Umfassende Einblicke in den Stoffwechsel

Abgestimmt wie ein Orchester

Wie die verschiedenen Stoffwechselprozesse im Körper miteinander verzahnt sind und welche Zeitfenster sich für Therapien gegen Adipositas anbieten, das ergab eine umfangreiche Studie.

Forschende haben über 24 Stunden ein Stoffwechselprofil mehrerer Organe und Gewebe von Mäusen bei normaler und bei fettreicher Ernährung angefertigt. Die Studie wurde aktuell im Fachmedium ‚Cell‘ publiziert. Laut Helmholtz Zentrum München bietet sie einen bislang unerreichten Blick auf das körperweite Zusammenspiel des Stoffwechsels. Die Arbeit entstand federführend am Helmholtz Zentrum München, der Universität von Kalifornien-Irvine und in Kooperation mit dem Deutschen Zentrum für Diabetesforschung.

Wissenschaftler des Helmholtz Zentrums München: Dr. Dominik Lutter (links) und Dr. Kenneth Dyar. © Helmholtz Zentrum München

Überall und zu jeder Zeit finden in unserem Körper Stoffwechselvorgänge statt: Nahrung wird zerlegt, Gewebe aufgebaut, Abbauprodukte entsorgt. Doch all diese Vorgänge laufen nicht einfach unkontrolliert durcheinander. Um Wechselwirkungen und Chaos zwischen all den verschiedenen Prozessen zu vermeiden, werden sie durch sogenannte zirkadiane oder 24-Stunden-Rhythmen geordnet.

Zusammenspiel wie im Orchester
„Man kann sich das vorstellen wie in einem Orchester“, erklärt Dr. Dominik Lutter, Gruppenleiter am Institut für Diabetes und Adipositas (IDO) des Helmholtz Zentrums München. „Damit das Zusammenspiel harmonisch wird, können die einzelnen Instrumente nicht einfach drauflos spielen, sondern müssen eingetaktet werden. Genauso verhält es sich beim Stoffwechsel und den Takt geben die zirkadianen Rhythmen vor.“

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Um dieses Zusammenspiel zu beleuchten, haben die Wissenschaftler über 24 Stunden Stoffwechselprofile von acht verschiedene Geweben gleichzeitig erstellt. Untersucht wurden der Nucleus suprachiasmaticus im Hypothalamus (gilt bei Säugetieren als Haupt-Taktgeber für die zirkadianen Rhythmen) sowie den präfrontalen Cortex, Muskeln, Leber, braunes und weißes Fettgewebe, Blutserum und Sperma.

„Um zu verstehen, wie die Ernährung die zeitliche Koordination der Gewebe und den 24-Stunden-Stoffwechsel beeinflusst, haben wir die Daten bei normaler und bei fettreicher Ernährung erhoben“, ergänzt IDO-Wissenschaftler Dr. Kenneth Dyar, gemeinsam mit Dominik Lutter Erstautor der Arbeit. „Es war bekannt, dass fettreiche Nahrung den 24-Stunden-Rhythmus stört und Stoffwechselkrankheiten verursacht. Die zeitliche Betrachtung des Gewebestoffwechsels in unserer Studie gibt uns jetzt Einblicke, wie sich dieser etwa bei Adipositas und Diabetes verändert.“

Zu viele Fett-Kalorien bringen Stoffwechsel aus dem Takt
In der Tat konnten die Forscher beobachten wie das Zuviel an Fett in der Nahrung den Stoffwechsel durcheinander bringt. „In den Muskeln konnten wir beispielsweise bei normaler Ernährung eine sehr geordnete Abfolge der Energiegewinnung aus Fett und Zucker feststellen“, so Kenneth Dyar. „Bei fettreicher Ernährung ging dieses typische Muster hingegen total verloren und der Fettstoffwechsel dominierte. Diese Veränderungen haben auch Auswirkungen auf die Insulinresistenz der Muskelzellen, die als Folge entstehen kann.

Insgesamt bietet die Arbeit einen Überblick, wann welcher Stoffwechselprozess im jeweiligen Gewebe abläuft. Neben bisher unbekannten Zusammenhängen erschließen sich laut den Autoren dadurch auch Zeitfenster, wann stoffwechselwirksame Medikamente besonders erfolgsversprechend eingesetzt werden könnten. „Wenn man bei dem Bild mit dem Orchester bleiben möchte, haben wir nun eine erste Partitur des Stoffwechsels in der Hand und verstehen das filigrane Zusammenspiel der Instrumente“, so Dominik Lutter abschließend. „Im nächsten Schritt möchten wir lernen, wie wir alle im Orchester dazu bringen können, im Einklang zu spielen, wenn wir aus dem Takt geraten sind.“

Die Arbeit entstand unter der Aufsicht von Prof. Dr. Paolo Sassone-Corsi (University of California, Irvine), Dr. Kristin Eckel-Mahan (University of Texas Health Science Center at Houston) sowie Prof. Dr. Jerzy Adamski und Prof. Dr. med. Dr. h.c. Matthias Tschöp vom Helmholtz Zentrum München, das Matthias Tschöp seit August als Wissenschaftlicher Geschäftsführer und Sprecher der Geschäftsführung leitet.

Publikation:
Dyar, KA. et al. (2018): Atlas of Circadian Metabolism Reveals System-wide Coordination and Communication between Clocks. In: Cell,
DOI: 10.1016/j.cell.2018.08.042

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