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Proteinschalter für Stammzellaktivität im Skelettmuskel

08.12.2015

Suv-4-20h1 weckt Muskelstammzellen aus dem Schlafzustand

Immer wieder kommt es zu kleineren Verletzungen der Muskulatur. Zumeist sind die Schäden an den Muskelfasern nicht dauerhaft, da die Skelettmuskulatur über gute Regenerationsfähigkeiten verfügt. Verantwortlich für diese körpereigene Reparatur sind Muskelstammzellen.


Elektronenmikroskopische Aufnahme von Muskelstammzellen. Bei Mäusen ohne Suv4-20h1 (rechts) ist das Heterochromatin weniger stark verpackt (dunkel).

MPI f. Herz- und Lungenforschung

Diese sitzen zwischen den Muskelfasern und sind normalerweise weitgehend inaktiv. Erst die Verletzung von Muskelfasern oder intensives Training erweckt die Zellen aus dem Schlaf. Das beobachtete Nachlassen der Muskelstammzellaktivität im Alter wird auch mit dem Abbau der Muskelmasse und der verminderten Bewegungsfähigkeit bei Senioren in Verbindung gebracht.

Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Herz- und Lungenforschung in Bad Nauheim haben nun ein Molekül entdeckt, das für die Regulation der Stammzellaktivität in der Skelettmuskulatur eine wichtige Bedeutung besitzt. Die Ergebnisse könnten dazu beitragen, Ansätze zur Behandlung von degenerativen Muskelerkrankungen zu finden.

Für Muskelstammzellen kommt es einem Spagat gleich: Im Falle einer Verletzung der Skelettmuskulatur sollten die Zellen dazu in der Lage sein, die beschädigten Muskelfasern schnell zu ersetzen. Dafür müssen sie innerhalb kürzester Zeit ihre Zellteilungsaktivität und den Zellstoffwechsel drastisch beschleunigen. Wird beides aber im gesunden Muskel nicht ausreichend unterdrückt, besteht die Gefahr, dass der Stammzellpool frühzeitig aufgebraucht wird. Der Körper wäre dann nicht mehr in der Lage, Muskelverletzungen selbst zu heilen.

Deshalb ist die Regulation zwischen dem Ruhezustand der Stammzellen und ihrer Aktivierung im Bedarfsfall von großer Bedeutung. Wissenschaftler aus der Arbeitsgruppe von Thomas Braun, Direktor am Max-Planck-Institut für Herz- und Lungenforschung in Bad Nauheim, haben nun bei Untersuchungen an Mäusen ein Protein mit dem etwas sperrigen Namen Suv4-20h1 entdeckt, das eine wichtige Rolle als Schalter der Stammzellaktivität besitzt.

Zunächst stellten die Forscher fest, dass bei inaktiven Muskelstammzellen der als Chromatin bezeichnete DNA-Faden in einer besonderen Form vorliegt. Dieser als Heterochromatin bezeichnete Zustand ist typisch für Zellen, die wenig aktiv sind. Dies änderte sich hingegen, nachdem Suv4-20h1 in Mäusen durch einen gentechnischen Eingriff ausgeschaltet wurde: „In der Muskulatur bei Mäusen ohne Suv40-20h1 fanden wir viel weniger Stammzellen mit Heterochromatin“, sagte Yonggang Zhou, Koautor der Studie.

Dies hatte Konsequenzen für die Aktivität der Stammzellen. So fanden die Bad Nauheimer Forscher in den Mäusen ohne Suv4-20h1 eine deutlich höhere Zahl teilungsaktiver Stammzellen. Das hatte zudem Folgen für die Regenerationsfähigkeit der Muskulatur. So können Tiere nach nur einmaliger Muskelschädigung ihre Muskulatur noch perfekt wiederherstellen, dies ändert sich jedoch nach mehrfacher Aktivierung der Regenerationsmaschinerie: „In diesem Fall nahm die Muskelmasse bei Mäusen, denen Suv4-20h1 fehlt, im Vergleich zu Kontrolltieren stark ab. Außerdem fanden wir bei diesen Tieren viel weniger Muskelstammzellen“, so Zhou.

Die Beobachtungen besitzen eine klinische Relevanz. In einem Mausmodell für die sogenannte Duchenne Muskeldystrophie, einer Erkrankung, die zum chronischen Verlust von Muskelmasse führt, fanden die Wissenschaftler erstaunliche Parallelen: Nicht nur das Heterochromatin war ähnlich reduziert wie zuvor in den Mäusen ohne Suv4-20h1, auch war von dem Protein selbst weniger vorhanden. Zudem besaßen die erkrankten Tiere weniger Muskelstammzellen.

Für die Bad Nauheimer Wissenschaftler ist die Beeinflussung von Chromatin-modifizierenden Proteinen wie dem Suv4-20h1 ein therapeutischer Ansatz, um die Aktivität von Muskelstammzellen zu steuern. Dies könnte dem Muskelabbau bei Duchenne-Patienten oder auch dem Verlust von Muskelmasse im Alter entgegenwirken. Allerdings sind zunächst noch weitere Untersuchungen nötig, um die Zusammenhänge zwischen der Organisation des Chromatins und der genetischen Regulation der Stammzellaktivität besser zu verstehen.

Originalpublikation:
Verawan Boonsanay, Ting Zhang, Angelina Georgieva, Sawa Kostin, Hui Qi, Xuejun Yuan, Yonggang Zhou, Thomas Braun: Regulation of Skeletal Muscle Stem Cell Quiescence by Suv4-20h1-Dependent Facultative Heterochromatin Formation. Cell Stem Cell (2016), http://dx.doi.org/10.1016/j.stem.2015.11.002

Kontakt:
Dr. Matthias Heil
Presse- & Öffentlichkeitsarbeit

Max-Planck-Institut für Herz- und Lungenforschung, Bad Nauheim
Tel.: 06032/705-1705
Email: matthias.heil@mpi-bn.mpg.de

Dr Harald Rösch | Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.

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