Mit neuen hochauflösenden Bildgebungsverfahren haben MDC-Forscher und Kollegen Titin, das größte Protein des Körpers, in Echtzeit während seines gesamten Lebenszyklus verfolgt. Die Methode und die Ergebnisse könnten neue Einblicke in die Muskelentwicklung sowie in die Behandlung von geschädigten Muskeln und Herzkrankheiten liefern.
Wie funkelnde Lichter die Weihnachtszeit erhellen, so freuen sich Forscher des Max-Delbrück-Centrums für Molekulare Medizin über rote und grüne Lichter aus einem ganz anderen Grund. Mit bunten Sonden hat ein Team den gesamten Lebenszyklus von Titin verfolgt, dem größten Protein des Körpers, das bekanntermaßen eine Schlüsselrolle im Muskelgewebe spielt. Die Beobachtung von Titin von der Synthese bis zum Abbau hat neue Einblicke in die Bildung von Sarkomeren, den wichtigsten kontraktilen Einheiten von Herz- und Skelettmuskeln, ermöglicht.
Titin ist ein so großes Molekül, dass seine Analyse eine besondere Herausforderung darstellt. Das Team befestigte rote und grüne fluoreszierende Markierungen an den entgegengesetzten Enden des Proteins und konnte so die genauen Bewegungen von Titin in Muskelzellen beobachten, die aus dem Mäuseherz stammen und Kardiomyozyten genannt werden.
„Kardiomyozyten sind hochspezialisiert und können keinen Schlag auslassen“, sagte Michael Gotthardt, der das MDC-Labor für neuromuskuläre und kardiovaskuläre Zellbiologie leitet und die Forschung anführte. „Wir können beobachten, wie Titin hergestellt und in das Myofilament eingebaut wird, während alles noch funktioniert. Es ist wunderschön anzusehen.“
Nicht nur ein hübsches Bild
Die Erkenntnisse, die sich aus der Möglichkeit ergeben, Titin in Echtzeit zu beobachten, sind von großer Bedeutung. Lange Zeit ging man davon aus, dass Titin das starre Rückgrat von Sarkomeren ist, den grundlegenden Funktionssegmenten von Herz- und Skelettmuskeln, die sich ausdehnen und zusammenziehen. Es hat sich herausgestellt, dass Titin viel dynamischer ist als bisher angenommen, so Gotthardt.
Herzmuskelzellen scheinen über einen Pool von löslichem Titin zu verfügen, der über das gesamte Sarkomer verteilt ist und bereit ist, Proteine zu ersetzen, die bei den sich wiederholenden Prozessen der Muskeldehnung und -kontraktion beschädigt werden. Überbeanspruchte Proteine werden aus den Zellen herausbewegt und dann abgebaut. All dies geschieht innerhalb weniger Stunden, was sich schnell anhört, aber in Wirklichkeit viel länger dauert als bei jedem anderen Sarkomerprotein.
Die große Menge an Titin außerhalb des Sarkomers war eine Überraschung, die dank des neuen genetischen Mausmodells und der Bildgebungstechnik zum ersten Mal sichtbar wurde, so Gotthardt. Ein weiterer unerwarteter Befund war die Vielfalt der Titinmoleküle, die als Isoformen bezeichnet werden, die beobachtet wurden. Bei den sich schneller bewegenden Proteinen handelt es sich wahrscheinlich um andere Isoformen als bei den sich langsamer bewegenden.
„Dies ist ein Blick auf das wahre Leben des Sarkomers“, sagte Gotthardt. „Wir können die Bildung und den Umbau der Myofilamentstruktur verstehen, was für menschliche Krankheiten und die Entwicklung von Bedeutung ist.“
Potenzielle Anwendungen
Die fluoreszierenden Sonden können Forschern dabei helfen, zu untersuchen, wie sich Muskeln nach dem Training wieder aufbauen oder wie sich die Herzmuskeln nach einem Herzinfarkt umbauen. Sie könnten auch dazu beitragen, Herzkrankheiten besser zu verstehen, die mit Mutationen in anderen Sarkomerproteinen einhergehen, so Franziska Rudolph, Erstautorin der Studie.
„Es ist erstaunlich, dass wir endogene Titin-Varianten in Echtzeit von Anfang bis Ende verfolgen können“, so Rudolph. „Mit diesen Mausmodellen und verschiedenen bildgebenden Verfahren sind so viele Experimente möglich.“
Die Technik könnte zum Beispiel dazu verwendet werden, implantierte Zellen zu verfolgen, um zu sehen, wie gut sie sich in die ursprüngliche Muskelfaser integrieren und ob sie sich mit ihren neuen Nachbarn richtig verbinden, um als Einheit zu arbeiten oder nicht. Solche Erkenntnisse könnten zeigen, ob zellbasierte Therapien wirksam sind.
Die Validierung der neuartigen Werkzeuge und die Entwicklung von Methoden für die Bildanalyse waren eine Herausforderung und erforderten die Zusammenarbeit mit Kollegen des Berliner Instituts für Medizinische Systembiologie des MDC, der Universitätsmedizin Göttingen und der University of Arizona. Das Team arbeitete hart, um zu zeigen, dass die fluoreszierenden Proteine, die genetisch erzeugt werden, keine unerwarteten Nebenwirkungen auf die Entwicklung und Funktion von Muskeln oder Titin haben.
MDC-Forscher untersuchen weiterhin Titin mit den neuen Werkzeugen, einschließlich der Frage, wie Skelettmuskeln auf Bewegung reagieren.
Referenz
Rudolph et al. (2019) Resolving titin’s lifecycle and the spatial organization of protein turnover in mouse cardiomyocytes. PNAS. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1904385116
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