Medizin am Abend Berin Fazit: Woher Muskeln wissen, wie spät es ist
Wie bereiten sich Muskelzellen auf einen anstrengenden Arbeitstag
vor?
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Helmholtz Zentrums
München und der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU), Mitglieder
im Deutschen Zentrum für Diabetesforschung (DZD), haben diese Frage
untersucht und die Ergebnisse in ‚PLOS Biology‘ publiziert.
Die Arbeit
deckt ein ganzes Stoffwechselnetzwerk auf, das wider Erwarten nicht
durch das Gehirn, sondern über die ‚innere Uhr‘ der Muskelzellen
gesteuert wird.
Die ‚innere Uhr‘ von Muskelzellen (hier eine Muskelfaser im Querschnitt) steuert ein ganzes Stoffwechselnetzwerk. © Helmholtz Zentrum München
Quasi alle Zellen des menschlichen Körpers besitzen eine eigene
innere Uhr. Sie steuert sämtliche Vorgänge,
die nicht gleichzeitig
stattfinden oder nicht mit immer gleicher Intensität ablaufen sollen.
„Das betrifft beispielsweise die Verwertung von Nährstoffen wie Fett und
Proteinen“, erklärt Prof. Dr. Henriette Uhlenhaut. Sie ist
Gruppenleiterin am Institut für Diabetes und Adipositas des Helmholtz
Zentrums München (IDO) sowie am Genzentrum der LMU.
- „Gerät die innere
Uhr des Körpers aber aus dem Takt, so kann das schwere Folgen für den
Stoffwechsel haben.
- So ist beispielsweise bekannt, dass Menschen, die
viel im Schichtdienst arbeiten, besonders anfällig für
Stoffwechselkrankheiten wie Diabetes sind.“
In der aktuellen Arbeit konzentrierte sich das Team um Uhlenhaut
nun
erstmals auf den 24-Stunden-Stoffwechsel-Rhythmus der Muskeln. „
Wir
hatten speziell zwei Proteine im Blick, die als
sogenannte Master
Regulatoren der inneren Uhr fungieren“, sagt Dr. Kenneth Dyar,
Wissenschaftler am IDO und Erstautor der aktuellen Studie. „Diese beiden
Moleküle binden an die DNA und stoßen alle nachfolgenden Prozesse an.“
In Muskelzellen von Mäusen konnten die Wissenschaftler die Aktivität
dieser beiden Proteine im Tagesverlauf sehr genau ermitteln. „Dabei
haben wir angefangen bei der Bindung an das Erbgut über die zu- oder
abnehmende Genaktivität bis hin zu den entsprechenden Gen- und
Stoffwechselprodukten alles gemessen“, erklärt Kenneth Dyar den
umfassenden Ansatz.
Aufbauend auf früheren Studien untersuchten die
Wissenschaftler den Auf- und Abbau von Fetten und Proteinen – ein Ansatz
der auch für Sportler interessant sein dürfte.
Stoffwechselnetzwerk aufgedeckt
In Zusammenarbeit mit italienischen und österreichischen Kollegen (vom
Venezianischen Institut für Molekulare Medizin sowie den Universitäten
von Padua, Triest und Graz) arbeiteten die Wissenschaftler bestimmte
Vorgänge heraus,
die nachts von den Regulatoren der inneren Uhr
angeschaltet werden:
„Darunter fällt beispielsweise das Speichern von
Fett, der Zuckerstoffwechsel oder die Sensitivität gegenüber dem Hormon
Insulin“, erklärt Henriette Uhlenhaut.
- Gleichzeitig würden gegenläufige
Prozesse wie die Fettsäureoxidation oder der Proteinabbau
heruntergefahren, so die Autoren.
- Diese Muster seien vor allem in den
Stunden vor dem Aufwachen besonders ausgeprägt und bereiten die Muskeln
auf den kommenden Tag vor.
Im letzten Schritt untersuchten die Wissenschaftler
Eingriffsmöglichkeiten in diese Vorgänge.
Dazu beobachteten sie Mäuse,
bei denen einer der
Master Regulatoren fehlte.
Ohne ihre innere Uhr
bildeten die Tiere deutlich weniger Fettmasse und die Produktion von
Muskelproteinen wurde erhöht.
„Zusammengenommen deckt unsere Arbeit auf
mehreren Ebenen ein ganzes Stoffwechselnetzwerk auf“, erklärt
Studienleiterin Uhlenhaut.
„Biologisch spannend dabei ist auch, dass der
Taktgeber dafür nicht wie zu vermuten zentral im Gehirn sitzt, sondern
die innere Uhr der Muskelzellen selbst ist.“
Langfristig wollen die
Autoren die Mechanismen auch im Menschen untersuchen und eine
Möglichkeit finden, darin einzugreifen.
So wäre es demnach denkbar, eine
Insulinresistenz bei Typ-2-Diabetes zu bekämpfen, oder die
Energieverbrennung anzukurbeln, um krankhaftes Übergewicht zu
reduzieren.
Weitere Informationen
Hintergrund:
Konkret verglichen die Autoren die genomweite Bindung der beiden
Transkriptionsfaktoren BMAL1 und REV-ERBα. Die Autoren Michaël Hubert
und Katrin Fischer sind Teilnehmer am Doktoranden-Ausbildungsprogramms
Helmholtz Graduate School Environmental Health, kurz HELENA.
Das Helmholtz Zentrum München verfolgt als Deutsches Forschungszentrum
für Gesundheit und Umwelt das Ziel, personalisierte Medizin für die
Diagnose, Therapie und Prävention weit verbreiteter Volkskrankheiten wie
Diabetes mellitus, Allergien und Lungenerkrankungen zu entwickeln.
Dafür untersucht es das Zusammenwirken von Genetik, Umweltfaktoren und
Lebensstil. Der Hauptsitz des Zentrums liegt in Neuherberg im Norden
Münchens. Das Helmholtz Zentrum München beschäftigt rund 2.300
Mitarbeiter und ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der 18
naturwissenschaftlich-technische und medizinisch-biologische
Forschungszentren mit rund 37.000 Beschäftigten angehören.
http://www.helmholtz-muenchen.de
Das Institut für Diabetes und Adipositas (IDO) erforscht die
Erkrankungsmechanismen des Metabolischen Syndroms mit systembiologischen
und translationalen Ansätzen. Mittels zellulärer Systeme, genetisch
modifizierter Mausmodelle und klinischer Interventionsstudien sollen
neue Signalwege und Zielstrukturen entdeckt werden. Ziel ist die
interdisziplinäre Entwicklung innovativer Therapieansätze zur
personalisierten Prävention und Behandlung von Adipositas, Diabetes und
deren Begleiterkrankungen. Das IDO ist Teil des Helmholtz Diabetes
Center (HDC).
http://www.helmholtz-muenchen.de/ido
Das Deutsche Zentrum für Diabetesforschung e.V. ist eines der sechs
Deutschen Zentren der Gesundheitsforschung. Es bündelt Experten auf dem
Gebiet der Diabetesforschung und verzahnt Grundlagenforschung,
Epidemiologie und klinische Anwendung. Ziel des DZD ist es, über einen
neuartigen, integrativen Forschungsansatz einen wesentlichen Beitrag zur
erfolgreichen, maßgeschneiderten Prävention, Diagnose und Therapie des
Diabetes mellitus zu leisten. Mitglieder des Verbunds sind das Helmholtz
Zentrum München – Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und
Umwelt, das Deutsche Diabetes-Zentrum DDZ in Düsseldorf, das Deutsche
Institut für Ernährungsforschung DIfE in Potsdam-Rehbrücke, das Institut
für Diabetesforschung und Metabolische Erkrankungen des Helmholtz
Zentrum München an der Eberhard-Karls-Universität Tübingen und das
Paul-Langerhans-Institut Dresden des Helmholtz Zentrum München am
Universitätsklinikum Carl Gustav Carus der TU Dresden, assoziierte
Partner an den Universitäten in Heidelberg, Köln, Leipzig, Lübeck und
München sowie weitere Projektpartner.
http://www.dzd-ev.de
Medizin am Abend Berlin DirektKontakt
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Prof. Dr.
Henriette Uhlenhaut, Helmholtz Zentrum München - Deutsches
Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt (GmbH)
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Diabetes und Adipositas
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sonja.opitz@helmholtz-muenchen.de
Originalpublikation:
Dyar, K. et al. (2018):
Transcriptional programming of lipid and amino acid metabolism by the
skeletal muscle circadian clock. PLOS Biology, DOI:
10.1371/journal.pbio.2005886