Fit trotz Bewegungspause: Grizzlybären verbringen viele Monate im Winterschlaf, ohne dass ihre Muskeln unter der fehlenden Bewegung leiden. Forscher sind nun dem Geheimnis dieses Effekts auf die Spur gekommen. Demnach produzieren die Bären im Winterschlaf vermehrt bestimmte Aminosäuren – und diese Substanzen regen Muskelzellen zum Wachstum an. Künftig könnten sich dadurch neue Möglichkeiten ergeben, Muskelschwund auch beim Menschen vorzubeugen.
Igel tun es, Siebenschläfer und Grizzlybären auch: Vollgefressen und in einem sicheren Versteck überbrücken all diese Tiere die kalte Jahreszeit in einem ungewöhnlichen Ruhezustand – sie halten Winterschlaf oder Winterruhe. Dabei laufen ihre gesamten Körpervorgänge auf Sparflamme. Die Körpertemperatur fällt ab, Herzschlag und Atmung sinken.
Menschen würden diese mehrmonatige Ruhephase kaum gesund überstehen. Wir hätten 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. „Muskelschwund ist beim Menschen ein echtes Problem, das unter vielen Umständen auftritt“, erklärt Douaa Mugahid vom Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in Berlin.
Muskeln im Winterschlaf
Grizzlybären und andere Winterschläfer haben dieses Problem nicht. Wenn sie im Frühling erwachen, sind sie zunächst vielleicht noch ein bisschen träge, aber ansonsten wohlauf. Dank welcher Strategien den Tieren dies gelingt, interessiert Wissenschaftler schon lange. Mugahid und ihre Kollegen haben dieses Phänomen nun näher untersucht: Wie schaffen es die Muskeln, die Winterpause praktisch unbeschadet zu überstehen?
Um dieses Geheimnis zu lüften und so womöglich auch Ansätze für die Prävention und Therapie von Muskelschwund beim Menschen zu finden, analysierten die Forscher Muskelproben von Grizzlybären während und außerhalb der Winterruhe. Ihr Fokus lag dabei auf der Frage, welche Gene in den Muskelzellen abgelesen und in Proteine umgesetzt werden und welchen Effekt das auf die Zellen ausübt. „Wir wollten durch die Kombination moderner Sequenziermethoden und Massenspektrometrie ermitteln, welche Gene und Proteine hochreguliert oder heruntergefahren werden“, erklärt Mugahids Kollege Michael Gotthardt.
Angeregt zum Wachstum
Bei ihren Experimenten stießen die Wissenschaftler auf Proteine, die während der Winterpause der Bären deren Aminosäurestoffwechsel stark beeinflussen. Dadurch befinden sich in den Muskelzellen erhöhte Mengen bestimmter nicht-essenzieller Aminosäuren, kurz 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 Gotthardt.
Relevante Gene im Blick
Wie aber lässt sich der Muskel zur Produktion erhöhter NEAA-Mengen anregen? Um herauszufinden, welche Signalwege dazu angeschaltet werden müssen, verglichen die Forscher die Aktivität der Gene bei Grizzlybären, Menschen und Mäusen. Die dafür erforderlichen Daten kamen beispielsweise von alten oder bettlägerigen Patienten 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. Tatsächlich stießen die Forscher auf eine ganze Reihe solcher Gene. Um die möglichen Kandidaten weiter einzugrenzen, die Ansatzpunkt für eine Therapie gegen Muskelschwund sein könnten, führten sie anschließend Experimente mit Fadenwürmern durch. „Beim Wurm lassen sich einzelne Gene leicht ausschalten und man kann schnell sehen, welche Effekte das auf das Muskelwachstum hat“, sagt Gotthardt.
Neue Therapien für Patienten?
Mithilfe dieser Experimente haben der Forscher und seine Kollegen nun eine knappe Handvoll von Genen gefunden, deren Einfluss sie in künftigen Arbeiten 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.
Auf lange Sicht erhofft sich das Wissenschaftlerteam dadurch neue Möglichkeiten, um zum Beispiel bettlägerigen Menschen zu helfen. „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“, schließt Mugahid. „Wenn wir diese Strategien besser verstehen, könnten wir neuartige Methoden entwickeln, um Muskelschwund bei Patienten besser zu verhindern und zu behandeln.“ (Scientific Reports, 2019; doi: 10.1038/s41598-019-56007-8)
Quelle: Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin
