Was lässt Muskeln richtig wachsen?

Wodurch wird Muskelwachstum ausgelöst?

Drei spezielle Proteine haben einen erheblichen Einfluss darauf, ob Muskeln wachsen. Zwei dieser Proteine werden in sich verändernder Menge vom Körper produziert. Diese rhythmischen Schwankungen der Genexpression sind entscheidend für die kontrollierte Verwandlung von Stammzellen in Muskelzellen.

Schwankungen bei der Produktion von Proteinen haben großen Einfluss darauf, ob der Körper Muskeln aufbaut oder nicht, so das Ergebnis einer Untersuchung unter der Beteiligung von Forschenden des Berliner Max-Delbrück-Centrums für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft (MDC). Die Studie wurde in dem englischsprachigen Fachblatt „Nature Communications“ veröffentlicht.

Wie funktioniert Muskelwachstum?

Wenn Menschen noch im Wachstum sind oder mit einem regelmäßigen Training zum Muskelaufbau angefangen haben, wird der Muskel größer. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich einige der Stammzellen in diesem Muskel zu neuen Muskelzellen entwickeln. Der gleiche Vorgang tritt auch ein, wenn ein verletzter Muskel zu heilen beginnt, erläutern die Forschenden.

Muskelstammzellen müssen neue Stammzellen produzieren

Zur gleichen Zeit müssen die Muskelstammzellen jedoch neue Stammzellen produzieren, da der Vorrat an Muskelstammzellen sonst zu schnell aufgebraucht wäre, fügt das Team hinzu. Dieser Vorgang setzt allerdings voraus, dass Zellen, welche am Wachstum des Muskels beteiligt sind, miteinander kommunizieren.

Welche Rolle spielen Hes1 und MyoD?

Vor zwei Jahren hat eine Forschungsgruppe um die Professorin Carmen Birchmeier vom Berliner Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft bereits nachgewiesen, dass die Entwicklung von Stammzellen zu Muskelzellen mit der Unterstützung der Proteine Hes1 und MyoD gesteuert wird, welche in der Vorläuferzellen mal in größeren, mal in kleineren Mengen hergestellt werden.

Beide Proteine sind am sogenannten Notch-Signalweg beteiligt, einem speziellen Mechanismus, über den die Zellen auf äußere Reize reagieren und untereinander kommunizieren. Es gibt außerdem noch ein drittes Protein, das eine wichtige Rolle spielt, fügen die Fachleute hinzu.

„In unserer aktuellen Studie haben wir nun den eindeutigen Nachweis erbracht, dass es sich bei der Oszillation im Muskelgewebe nicht nur um irgendein seltsames Phänomen der daran beteiligten Zellen handelt, sondern dass diese rhythmischen Schwankungen der Genexpression wirklich entscheidend dafür sind, dass die Verwandlung der Stammzellen in Muskelzellen kontrolliert und nur begrenzt erfolgt“, erklärt Professorin Birchmeier in einer Pressemitteilung.

Die internationale Forschungsgruppe konnte zusätzlich die Rolle des dritten wichtigen Proteins identifizieren. Dieses bildet zusammen mit den Proteinen Hes1 und MyoD ein dynamisches Netzwerk in den Zellen – den Notch-Liganden Delta-like1 (kurz Dll1), berichten die Fachleute.

Dll1 wir periodisch schwankend prodzuiert

Dll1 „wird in aktivierten Muskelstammzellen periodisch schwankend mit einer Oszillationszeit von zwei bis drei Stunden hergestellt“, erläutert Professorin Birchmeier. Jedes mal, wenn ein Teil der Stammzellen verstärkt Dll1 exprimiert, sei die Menge in anderen Zellen entsprechend reduziert. „Diese rhythmische Signalgebung entscheidet darüber, ob eine Stammzelle eine neue Stammzelle bildet oder sich zu einer Muskelzelle entwickelt“, fügt die Expertin hinzu.

Hes1-Protein gibt den Takt in den Stammzellen vor

Die Forschungsgruppe untersuchte weiter, wie die Proteine Hes1 und MyoD am Muskelwachstum beteiligt sind. Dies geschah mit der Hilfe von Experimenten mit isolierten Stammzellen, einzelnen Muskelfasern und Mäusen. „Vereinfacht lässt sich sagen, dass Hes1 als Schrittmacher der Oszillation fungiert, während MyoD die Dll1-Expression erhöht“, erklärt Studienautorin Dr. Ines Lahmann.

Mathematische Modelle bestätigen Ergebnisse

„Beides haben nicht nur unsere experimentellen Analysen, sondern auch die mathematischen Modelle gezeigt, die Professorin Jana Wolf und Dr. Katharina Baum am MDC erstellt haben“, ergänzt Professorin Birchmeier. Anhand von genveränderten Mäusen erbrachte die Forschungsgruppe den wohl wichtigsten Beweis dafür, dass die Oszillation von Dll1 für die kontrollierte Verwandlung von Stamm- in Muskelzellen wirklich entscheidend ist.

„Eine bestimmte Mutation im Dll1-Gen bewirkt bei diesen Tieren, dass die Produktion des Proteins mit einer zeitlichen Verzögerung von wenigen Minuten erfolgt. Dies stört die oszillatorische Herstellung von Dll1 in Zellverbänden, verändert aber nicht die Gesamtmenge des Liganden“, erklärt Professorin Birchmeier.

Auswirkungen der Mutation auf Stammzellen

„Dennoch hat die Mutation schwerwiegende Auswirkungen auf die Stammzellen, die sich dadurch vorzeitig in Muskelzellen und -fasern verwandeln“, erläutert Studienautor Yao Zhang. Die Stammzellen sind daher sehr schnell aufgebraucht, was bewirkt, dass Verletzungen an den Muskeln der Hinterbeine der Mäuse nur unzureichend heilten und diese Muskeln insgesamt kleiner blieben, als es vor der Verletzung der Fall gewesen ist. „Ganz offenbar schafft es diese minimale genetische Veränderung, die erfolgreiche Kommunikation – in Form der Oszillation – zwischen den Stammzellen zu stören“, fügt der Experte hinzu.

Gleichgewicht ist der Schlüssel

„Nur wenn Dll1 oszillierend an den Notch-Rezeptor bindet und damit die Signalkaskade in den Stammzellen periodisch in Gang setzt, besteht zwischen der Selbsterneuerung und der Differenzierung der Zellen offenbar ein gutes Gleichgewicht“, so das Fazit von Birchmeier.

Verbesserte Behandlung von Muskelverletzungen in Aussicht?

Die Forschenden hoffen, dass das verbesserte Verständnis der Regeneration und des Wachstums von Muskeln in Zukunft dazu beitragen könnte, Muskelverletzungen und Muskelerkrankungen effektiver zu behandeln, als es bisher der Fall ist. (as)