Natriumkanäle im schnellen und langsamen Skelettmuskel

Der Skelettmuskel ist ein heterogenes Gewebe, das verschiedensten funktionellen Ansprüchen genügen muß. Das breite Spektrum an mechanischen Leistungen wird durch unterschiedliche Muskelfasertypen erreicht, die für verschiedene Anforderungen spezialisiert sind. Jeder Skelettmuskel des Körpers besitzt eine einzigartige Zusammensetzung von sogenannten "schnellen" und "langsamen" Muskelfasern. Diese Zusammensetzung ist nicht statisch: die Muskelfasern können ihren molekularen Aufbau durch veränderte Genexpression anpassen. Die Unterschiede in den kontraktilen Eigenschaften der Fasertypen konnten kausal mit der Expression von verschiedenen Isoformen der schweren Myosinkette (MHC) in Zusammenhang gebracht werden (z.B.: Hilber & Galler, 1997a, b). Neben der MHC kommen auch andere myofibrilläre Proteine, Stoffwechselenzyme und Kalzium- (Ca2+) regulatorische Proteine als Fasertyp-spezifische Isoformen vor. Über Ionenkanäle in der Zellmembran von schnellen und langsamen Muskelzellen ist hingegen nur sehr wenig bekannt. Natrium- (Na+) Kanäle spielen bei der Bestimmung von basalen Eigenschaften der Muskelfasertypen eine zentrale Rolle; sie regulieren ihre Erregbarkeit. Während schnelle Fasern ein Aktionspotential alle paar Millisekunden generieren müssen, haben langsame Fasern Feuerfrequenzen, die 20 Hertz nicht überschreiten. Diese verschiedenen Feuermuster richten unterschiedliche funktionelle Anforderungen an die Na+ Kanäle der Muskelfasertypen: die Na+ Kanäle der schnellen Fasern sollten daher schnellere "Gating"-Eigenschaften besitzen. Daraus entwickelt sich die wichtige Frage: Sind auch die Na+ Kanäle, wie das für andere Proteine gezeigt wurde, in schnellen und langsamen Muskelzellen spezialisiert? Wir wollen in dieser Studie die funktionellen Eigenschaften der Na+ Kanäle in kultivierten schnellen und langsamen Skelettmuskelzellen vergleichen. Die Na+ Ströme dieser Zellen werden wir mit der "Patch clamp" Technik messen. Das Ziel dieser Studie ist die Charakterisierung der funktionellen Eigenschaften von Na+ Kanälen, sowie der Faktoren, welche diese Kanäle im schnellen und langsamen Muskel modulieren. Experimente an intakten Faserpräparaten erbrachten klare Hinweise für eine Fasertyp-spezifische Na+ Kanalfunktion, aber der Ursprung dieser Unterschiede zwischen schnellen und langsamen Muskelzellen ist unbekannt. Die Ergebnisse dieser Studie werden zu einem besseren Verständnis führen, wie die unterschiedlichen Skelettmuskeltypen ihren speziellen funktionellen Anforderungen genügen. Außerdem werden wir zeigen, ob verschiedene Na+ Kanal- Isoformen in schnellen und langsamen Muskelzellen vorkommen, oder ob die Fasertyp-spezifische Funktion der Na+ Kanäle auf andere modulatorische Faktoren, wie die Koexpression der ?1-Untereinheit oder auf intrazelluläre Modulatoren zurückzuführen ist. Außerdem werden wir die Effekte einer Fasertyp-Umwandlung (schnell zu langsam) auf die Na+ Kanalfunktion untersuchen. Dies wird zeigen, ob ein "Umschalten" in den kontraktilen Eigenschaften von Muskelfasern (veränderte Expression von MHC- Isoformen), wie es bei der Fasertyp- Umwandlung auftritt, mit einem "Umschalten" in der Na+ Kanal- Expression einhergeht. Dies würde auf eine Verbindung zwischen Genen, die für den kontraktilen Apparat kodieren und Genen, die für Ionenkanäle kodieren, hindeuten. Abschließend werden wir testen, ob die unterschiedlichen funktionellen Eigenschaften von Na+ Kanälen im schnellen und langsamen Muskel wichtig für die Pathophysiologie von Krankheitszuständen (Myotonie, maligne Hyperthermie) sind.

Jeder Skelettmuskel des Körpers besteht aus einer einzigartigen Mischung aus sogenannten "schnellen" und "langsamen" Muskelfasern, welche für bestimmte funktionelle Aufgaben spezialisiert sind. Diese Zusammensetzung ist nicht feststehend; vielmehr können die Muskelfasern, beispielsweise angeregt durch gezielte Trainigsreize, ihre molekulare Komposition durch veränderte Genexpression anpassen (Fasertypenumwandlung). Während manche Formen, der im Zuge einer Fasertypenumwandlung auftretenden zellulären Anpassungen, bereits gut beschrieben sind, ist über mögliche Anpassungen der elektrophysiologischen Eigenschaften von Skelettmuskelzellen nur sehr wenig bekannt. Derartige Anpassungen könnten Änderungen in der Expression und/oder Funktion von Ionenkanälen einschließen, und daher die Erregbarkeit von Muskelgewebe entscheidend beeinflussen. In unserem Projekt untersuchten wir elektrophysiologische Anpassungen von Skelettmuskelzellen, die im Zuge einer Fasertypenumwandlung auftreten. Wir konnten zeigen, dass sich wesentliche funktionelle Eigenschaften von Natrium-Strömen im Zuge einer "schnell-zu-langsam" Fasertypenumwandlung tatsächlich veränderten. So konnten signifikante Unterschiede im Inaktivierungsverhalten von Natrium-Kanälen aufgedeckt werden. Diese Ionenkanäle sind von entscheidender Bedeutung für die Enstehung und Weiterleitung von elektrischen Impulsen, welche die Muskelkontraktion steuern. Verursacht werden die beschriebenen Unterschiede durch eine verstärkte Expression der Herzisoform (Nav 1.5), sowie durch eine verminderte Expression der Skelettmuskelisoform (Nav 1.4) des Natrium-Kanals. Eine "schnell-zu-langsam" Fasertypenumwandlung scheint also zu herzzellähnlicher Natrium-Kanalfunktion in Skelettmuskelzellen zu führen. Diese Ergebnisse implizieren, dass die Erregbarkeit von Muskelgewebe durch externe Stimuli, wie zum Beispiel körperliches Training, modifiziert werden kann. Diese Erkenntnisse haben das physiologische Wissen über den Skelettmuskel, und seine außerordentliche Fähigkeit, sich an funktionelle Erfordernisse anpassen zu können, erweitert. Sie mögen außerdem zu einem besseren Verständnis von Skelettmuskelerkrankungen wie Myotonie, periodischer Paralyse, und maligner Hyperthermie beitragen, welche durch gestörte Zellerregbarkeit verursacht werden. Aus der Identifikation der Faktoren, die Änderungen in der Expression und/oder Funktion von Ionenkanälen regulieren, mögen neue Zielstrukturen für Pharmaka hervorgehen, welche zur Entwicklung von neuen therapeutischen Strategien zur Behandlung von sogenannten "transkriptionellen Ionenkanalerkrankungen" führen könnten. Zu diesen zählen wichtige Krankheitszustände wie chronische Schmerzen, Epilepsie, Bluthochdruck und die ischämische Herzerkrankung.