Scharfer Blick in die Muskelzelle

Forschende des Max-Planck-Instituts in Dortmund decken mithilfe der Kryoelektronentomo­grafie ungeahnte molekulare Details des Sarkomers auf

24. März 2021

Ein internationales Team unter der Leitung von Stefan Raunser, Direktor am Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie in Dortmund, in Zusammenarbeit mit Mathias Gautel vom King's College in London hat mithilfe der Kryoelektronentomografie das erste hochauflösende 3D-Bild des Sarkomers erstellt, der kontraktilen Grundeinheit von Skelett- und Herzmuskelzellen. Die Fähigkeit der Kryoelektronentomografie, hochaufgelöste Strukturen direkt in gefrorenen Muskelzellen sichtbar zu machen, legt eine wichtige Grundlage für die zukünftige medizinische Behandlungen von Muskelkrankheiten und wird zu einem besseren Verständnis des Alterungsprozesses beitragen.

3D-Rekonstruktion des Sarkomers. Farbige Stränge sind einzelne Filamente.

Sarkomere sind 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. Bisherige Untersuchungen zum Aufbau­­ und zur Funktion von Muskeln erreichten keine hohe Auflösung oder wurden nur mit einzelnen Bestandteilen durchgeführt. "Mit der Kryoelektronen­tomografie können wir die bisherigen Probleme fast vollständig lösen und detaillierte 3D-Bilder des gefrorenen Muskels in einem annährend natürlichen Zustand erhalten", sagt Stefan Raunser.

Einblicke in Muskelfibrillen mit nahezu atomarer Auflösung

Obwohl die Kryoelektronen­tomografie eine etablierte Methode zur Darstellung feiner Strukturen in der Zelle ist, ist sie aufgrund ihrer bisherigen Limitierungen nur sehr wenigen Laboren zugänglich. Jüngste technische Fortschritte in der Einzelpartikelkryo­elektronen­mikroskopie sowie Neuentwicklungen, wie das Fräsen der Probe mit Hilfe eines fokussierten Ionenstrahls in einem Kryorasterelektronenmikroskop, haben sowohl die Auflösungsgrenzen als auch die Nutzbarkeit der Kryoelektronen­tomografie enorm verbessert.

Bei der Probenvorbereitung im Dortmunder Kryo-Labor wird das von den KollegInnen am King’s College in London isolierte Muskelgewebe zunächst bei ca. -175°C schockgefroren. Dieses Verfahren bewahrt die chemische Feinstruktur der Muskelstrukturen und somit auch ihren natürlichen Zustand. Aus der gefrorenen Probe wird dann mit einem Ionenstrahl ein Teil einer Muskelfibrille herausgefräst. So entsteht eine hauchdünne, elektronendurchlässige Lamelle mit einer Dicke von nur etwa 100 Nanometern. Im Elektronenmikroskop wird nun eine Serie von Bildern erstellt, während die Lamelle 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 konnten die Forschenden Einblicke in Maus-Muskelfibrillen im Bereich von 1 Nanometer gewinnen: "Wir können jetzt eine Muskelfibrille mit nahezu atomarer Auflösung betrachten, eine Dimension, die uns bis vor Kurzem noch vollkommen verschlossen war. Das ist faszinierend!", betont Raunser.

Muskelfasern in ihrer natürlichen Umgebung

Die erste Zeile zeigt eine schematische Darstellung des Sarkomers. Die zweite Zeile zeigt die dreidimensionale Organisation des Sarkomers und die Plastizität auf molekularer Ebene (dünne Filamente: grün, rosa, a-Actinin: blau). Die dritte Reihe zeigt die Interaktion der Muskelproteine im Detail. Die ersten beiden Blasen zeigen die Interaktion der Myosinköpfe (gelb, orange, rot) mit Aktin (grün). Die dritte Blase v. l. zeigt Details von Aktin, Tropomyosin und Troponin im A-Band. Die letzte Blase (rechts) zeigt das unregelmäßige Geflecht von a-Actinin (blau), das Aktinfilamente (grün, rosa) in der Z-Scheibe vernetzt.

Mit der 3D-Rekonstruktion der Muskelfibrillen konnten die Wissenschaftler*innen die dreidimensionale Organisation des gesamten Sarkomers enthüllen. Auch konnten sie die Interaktion von Muskelproteinen in verschiedenen Teilbereichen, wie z.B. der Z-Scheibe, die das Sarkomer auf beiden Seiten abschließt, im Detail beobachten. So bildet die Z-Scheibe ein unregelmäßiges Netz und kann unterschiedliche räumliche Anordnungen annehmen.

Mit einer speziellen Muskelprobe, die stark an Aktin bindendes Myosin enthält, wurde ein Zustand wie im kontrahierten Muskel untersucht. Und tatsächlich konnte so zum ersten Mal sichtbar gemacht werden, 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, konnte zum ersten Mal experimentell nachgewiesen werden.

"Dies ist erst der Anfang. Kryoelektronen­tomografie 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 Forschenden, in naher Zukunft auch menschliches Muskelgewebe aus Biopsien oder aus pluripotenten Stammzellen zu untersuchen.

Tomogramm des Sarkomers (Z-Scheibe und I-Bänder) und 3D-Rekonstruktion mit Darstellung der alpha-Actinin-Organisation zwischen antiparallelen dünnen Filamenten in der Z-Scheibe.

3D-Anordnung der dünnen und dicken Filamente und ihre Vernetzung innerhalb eines Sarkomers.

Tomogramm des Sarkomers (Z-Scheibe und I-Bänder) und 3D-Rekonstruktion mit Darstellung der alpha-Actinin-Organisation zwischen antiparallelen dünnen Filamenten in der Z-Scheibe.

 

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