Medizin am Abend Berlin - MaAB-Fazit: Von den Bären lernen
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Grizzlybären verbringen viele Monate im Winterschlaf, ohne dass ihre
Muskeln unter der fehlenden Bewegung leiden.
Wie ihnen das gelingt,
berichtet ein Team um Michael Gotthardt im Fachblatt „Scientific
Reports“.
Die Strategien der Bären könnten helfen, Muskelschwund auch
beim Menschen vorzubeugen.
Bei Grizzlybären überstehen die Muskeln den Winterschlaf beinahe
unbeschadet. Forscher*innen suchen nun nach den Mechanismen, um so auch
bettlägerigen Menschen zu helfen. AG Gotthardt, MDC
Ein Grizzlybär kennt eigentlich nur drei Jahreszeiten.
Seine aktive
Zeit beginnt zwischen März und Mai.
Um den September herum fängt der Bär
an, große Mengen zu fressen.
Und irgendwann zwischen November und
Januar fällt er in den Winterschlaf.
Aus physiologischer Sicht ist diese
Zeit die merkwürdigste.
- Der Stoffwechsel und der Herzschlag des Bären
sinken rapide.
- Er scheidet weder Urin noch Fäkalien aus.
- Die Menge an
Stickstoff im Blut steigt drastisch und zudem wird der Grizzlybär
resistent gegenüber dem Hormon Insulin.
Ein Mensch würde diese rund viermonatige Phase kaum gesund überstehen.
Er oder sie hätte im Anschluss womöglich mit Thrombosen oder auch
psychischen Veränderungen zu kämpfen.
Vor allem aber würden die Muskeln
unter der langen Auszeit leiden.
Das weiß jeder, der schon einmal einen
Arm oder ein Bein für ein paar Wochen in Gips hatte oder wegen einer
Krankheit längere Zeit im Bett liegen musste.
Ein bisschen träge, aber ansonsten wohlauf
Nicht so der Grizzlybär: Im Frühling erwacht er aus seinem Winterschlaf,
ist zunächst vielleicht noch ein bisschen träge, aber ansonsten rundum
wohlauf. Schon lange interessiert sich daher eine Vielzahl von
Wissenschaftler*innen für die Strategien des Bären, mit denen sich das
Tier an seine drei Jahreszeiten anpasst.
Wie es die Muskeln schaffen, den Winterschlaf praktisch unbeschadet zu
überstehen, hat jetzt ein Team um Professor Michael Gotthardt, den
Leiter der Arbeitsgruppe „Neuromuskuläre und kardiovaskuläre
Zellbiologie“ am Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC) in
Berlin untersucht. Dabei interessierten sich die Forscherinnen und
Forscher aus Berlin, Greifswald und den USA insbesondere für die Frage,
welche Gene in den Muskelzellen der Bären abgelesen und in Proteine
umgesetzt werden und welchen Effekt das auf die Zellen ausübt.
Die Tricks der Natur verstehen und kopieren
„Muskelschwund ist beim Menschen ein echtes Problem, das unter vielen
Umständen auftritt. Wir sind noch immer nicht sonderlich gut darin, ihm
vorzubeugen“, sagt die Erstautorin der Studie, Dr. Douaa Mugahid, die
einst Mitglied in Gotthardts Arbeitsgruppe war und inzwischen als
Postdoc im Labor von Professor Marc Kirschner vom Department of Systems
Biology der Harvard Medical School in Boston forscht.
„Die Schönheit unserer Arbeit bestand für mich darin, zu lernen, wie die
Natur eine Möglichkeit perfektioniert hat,
den Muskel unter den
schwierigen Bedingungen des Winterschlafs zu erhalten“, sagt Mugahid.
„Wenn wir diese Strategien besser verstehen, könnten wir nicht-intuitive
und neuartige Methoden entwickeln,
um Muskelschwund bei Patientinnen
und Patienten besser zu verhindern und zu behandeln.“
Per Gensequenzierung und Massenspektrometrie
Um den Tricks der Bären auf die Spur zu kommen, untersuchte das Team um
Mugahid und Gotthardt Muskelproben von Grizzlybären während und
außerhalb des Winterschlafs, die sie von der Washington State University
zur Verfügung gestellt bekommen hatten. „Wir wollten durch die
Kombination moderner Sequenziermethoden und Massenspektrometrie
ermitteln,
welche Gene und Proteine während und außerhalb des
Winterschlafs hochreguliert oder heruntergefahren werden“, erklärt
Gotthardt.
„Diese Aufgabe erwies sich als knifflig – schon allein deshalb, weil
weder das vollständige Genom noch das Proteom, also die Gesamtheit aller
Proteine, des Grizzlybären bekannt waren“, sagt der MDC-Forscher. In
einem weiteren Schritt planten er und sein Team, die erhaltenen Befunde
mit Beobachtungen bei Menschen, Mäusen und Fadenwürmern abzugleichen.
Nicht-essenzielle Aminosäuren ließen Muskelzellen wachsen
Wie die Forscher*innen in der Fachzeitschrift „Scientific Reports“
berichten, fanden sie bei ihren Experimenten
auf Proteine, die während
des Winterschlafs der Bären deren Aminosäurestoffwechsel stark
beeinflussen.
Dadurch befinden sich in den Muskelzellen erhöhte Mengen
bestimmter nicht-essenzieller Aminosäuren (non-essential amino acids,
NEAA).
„In Experimenten mit isolierten Muskelzellen von Menschen und Mäusen mit
Muskelschwund ließen sich auch
diese Zellen durch die NEAA zum Wachstum
anregen“, sagt Gotthardt.
- Aus früheren klinischen Studien wisse man
allerdings, dass die Gabe der Aminosäuren in Form von Tabletten oder
Pulvern nicht ausreiche, um Muskelschwund bei älteren oder bettlägerigen
Menschen zu verhindern.
„
Offenbar ist es von Bedeutung, dass der Muskel diese Aminosäuren selbst
produziert – ansonsten gelangen sie womöglich nicht an die Orte, an
denen sie gebraucht werden“, spekuliert der MDC-Forscher. Dennoch könne
der Versuch, den menschlichen Muskel in längeren Ruhephasen dazu zu
bringen, die NEAA durch Aktivierung der entsprechenden Stoffwechselwege
mit geeigneten Wirkstoffen selbst herzustellen, ein Ansatzpunkt für eine
Therapie sein.
Gewebeproben von bettlägerigen Menschen
Um herauszufinden, welche Signalwege dazu im Muskel angeschaltet werden
müssen, verglich das Team um Gotthardt die Aktivität der Gene bei
Grizzlybären, Menschen und Mäusen. Die dafür erforderlichen Daten kamen
beispielsweise von alten oder bettlägerigen Patient*innen und von
Mäusen,
die an Muskelschwund litten – etwa infolge reduzierter Bewegung
nach Anlegen eines Gipsverbandes. „Auf diese Weise wollten wir erfahren,
welche Gene bei Lebewesen, die Winterschlaf halten, und solchen, die es
nicht tun, unterschiedlich reguliert sind“, erklärt Gotthardt.
Dabei stießen die Wissenschaftler*innen allerdings auf eine ganze Reihe
solcher Gene. Um die möglichen Kandidaten, die Ansatzpunkt für eine
Therapie gegen Muskelschwund sein könnten, weiter einzugrenzen, führte
das Team im Anschluss Experimente mit Fadenwürmern durch. „Beim Wurm
lassen sich einzelne Gene relativ leicht ausschalten und man kann
schnell sehen, welche Effekte das auf das Wachstum seiner Muskeln hat“,
erläutert Gotthardt.
Ein Gen für circadiane Rhythmen
Mithilfe dieser Experimente hat sein Team nun eine knappe Handvoll von
Genen gefunden, deren Einfluss sie in künftigen Arbeiten an Mäusen
weiter untersuchen wollen.
- Mit dabei sind beispielsweise die Gene Pdk4
und Serpinf1, die am Glukose- und Aminosäurestoffwechsel beteiligt sind,
sowie das Gen Rora, das zur Entstehung circadianer Rhythmen beiträgt.
„Wir werden nun als Nächstes schauen, welche Effekte es hat, wenn wir
diese Gene ausschalten“, sagt Gotthardt. „Denn als Angriffspunkt für
eine Therapie eignen sie sich natürlich nur dann, wenn das keine oder
nur wenige Nebenwirkungen hat.“ (bro)
Das Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC)
Das Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der
Helmholtz-Gemeinschaft (MDC) wurde 1992 in Berlin gegründet. Es ist nach
dem deutsch-amerikanischen Physiker Max Delbrück benannt, dem 1969 der
Nobelpreis für Physiologie und Medizin verliehen wurde. Aufgabe des MDC
ist die Erforschung molekularer Mechanismen, um die Ursachen von
Krankheiten zu verstehen und sie besser zu diagnostizieren, verhüten und
wirksam bekämpfen zu können. Dabei kooperiert das MDC mit der Charité –
Universitätsmedizin Berlin und dem Berlin Institute of Health (BIH )
sowie mit nationalen Partnern, z.B. dem Deutschen Zentrum für
Herz-Kreislauf-Forschung (DHZK), und zahlreichen internationalen
Forschungseinrichtungen. Am MDC arbeiten mehr als 1.600 Beschäftigte und
Gäste aus nahezu 60 Ländern; davon sind fast 1.300 in der Wissenschaft
tätig. Es wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und
Forschung und zu 10 Prozent vom Land Berlin finanziert und ist Mitglied
in der Helmholtz-Gemeinschaft deutscher Forschungszentren.
www.mdc-berlin.de
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Prof. Dr. Michael Gotthardt
Leiter der Arbeitsgruppe „Neuromuskuläre und kardiovaskuläre Zellbiologie“
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E-Mail-Adresse:
jana.schluetter@mdc-berlin.de
Originalpublikation:
Douaa Mugahid et al. (2019):
„Proteomic and Transcriptomic Changes in Hibernating Grizzly Bears
Reveal Metabolic and Signaling Pathways that Protect against Muscle
Atrophy“, Scientific Reports, DOI: 10.1038/s41598-019-56007-8.
Weitere Informationen für international Medizin am Abend Berlin Beteiligte
https://www.mdc-berlin.de/de (MDC-Webseite)
https://www.mdc-berlin.de/de/gotthardt (AG Gotthardt)
https://www.nature.com/articles/s41598-019-56007-8 (Paper)
