Gewebespezifische Stoffwechseluntersuchungen am Fadenwurm

Der Fadenwurm Caenorhabditis elegans ist bei Genetikern, Zell- und Entwicklungsbiologen ein bewährter Modellorganismus, an dem sich grundsätzliche Fragen der Organentwicklung oder die Auswirkungen von Gendefekten studieren lassen. Vermehrt dient der Wurm heute auch als Modell zum Studium von Störungen des Energiestoffwechsels.

Die Abteilung Neuropathologie am Institut für Pathologie des Universitätsspitals Basel unter der Leitung von Prof. Dr. Stephan Frank beschreibt in der Dezemberausgabe von PLoS ONE nun eine Reihe von Methoden, mit welchen sich in C. elegans Erscheinungsbilder menschlicher Krankheiten studieren lassen. Den Forschenden ist gelungen, im Modellwurm – trotz seiner geringen Grösse – Stoffwechseländerungen gewebespezifisch zu erfassen. Die Arbeit entstand im Rahmen einer Zusammenarbeit mit dem «Cologne Cluster of Excellence in Cellular Stress Responses in Aging-associated Diseases» der Universität Köln.

Metabolischer Fingerabdruck sichtbar gemacht
Der in den 1970er Jahren als genetischer Modellorganismus eingeführte Fadenwurm C. elegans erlaubt die Beobachtung aller seiner Zellen in vivo während seines gesamten Lebenszyklus. Ähnlich wie die Fruchtfliege Drosophila verfügt C. elegans über ideale Modelleigenschaften, wie kurze Generationszeit und wenig Platzbedarf. Was bei der Beobachtung seiner Zellen und bei der Genetik ein Vorteil ist, erweist sich aber bei biochemischen Untersuchungen als Nachteil: Der Wurm ist mit 1 Millimeter Körperlänge und 0,1 Millimeter Durchmesser äusserst klein. Des Weiteren ist aufgrund der harten äusseren Wurmhaut eine mechanische Trennung verschiedener Gewebe mit ihren spezifischen Stoffwechselaktivitäten nicht praktikabel. Zudem stellt diese Aussenhaut ein unüberwindbares Hindernis für die Anwendung der meisten histochemischen Reaktionen dar.

Einige Probleme haben die Forschenden nun auf eine relativ elegante Weise umgangen: Anstatt die Würmer zu einem Gewebegemisch zu homogenisieren, führen sie die biochemischen Nachweisreaktionen direkt am Gefrierschnitt durch. Durch das Schneiden gefrorener Würmer werden die Zellen bzw. Organellen unterschiedlichsten Nachweisreaktionen zugänglich gemacht. Mittels Färbereaktionen lassen sich gewebespezifische metabolische Profile erstellen. Im Gegensatz zu der bislang angewandten biochemischen Untersuchung, erlaubt die neue Methode ein Arbeiten mit weit geringeren Wurmmengen – viele Mutanten mit Stoffwechseldefekten lassen sich nur schwer anzüchten – und liefert dabei eindeutige Aussagen zur metabolischen Aktivität auf Gewebeebene. Als Beispiel sei die Messung des Fettgehalts erwähnt, die bis anhin fehlerbehaftet war und kontrovers diskutierte Resultate lieferte. Die neue Methode erlaubt nun eine wesentlich genauere Abschätzung des Fettgehalts in den verschiedenen Wurmgeweben.

Wurmmutanten simulieren menschliches Leiden
Im Rahmen der Methodenentwicklung haben die Forschenden bei der Untersuchung sogenannter mitochondrialer Wurmmutanten bislang nicht beschriebene, morphologische Veränderungen festgestellt. Interessanterweise fanden sich auch Gemeinsamkeiten zwischen mitochondrialen Muskelerkrankungen beim Menschen und den entsprechend modellhaft erkrankten Würmern. Die Methodik wird derzeit am Biozentrum sowohl bei der Untersuchung intrazellulärer Substanztransportmechanismen als auch in einem Demenz-Forschungsprojekt der Abteilung für Neuropathologie angewandt. Dies sind zwei weitere Forschungsgebiete, welche die Vorteile von C. elegans als Modellorganismus zu nutzen wissen.
Originalbeitrag
Jürgen Hench, Ivana Brati? Hench, Claire Pujol, Sabine Ipsen, Susanne Brodesser, Arnaud Mourier, Markus Tolnay, Stephan Frank, Aleksandra Trifunovi?
A Tissue-Specific Approach to the Analysis of Metabolic Changes in Caenorhabditis elegans

PLoS ONE. 2011;6(12):e28417 | doi: 10.1371/journal.pone.0028417