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In Zeiten von Home-Office, Lock downs und geschlossenen Fitnessstudios ist Ausdauersport wieder voll im Trend. Denn Joggen, Radfahren oder Schwimmen hält gesund und macht die Muskeln fit. Durch das regelmässige Training verändert sich die Muskulatur, so dass sie Belastungen über lange Zeit standhält. Für diese Anpassungen ist das Protein PGC1α verantwortlich. Gemeinsam mit den Professoren Sebastian Hiller und Maria Hondele hat Prof. Christoph Handschin nun herausgefunden, wie PGC1α tausende von Genen kontrolliert und so den Muskel auf eine längere Beanspruchung vorbereitet.
Muskeln verändern sich durch Ausdauertraining
PGC1α spielt eine Schlüsselrolle bei der Anpassung des Muskels an das Ausdauertraining. Das Protein startet ein genetisches Programm, das die Energieausbeute in den Muskelzellen optimiert. Die Zahl der Mitochondrien nimmt zu. Die Kraftwerke stellen die Energie in der Zelle bereit. Die Muskelfasern legen grössere Energiereserven in Form von Zuckern und Fetten an, und das Gewebe wird stärker durchblutet und dadurch besser mit Sauerstoff versorgt. PGC1a regt zudem die Reparatur und Regeneration der Muskeln an.
So breit das Spektrum an Veränderungen im Muskel, so breit ist auch das Spektrum an Genen, die diese Veränderungen in Gang setzen. «Uns war bereits bekannt, dass PGC1α ein komplexes genetisches Programm koordiniert. So konnten wir früher schon zeigen, dass inaktive Mäuse, die vermehrt PGC1α produzieren, Muskeln wie ihre trainierten Artgenossen entwickeln und selbst ohne Training lange rennen können», sagt Handschin. «Völlig unklar war jedoch, wie es möglich ist, dass ein einziges Protein eine so riesige Zahl von Genen reguliert und die dafür notwendigen Faktoren rekrutiert.»
Tröpfchen mit PGC1α wichtig für Genregulation
Im Tiermodell konnten die Forschenden nun aufklären, wie PGC1α das genetische Programm zeitlich und räumlich steuert. Im Zellkern bildet es zusammen mit RNA-Molekülen und anderen Proteinen zahlreiche winzige Tröpfchen, vergleichbar mit Öltropfen in Wasser. «Wir konnten beobachten, dass diese Tröpfchen bestimmte Regionen im Erbgut umschliessen und an diesen Stellen die Gene aktiv abgelesen werden», erklärt Handschin. «In Tropfen verpackt, gelangt also das für die Genexpression nötige Set an Molekülen an ihre spezifischen Bestimmungsorte im Genom. Auch in menschlichen Muskelzellen konnten wir diese Tropfen nachweisen.»
Wie hängt Tropfen-Inhalt mit Trainingsanpassung zusammen?
Die Tröpfchenbildung in Zellen ist ein bislang unterschätzter, aber wichtiger Prozess. Dadurch ist es möglich, dass bestimmte Schlüsselregulatoren wie PGC1 α sehr komplexe biologische Programme, in diesem Fall die Trainingsanpassung im Muskel, kontrollieren und koordinieren. Da die Tröpfchen sowohl in trainierten als auch untrainierten Muskeln vorkommen, vermuten die Forschenden, dass sich je nach Trainingszustand entweder der Ort, an dem die Tropfen an die DNA binden, oder die Zusammensetzung der Tröpfchen ändert. Diesen und weiteren Fragen wollen Prof. Christoph Handschin und seine Kollegen künftig nachgehen.
Originalpublikation:
Joaquín Pérez-Schindler, Bastian Kohl, Konstantin Schneider-Heieck, Aurel B. Leuchtmann, Carlos Henríquez-Olguín, Volkan Adak, Geraldine Maier, Julien Delezie, Thomas Sakoparnig, Elyzabeth Vargas-Fernández, Bettina Karrer-Cardel, Danilo Ritz, Alexander Schmidt, Maria Hondele, Thomas E. Jensen, Sebastian Hiller and Christoph Handschin. RNA-bound PGC-1α controls gene expression in liquid-like nuclear condensates. Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS); published online 31 August 2021
Kontakt: Kommunikation, Katrin Bühler