Kryo-Elektronentomographie Der Bauplan der Muskeln

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Ob im Herz oder im Oberarm – Muskeln leisten enorme Arbeit in unserem Körper. Mithilfe der Kryo-Elektronentomographie haben Forscher aus Dortmund nun die Strukturen von Muskelzellen in bisher unerreichter Detailgenauigkeit abgebildet. Die erhaltenen 3D-Bilder können dabei helfen, Muskelkrankheiten besser zu verstehen.

Dortmund, London/UK – Wir nutzen sie, ohne darüber nachzudenken. Dabei sind unsere Muskeln komplexe Gewebe, deren Funktionalität zu einer der erstaunlichsten Entwicklungen der Evolution gehört. Mithilfe von Kryo-Elektronentomographie (Kryo-ET) haben Forscher des Max-Planck-Instituts für molekulare Physiologie nun Muskeln in bisher unerreichter Detailtreue analysiert und die feinen Strukturen in Muskelzellen als 3D-Modell sichtbar gemacht. Dies legt eine wichtige Grundlage für die zukünftige medizinische Behandlungen von Muskelkrankheiten und ermöglicht ein besseres Verständnis des Alterungsprozesses.

Die kleinste Einheit der Muskeln im Blick

Die Wissenschaftler untersuchten die so genannten Sarkomere: die kleinsten, sich wiederholenden, funktionellen Baueinheiten der Muskelfibrillen. Hunderte dieser parallel angeordneten Fibrillen bilden eine Muskelfaser. Innerhalb der Sarkomere interagieren Filamente der Proteine Myosin und Aktin miteinander und erzeugen dadurch die Kontraktion und Entspannung des Muskels.

Muskelstammzellen

Körpereigener Proteincocktail lässt Muskeln wachsen

Bisherige Untersuchungen zum Aufbau und zur Funktion von Muskeln erreichten keine hohe Auflösung oder wurden nur mit einzelnen Bestandteilen durchgeführt. „Mit der Kryo-Elektronentomographie können wir die bisherigen Probleme fast vollständig lösen und detaillierte 3D-Bilder des gefrorenen Muskels in einem annährend natürlichen Zustand erhalten“, sagt Prof. Stefan Raunser, Direktor am Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie in Dortmund.

Schockgefrorene Muskeln unter dem Mikroskop

Bei der Probenvorbereitung im Dortmunder Kryo-Labor wurde zunächst isoliertes Muskelgewebe von Mäusen bei ca. -175 °C schockgefroren. Die Proben stellten Kollegen King’s College in London zur Verfügung. Dieses Verfahren bewahrt die chemische Feinstruktur der Muskelstrukturen und somit auch ihren natürlichen Zustand. Aus der gefrorenen Probe frästen die Wissenschaftler dann mit einem Ionenstrahl ein Teil einer Muskelfibrille heraus. So entsteht eine hauchdünne, elektronendurchlässige Lamelle mit einer Dicke von nur etwa 100 Nanometern.

Bildergalerie

Mit dem Elektronenmikroskop erstellten die Forscher eine Serie von Bildern, während die Probe schrittweise entlang einer Achse gekippt wird. Schließlich wird wie bei der Computertomografie in der medizinischen Diagnostik die Serie der zweidimensionalen Bilder zu einem dreidimensionalen Bild verrechnet. Auf diese Weise erhielten die Forscher Einblicke in Maus-Muskelfibrillen im Bereich von einem Nanometer und haben dreidimensionale Organisation des gesamten Sarkomers enthüllt. „Wir können jetzt eine Muskelfibrille mit nahezu atomarer Auflösung betrachten – eine Dimension, die uns bis vor Kurzem noch vollkommen verschlossen war“, sagt Raunser.

Video zum 3-Aufbau von dickem und dünnem Filament und den Verknüpfungen im Sarkomer einer Muskelzelle, Quelle: MPI MOPH

Kontraktion auf molekularer Ebene

Für weitere Experimente nutzten die Forscher eine spezielle Muskelprobe, mit der sich ein Zustand wie im kontrahierten Muskel untersuchen ließ. Damit machten die Forscher zum ersten Mal sichtbar, wie zwei Köpfchen desselben Myosins an einen Aktinstrang binden. Auch eine weitere, bislang nur vermutete Anordnung dieser Muskelproteine, bei der jeweils ein Myosinköpfchen des Doppelkopfs an zwei verschiedene Aktinstränge bindet, wiesen die Forscher mit der Mikroskopietechnik zum ersten Mal experimentell nach.

„Dies ist erst der Anfang – Kryo-ET entwickelt sich immer mehr von einer Nischen-Technologie zu einer weit verbreiteten Methode innerhalb der Strukturbiologie“, sagt Raunser. „Bald werden wir in der Lage sein, Muskelkrankheiten auf molekularer und sogar atomarer Ebene zu untersuchen.“ Die untersuchten Mäusemuskelzellen sind denen des Menschen sehr ähnlich, dennoch planen die Wissenschaftler, in naher Zukunft auch menschliches Muskelgewebe aus Biopsien oder aus pluripotenten Stammzellen zu untersuchen.

Originalpublikation: Wang Z, Grange M, Wagner T, Khoo AL, Gautel M, Raunser S: The molecular basis for sarcomere organization in vertebrate skeletal muscle Cell, Cell, 2021 DOI: 10.1016/j.cell.2021.02.047

* J. Jarzombek, Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie, 44227 Dortmund

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