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Muskelwachstum: Warum zwei oszillierende Proteine wichtig sind

Ohne Muskelaufbau geht nichts. Wenn Kinder wachsen, Sportler mehr trainieren oder ein verletzter Muskel heilt, kommt es im Körper zu einem vermehrten Aufbau von Muskelgewebe. Bislang konnten Wissenschaftler den Prozess rund um die Steuerung des Muskelwachstums nicht exakt erklären. Deshalb haben sich Forscher vom MDC, dem Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in Berlin, dieser Frage angenommen und ganz genau hingeschaut. Ihre Untersuchungsergebnisse, die sie im Fachjournal „Genes & Development“ veröffentlichten, könnten in Zukunft helfen, Therapien für Menschen mit Muskelerkrankungen zu verbessern.

Die Muskeln1 sind ein Meisterwerk der Evolution. Sie müssen große Beanspruchungen aushalten, denn sie erfüllen eine Vielzahl von Funktionen im Organismus: Der Herzmuskel kontrahiert z. B. bei einem Erwachsenen rund 70 mal pro Minute. Die Beinmuskulatur erlaubt es gut trainierten Sprintern, die 100 Meter in unter 10 Sekunden zu bewältigen. Der stärkste Muskel des Menschen ist jedoch der Kaumuskel. Wer hätte das gedacht!

Es ist vielfach lebensnotwendig, dass Muskeln wachsen und sich neue Muskelmasse aufbaut. Der hinter dem Muskelwachstum stehende Prozess ist komplex und perfekt durchchoreografiert. Damit ein Muskel wachsen bzw. eine Muskelverletzung heilen kann, müssen sich Muskelstammzellen teilen und in neue Muskelzellen ausdifferenzieren. Wie die Forscher am Max-Delbrück-Centrum entdeckten, wird dieser Mechanismus durch zwei Proteine gesteuert, die der Körper oszillierend herstellt.

Stammzellen im Muskelgewebe bilden die Reserve für neue Muskelzellen

Den Stammzellen im Muskelgewebe kommt eine Schlüsselrolle zu. Sie müssen jederzeit bereit sein, sich in neue Muskelzellen auszudifferenzieren. Gleichzeitig benötigt der Körper Schutzmechanismen, damit es zu keiner unkontrollierten Differenzierung kommt, denn Stammzellen stehen nicht unbegrenzt zur Verfügung. Die „stille Reserve“ wäre sonst sehr schnell aufgebraucht.

Hinweise auf den fein austarierten Prozess zur Erneuerung von Muskelzellen lieferten Experimente an Mäusen. Das internationale Forscherteam stieß dabei auf zwei Proteine: Hes1 und MyoD. Sie steuern die Differenzierung von Stammzellen zu Muskelzellen. Beide Proteine werden in den Stammzellen hergestellt. Das Besondere an der Synthese dieser beiden Proteine ist ihre Oszillation: Die Stammzellen produzieren sowohl Hes 1 als auch MyoD periodisch schwankend, d. h. mal in kleineren Mengen und mal in größeren Mengen.

Die Oszillation von Proteinen kannte die Wissenschaft bislang nur von den Stammzellen des Gehirns. Die Forscher waren daher überrascht, auf einen ganz ähnlichen Mechanismus auch bei Muskelstammzellen zu stoßen. Die Berliner Wissenschaftler und ihre internationalen Kollegen hoffen, dass die Experimente dazu beitragen, dass sich Muskelerkrankungen wie Muskeldystrophien oder der Verlust von Muskelmasse im Alter, die sogenannte Sarkopenie, damit aufhalten und besser behandeln lassen.

Detektivarbeit: Auf der Spur der Entstehung der beiden Proteine Hes1 & MyoD

Die Entdeckung dieses wichtigen Prozesses und das Verstehen, warum die Oszillation dabei so bedeutsam ist, war nicht einfach. Zunächst mussten die Wissenschaftler die Entstehung der beiden Proteine verfolgen können. Dazu wurde sowohl Hes1 als auch MyoD an lumineszierende Eiweiße gekoppelt. Das Team konnte nun sowohl in isolierten Zellen als auch im Muskelgewebe von lebenden Tieren die Herstellung der beiden Proteine beobachten.

Es zeigte sich, das Hes1 oszillierend hergestellt wird. Dieses Protein ist für den sogenannten Notch-Signalweg essentiell. In Intervallen von zwei bis drei Stunden erreicht die Produktion von Hes1 einen Höhepunkt und sinkt danach wieder ab. Auf ein ähnliches Intervall stießen die Forscher beim Protein MyoD. Die Beobachtungen zeigten, dass die Stammzellen wuchsen und sich teilten, solange die Menge an MyoD in den Stammzellen periodisch schwankte. So stellten die Stammzellen sicher, dass der Muskel über einen ausreichenden Vorrat an den „Alleskönnerzellen“ verfügt.

Ohne Hes1 starten alle Stammzellen mit dem Differenzierungsprozess

Startet eine Muskelstammzelle in den Differenzierungsprozess und wird zur Muskelzelle, so bildet sie lange Muskelfasern aus. Der Muskel wächst dann bzw. versucht, eine Verletzung zu reparieren. Für den Wachstumsprozess stoppt allerdings die Oszillation von MyoD, d. h. es wird dann in stabilen Mengen hergestellt.

In einem weiteren Schritt schalteten die Forscher das Gen für Hes1 vollständig aus. Daraufhin konnten die Stammzellen das Protein nicht mehr bilden. Da Hes1 in den Zellen jetzt fehlte, wurde auch MyoD nicht mehr oszillierend, sondern dauerhaft hergestellt. Die Folge war beeindruckend: Alle Stammzellen begannen mit dem Differenzierungsprozess. Der Vorrat an Muskelstammzellen wurde einfach aufgebraucht.

Die Forscher halten in ihrer Publikation fest, dass die Differenzierung von Stammzellen viel komplexer ist als gedacht. Es reicht leider nicht, einfach nur Gene an- oder abzuschalten. Daher soll im nächsten Schritt untersucht werden, warum ausgerechnet die Oszillation von MyoD die Differenzierung von Stammzellen unterdrückt und warum eine stabile Proteinproduktion zur völligen Ausdifferenzierung aller Stammzellen führen würde.

Der Mensch besitzt 656 Muskeln. Sie machen zwischen 30 und 40 % der Körpermasse aus. Die Muskeln wiegen damit deutlich mehr als das Skelett.

Hoffnung bei Muskelschwund

Für Menschen mit schweren Muskelerkrankungen wie Muskelschwund sind ganz alltägliche Dinge mit großen Herausforderungen verbunden: Sich bewegen, sich aufrichten, essen oder einfach atmen geht bei fortschreitender Erkrankung irgendwann nicht mehr alleine.

Doch es muss noch nicht mal eine schwere Erbkrankheit wie Duchenne sein, um zu erkennen, wie wichtig unsere Muskeln sind. Es reicht eine Grippe aus, die uns für zwei Wochen ans Bett fesselt oder ein Muskelfaserriss im Training. Aufgrund der daraus resultierenden Immobilität verringert sich die Muskelmasse bereits merklich. Der Aufbau von neuer Muskelmasse nach der Genesung erfordert einiges an Disziplin.

Das Proliferationspotential von Stammzellen wird im Laufe des Lebens immer geringer

Mit zunehmendem Alter werden unsere Stammzellen immer träger, was die Teilung angeht. Mediziner sprechen hierbei vom Proliferationspotential. Schuld daran sind die normalen Alterungsprozesse. Bei jeder Zellteilung kann es zu Kopierfehlern kommen. Anfangs vermag der Organismus diese zu reparieren und zu kompensieren. Doch Krankheiten, Umweltgifte oder radioaktive Strahlung schädigen das Erbgut manchmal so nachhaltig, dass die Stammzellen ihre Funktion nicht mehr ausüben können. Im Laufe des Lebens stehen so immer weniger dieser Wunderzellen überhaupt zur Verfügung. Dem Körper fällt es zunehmend schwerer, Wunden zu schließen, gebrochene Knochen zu heilen oder neue Muskeln wachsen zu lassen.

Es gibt jedoch eine körpereigene Stammzellenquelle, die ein Leben lang verfügbar ist und dabei ihre Vitalität und Flexibilität behält: Die neonatalen Stammzellen, die unmittelbar nach der Geburt aus der Nabelschnur gesichert, aufbereitet und eingefroren werden können. Das ist längst keine ferne Science-Fiction mehr, sondern medizinischer Standard.

Neonatale Stammzellen sind eine einfach zu gewinnende Stammzellenquelle

Dazu muss lediglich das stammzellreiche Nabelschnurblut nach dem Abnabeln durch eine Punktion der Nabelvene aufgefangen werden. Diese kleine Prozedur ist für Mutter und Kind vollkommen risikolos und schmerzfrei. Auch ein Stück der Nabelschnur lässt sich konservieren. Nabelschnurblut und Nabelschnurgewebe werden im Anschluss per Express-Kurier von der Entbindungsklinik zu einer Stammzellbank wie Vita 34 gebracht und im Reinraumlabor hochwertig aufbereitet. Es dauert keine 48 Stunden und der Schatz aus der Nabelschnur liegt im Dornröschenschlaf im Kryotank. Über -180° C kaltem Stickstoff gelagert, kommen der Stoffwechsel und damit auch Alterungsprozesse in den Zellen nahezu zum Erliegen. Studien belegen, dass selbst Jahrzehnte im Kälteschlaf den Stammzellen nichts anhaben können. Nach dem Auftauen erfüllen sie verlässlich ihre von der Natur zugedachten Aufgaben: Reparieren und Regenerieren. Im Ernstfall stehen sie umgehend zur Verfügung und können für individuelle Therapien eingesetzt werden.

Vita 34 hat es sich zur Aufgabe gemacht, dass jedes heute im deutschsprachigen Raum geborene Kind die Chance auf ein eigenes Stammzelldepot bekommt. Mit VitaPur, VitaPlus und VitaPlusNabelschnur sowie den Spendenoptionen VitaPlusSpende und VitaMeins&Deins können werdende Eltern für ihren Nachwuchs ein individuelles Paket zusammenstellen. Bei Fragen stehen Ihnen die Vita 34-Stammzellexperten Rede und Antwort.

1Fakten des Zitats: https://de.wikipedia.org/wiki/Muskulatur