Muskelzellen: Mehr Power dank mehr Mitochondrien

Mikro-RNAs steuern Mega-Gencluster

Muskeln, die arbeiten, benötigen viel Energie. Um den Energiebedarf zu decken, besitzen Zellen daher mit den Mitochondrien sogenannte „Zellkraftwerke“. In Muskelzellen finden sich aufgrund des hohen Energiebedarfs mehr Mitochondrien als in anderen Zelltypen, die einen deutlich niedrigeren Energieumsatz haben.

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Mitochondrien stellen als Zellkraftwerke Energie für Zellen bereit. Muskelzellen haben einen höheren Energiebedarf als andere Zelltypen und daher deutlich mehr Mitochondrien. Während eine kurzfristige Kraftentladung über anaerobe Prozesse gesteuert wird, kommt die Energie für die Ausdauerleistung über aerobe Prozesse aus den Mitochondrien.

 

Bislang wussten Wissenschaftler recht wenig darüber, wie die Entstehung von Mitochondrien reguliert wird. Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Herz- und Lungenforschung aus dem hessischen Bad Nauheim haben dies nun für Muskelzellen geklärt und so einen wichtigen Beitrag in der Grundlagenforschung geleistet. Da Muskeln die Marathonläufer unter den Zellen sind, ist das Zusammenspiel zwischen Muskelzellen und Mitochondrien die Grundlage für die Ausdauerleistung der Muskeln.

 

Energiegewinnung der Zellen: Glykolyse vs. Atmungskette

Für ihre Energieversorgung greifen Zellen auf zwei unterschiedliche Prozesse zurück: Zum einen gewinnen Zellen mit Hilfe der Glykolyse der Energieträger Adenosintriphosphat (ATP) aus Glukose. Dafür benötigen sie noch nicht einmal Sauerstoff. Jedoch hat die Glykolyse eine geringe Effizienz.

Zellen, die viel Energie benötigen, bedienen sich eines weiteren Mechanismus und stellen ATP über die Atmungskette her. Hierbei wird Sauerstoff verbraucht. Dieser Prozess ist jedoch viel effizienter und läuft in den Mitochondrien ab. Muskelzellen mit ihrem hohen Energiebedarf benötigen deswegen auch besonders viele Mitochondrien.

Bei der Differenzierung von Muskelstammzellen zu funktionalen Muskelzellen muss die Bildung von Mitochondrien daher explizit gesteuert werden. Bei diesem Prozess spielen Mikro-RNAs, also kurze nicht codierende RNA-Moleküle, und ein Mega-Gencluster eine wichtige Rolle.

 

In Stammzellen blockiert Dlk-Dio3-Gencluster die Bildung von Mitochondrien

In Muskelstammzellen blockiert das Dlk-Dio3-Gencluster die Ausbildung von Mitochondrien, da die Stammzellen keinen so hohen Energiebedarf haben. Der Energiestoffwechsel in diesen Zellen wird so in einer fein austarierten Balance gehalten. Gehen die Muskelstammzellen jedoch den Schritt der Differenzierung und entwickeln sich zu somatischen Muskelzellen weiter, dann ändert sich ihr Energiebedarf umgehend. Nun müssen innerhalb kürzester Zeit viele Zellkraftwerke gebildet werden.

Die Forscher aus Bad Nauheim konnten in ihren Untersuchungen nun zeigen, dass das Dlk-Dio3-Gencluster zwar in Stammzellen aktiv ist, jedoch nicht ins ausdifferenzierten Körperzellen. Es muss demnach während der Zelldifferenzierung abgeschaltet worden sein.

 

Mikro-RNA ist nicht funktionslos

Als Off-Schalter für das Gencluster fungieren offensichtlich zwei Mikro-RNAs namens miR-1und miR-133a. Schalteten die Wissenschaftler diese beiden Mikro-RNAs in den Muskelzellen aus, so gelang es, einzelne Komponenten des Genclusters nachzuweisen. Das Mega-Gencluster blieb dann aktiv. Das hatte jedoch zur Folge, dass die Forscher die Abnahme mitochondrialer Gene beobachten mussten. Die doch gebildeten Mitochondrien waren dazu auch noch atypisch.

Bei sogenannten „Knockout-Mäusen“, bei denen miR-1 und miR-133a gezielt ausgeschaltet wurden, besaßen die Muskelzellen deutlich weniger Mitochondrien als die Kontrolltiere. Die Mäuse hatten zwar in etwa die gleiche Kraft wie normale Tiere, jedoch hatten die Knockout-Mäuse eine stark verminderte Ausdauer. Ihnen fehlte offensichtlich schlicht Energie.

 

Muskelzellen haben mehr Power dank Mikro-RNA-Off-Schalter

Die plausible Erklärung für die Beobachtung kann das Forscherteam ebenfalls liefern: Für kurzfristige Muskelaktivitäten wie starke Kraftaufwendungen wird die benötigte Muskelaktivität über den anaeroben Prozess der Glykolyse bereitgestellt. Für Ausdauerprozesse kommt die Energie aber über den aeroben Prozess der Atmungskette aus den Mitochondrien.

Indem die beiden Mikro-RNAs miR-1/miR-133a während der Differenzierung von Stammzellen zu neuen Muskelzellen das Mega-Gencluster inaktivieren, öffnen sie das Tor zur Bildung von Mitochondrien in großer Anzahl. Die Zellkraftwerke können dann die von den Muskelzellen benötigte Energiemenge zur Verfügung stellen.

Von diesen Erkenntnissen, wie die Verwandlung von Stammzellen in Körperzellen mit spezifischen Aufgaben und besonderen Bedürfnissen gelingt, können andere Stammzellenforscher sicherlich profitieren und indem sie beispielsweise dafür sorgen, dass die Vermehrung von Stammzellen im Labor und die Züchtung neuer Gewebe besser gelingt.

 

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