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Muskelzelle: Unerwartet vielseitige Arbeitsteilung

Jede Muskelzelle besitzt viele Zellkerne mit überraschend unterschiedlicher Genaktivität

Muskelfaser
Unsere Muskelfasern bestehen aus nur einer einzigen langen Zelle mit hunderten Zellkernen. Wie vielseitig und unterschiedlich deren Aktivität ist, haben Forscher jetzt herausgefunden. © AG Birchmeier/ MDC

Verblüffende Vielfalt: Jede unserer Muskelfasern besteht aus nur einer Zelle, hat aber viele Zellkerne – und diese verhalten sich unterschiedlicher als erwartet, wie eine Analyse der kernspezifischen Genaktivität belegt. Demnach werden in den Muskel-Zellkernen je nach Lage und Muskelzustand verschiedene Gene abgelesen. Dadurch kann eine Muskelzelle fast so viele Funktionen übernehmen wie sonst ein ganzes Gewebe.

Normalerweise hat jede unserer Zellen nur einen Zellkern. Seine Genaktivität bestimmt, welche Aufgaben und Funktionen die Zelle übernimmt und zu welchem Zelltyp sie wird. Doch in unseren Muskelfasern ist dies anders: Sie bestehen aus nur einer einzigen langen Zelle, in deren Plasma hunderte Zellkerne liegen. Erste Beobachtungen legten bereits nahe, dass nicht alle dieser Kerne gleich aktiv sind. Details blieben jedoch unklar.

Fast jeder Kern ist anders aktiv

Mehr Einblick in das „geheime Leben“ der Muskelzellkerne haben nun Forschende um Minchul Kim vom Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC) in Berlin gewonnen. Für ihre Studie hatten sie die Zellkerne von Muskelfasern aus dem Schienbeinmuskel von Mäusen einer Einzelkern-RNA-Sequenzierung unterzogen. Diese verrät, welche Gene in den einzelnen Kernen einer Muskelzelle gerade aktiv sind und abgelesen werden.

Das Ergebnis: Die Zellkerne derselben Muskelfaser können eine ganz unterschiedliche Genaktivität zeigen. So werden in den Kernen nahe der Verbindungsstelle zu einem Nerv andere Gene abgelesen als in den Kernen, die an der Einmündung einer Sehne liegen. „Andere spezialisierte Kerne steuern anscheinend den lokalen Metabolismus oder die Proteinsynthese und sind in der Muskelfaser verteilt“, berichtet Kim.

So vielseitig wie ein ganzes Gewebe

Insgesamt zeigten die Zellkerne der Muskelzelle eine unerwartet starke Arbeitsteilung: „Wir haben viele neue Arten spezialisierter Kerne entdeckt, die alle ganz bestimmte Genexpressionsmuster aufweisen“, berichtet Kim. Was genau diese Gene jeweils bewirken, ist allerdings noch nicht ganz klar. „Wir sind auf hunderte Gene gestoßen, die in bislang völlig unbekannten kleinen Gruppen von Kernen in der Muskelfaser angeschaltet werden“, berichtet Seniorautorin Carmen Birchmeier vom MDC.

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Die kernreichen Muskelzellen sind demnach genetisch weit komplexer und dynamischer organisiert als zuvor angenommen. „Eine einzelne Muskelzelle kann durch die Heterogenität ihrer Kerne fast wie ein Gewebe, das aus ganz unterschiedlichen Zelltypen besteht, agieren – und so ihren zahlreichen Aufgaben wie der Kommunikation mit Nervenzellen oder der Produktion von bestimmten Muskelproteinen nachkommen“, erläutert Kim.

Unterschiede auch je nach Muskelzustand

Diese Vielseitigkeit ermöglicht es den Muskelzellen auch, sich nach einer Verletzung schnell und gezielt zu regenerieren, wie der Vergleich der Einzelkern-Aktivität im ruhenden und sich regenerierenden Muskel zeigte. „Was uns wirklich erstaunt hat, war die Tatsache, dass in beiden Sorten von Muskelfasern sehr viele unterschiedliche Typen von Kernen mit jeweils ganz eigenen Mustern der Genaktivität existieren“, sagt Birchmeier.

Ähnliches zeigte sich auch, als die Forscher die Kerne von gesunden Muskeln mit denen von Mäusen mit der Duchenne-Dystrophie, einer erblichen Muskelerkrankung, verglichen. Bei den kranken Mäusen fehlten viele der sonst vorhandenen Zellkerntypen, andere Kerne waren nicht mehr in Gruppen organisiert, sondern über die ganze Zelle verstreut. „Darüber hinaus fanden wir krankheitsspezifische Subtypen von Zellkernen“, berichtet Birchmeier.

Schon diese ersten Einblicke in das genetische Innenleben einer Muskelzelle enthüllen, wie unerwartet vielseitig und arbeitsteilig die genetische Aktivität der Muskelzellkerne ist. Noch aber sei man weit davon entfernt, diese Aktivität vollkommen entschlüsselt zu haben. „Angesichts der Größe und Komplexität des Muskelgewebes muss die volle Vielfalt der Muskelzellkerne noch weiter erforscht werden“, so die Wissenschaftler. (Nature Communications, 2020; doi: 10.1038/s41467-020-20064-9)

Quelle: Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft

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