster, R. G., & Helfrich-Förster, C. (2001). The regulation of circadian clocks by light in fruitflies and mice. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, 356(1415), 1779–1789. doi:10.1098/rstb.2001.0962 Unter den verschiedenen Photopigmenten ist Cryptochrom besonders interessant, da es zusätzlich zur Lichtperzeption auch als Magnetrezeptor zu wirken scheint.Yoshii, T., Ahmad, M., & Helfrich-Förster, C. (2009). Cryptochrome Mediates Light-Dependent Magnetosensitivity of Drosophila’s Circadian Clock. PLOS Biology, 7(4), e1000086. doi:10.1371/journal.pbio.1000086
In vergleichenden Studien untersucht Förster zusammen mit ihrer Forschergruppe auch das neuronale Netzwerk der inneren Uhr von anderen Insekten, insbesondere das von nördlichen Drosophila-Arten. Diese Fliegen sind besonders interessant, da sie völlig anderen Umweltbedingungen ausgesetzt sind als die südlichen Arten und sich sowohl in Aktivitätsmuster als auch im neuronalen Uhr-Netzwerk von Drosophila melanogaster unterscheiden.Kauranen H., Menegazzi P., Costa R., Helfrich-Förster C., Kankainen A., Hoikkala A (2012). Flies in the North: Locomotor behavior and clock neuron organization of Drosophila montana. J Biol Rhythms 27, 377-387.Hermann C., Saccon R., Senthilan P., Domnik L., Dircksen H., Yoshii T., Helfrich-Förster C. (2013). The circadian clock network in the brain of different Drosophila species. J Comp Neurol 521(2), 367-388. Dies spricht dafür, dass sich die innere Uhr evolutiv an die Umwelt angepasst hat.Menegazzi P., Dalla Benetta E., Beauchamp M., Schlichting M., Steffan-Dewenter I., Helfrich-Förster C. (2017). Adaptation of circadian neuronal network to photoperiod in high-latitude European Drosophilids. Curr Biol 27, 1-7.