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Der Hulk: Fantasie oder Vision? Grrrrrrrrrr – das Gesicht verzerrt sich zu einem gewaltigen Ächzen und Brüllen. Das Hemd zerreißt. Dicke Muskelpakete bedecken Brust und Rücken, Arme und Beine. An Hals und Armen treten dicke Adern hervor. Aus drei Metern Höhe blickt das Wesen auf Freund und Feind herab. Mühelos durchbricht es Mauern und stoppt mit übermenschlicher Kraft heranrasende Fahrzeuge: Bruce Banner ist zum Hulk geworden. Zum Hulk wird der Bio-Wissenschaftler Bruce Banner immer dann, wenn er sich aufregt. Dafür verantwortlich ist sein Vater, Dr. David Banner, der für eine militärische Einrichtung arbeitet. Ziel seiner Forschungen ist ein Mittel zur Verbesserung des menschlichen Immunsystems, um im Kampf verwundete Soldaten schnell wieder einsatzfähig zu machen. Bei einem Selbstversuch erkennt er, dass sein Mittel zu genetischen Veränderungen führt. Später muss er feststellen, dass auch sein Sohn, Bruce Banner, diese Mutation in sich trägt. Allerdings bleibt das lange sein Geheimnis: Bruce Banner wächst ohne besondere Vorkommnisse bei Stiefeltern auf. Ohne es zu wissen, führt Bruce Banner später die Arbeit seines Vaters in einem Labor für nukleare Bio-Technologie fort. Bei einem Unfall wird er einer hohen Dosis Gammastrahlung ausgesetzt. Er überlebt und fühlt sich sogar gesundheitlich besser. Doch die Nachricht, dass sein Labor geschlossen werden soll, erweckt den Hulk in ihm zum Leben. Filmtipp Ang Lee (2003): Der Hulk. 133 min. 01:15–05.45 min: Dr. David Banner in seinem Labor. Woran, mit welchem Ziel und für wen forscht er? 26:17–30:30; 38:10–41:00 min: Bruce Banner verwandelt sich in den Hulk. Wie kommt es zu dieser Transformation? Die Muskelmassen des fiktiven Hulk wurden nach einem realen Vorbild, nämlich nach dem deutschen Bodybuilder Günter Schlierkamp, modelliert. Umgekehrt können Science-Fiction-Geschichten realen Wissenschaftlern Forschungsideen liefern und ihnen eine Ahnung möglicher Folgen ihrer Studien vermitteln. Das rasante Muskelwachstum des Hulk wünschen sich beispielsweise nicht nur Patienten, die an Muskelschwund (Muskeldystrophie) leiden, sondern auch Sportler, die hart am Aufbau von Muskelmasse arbeiten. Kann der Film „Hulk“ als Ideengeber für die reale Wissenschaft fungieren? Überprüfen Sie die im Film präsentierten Vorstellungen auf ihre Stichhaltigkeit. Schauen Sie dazu möglichst die angegebenen Filmausschnitte an und beantworten Sie die folgenden Fragen: 1. David Banner stellt fest, dass sein Sohn eine Mutation in sich trägt, die er ebenfalls

aufweist. Diskutieren Sie auf der Grundlage Ihres Wissens, unter welchen Umständen Mutationen, die bei Eltern auftreten, auf Nachkommen weitergegeben werden können. Falls Sie Schwierigkeiten bei der Beantwortung dieser Frage haben, können Sie in Ihrem Schulbuch und u. a. auf folgenden Internetseiten nach Informationen zum Stichwort „Mutation“ suchen: www.spektrum.de/lexikon/biologie/mutation/44508 /, www.gene-abc.ch/de/welt-der-gene/mutationen/wie-werden-mutationen-vererbt

2. Erläutern Sie, warum die Verwandlung von Bruce Banner in den Hulk erst erfolgt, nachdem dieser einer an sich tödlichen Dosis Gammastrahlung ausgesetzt wurde.

1. Die Weitergabe von Mutationen von Eltern auf Nachkommen ist nur dann möglich, wenn die

betreffende(n) Mutation(en) in der Keimbahn entstanden ist (sind), also Spermien beim Mann oder Eizellen bei der Frau betrifft. Veränderungen von Immunzellen, an denen David Benner arbeitet, können zwar Auswirkungen auf ihn selbst, jedoch nicht auf seinen Sohn haben.

2. Die Nachricht von der Schließung des Labors versetzt Banner unter Stress. Dieser löst die Transkription und Translation von Genen aus, die vermutlich durch die Strahlung aktiviert worden waren.

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Hulk – Muskelwachstum, aber wie? Bei der Verwandlung von Bruce Banner zum Hulk wachsen dessen Muskeln rasend schnell. In der Realität gibt es zwei Wege des Muskelwachstums:

Wachstum durch Zunahme der Myofilamente Ein Mensch wächst in der Regel, indem sich die Zellen verdoppeln. Beim Muskelwachstum ist das anders. Hier werden bereits vorhandene Muskelzellen, die Muskelfasern, größer. Muskelfasern sind Zellen, die mehrere Zellkerne enthalten, aber nicht mehr teilungsfähig sind. Sie bestehen aus Myofibrillen. Die kleinste funktionale Einheit ist das Sarkomer (Abb. 1). Das Wachstum der Muskelfasern erfolgt durch die Bildung neuer Sarkomere. Werden sie an vorhandene Myofibrillen angehängt, wird die Muskelfaser und damit auch der Muskel länger. Werden die neuen Sarkomere parallel an alte Myofibrillen angelagert, nimmt der Durchmesser einer Muskelfaser und damit letztlich der Durchmesser eines Muskels zu. Das Wachstum der Muskelfaser ist dadurch begrenzt, dass die DNA in jedem Zellkern nur in einem kleinen Bereich die Produktion von Proteinen wie Aktin und Myosin veranlassen kann. Ist diese Grenze erreicht, können keine weiteren Sarkomere gebildet werden.

Sehne

Knochen

Skelettmuskel

Muskelfaserbündel

Muskelfaser

Z-Scheibe

Titinfilament

Myosinfilament

Aktinfilament

Z-Scheibe Z-ScheibeAktinfilamentMyosinfilament

Organisationsebene

Organ

Zelle

Organell

Molekül

Muskelfibrille

Sarkomer

1: Aufbau eines Muskels

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Hulk – Muskelwachstum, aber wie?

Wachstum durch Satellitenzellen Beim Training entstehen im Muskel kleinste Verletzungen (Mikrotraumata). Sie regen Satellitenzellen zur Teilung an. Auf 100 Muskelfasern kommen etwa 5–15 Satellitenzellen (Abb. 2). Ein Teil von ihnen verschmilzt mit der verletzten Muskelfaser. Damit kommt neue DNA in die Muskelzelle und es können mehr Proteine und Sarkomere gebildet werden, die ein weiteres Muskelwachstum ermöglichen. Übrigens haben Muskelfasern eine Art „Gedächtnis“: Muskelgruppen, die einmal trainiert wurden, erlangen nach einer Trainingspause schneller ihre alte Kraft zurück als nie trainierte Muskeln. Beim Training werden nämlich Satellitenzellen in die Muskelfasern eingelagert, sodass die für den Bau der Muskelfaser notwendigen Proteine schnell produziert werden können.

untrainierter Zustand Zustand nach Training

Training

Muskelfaser

Durchmesser der Myofibrillen Satellitenzelle

Myofibrille

2: Zunahme von Anzahl und Durchmesser der Myofibrillen durch Training Vor allem am Übergang von Muskel zu Sehne befinden sich teilungsaktive Stammzellen, die Satellitenzellen. Nach einer Mikroverletzung einer Muskelfaser wandern Satellitenzellen zu der verletzten Stelle. Satellitenzellen verschmelzen mit der verletzten Muskelzelle. In der zuvor verletzten Muskelfaser werden neue Myofibrillen gebildet, die sich meist parallel zu den vorhandenen Fibrillen anlagern: Der Durchmesser der Muskelfaser nimmt zu.

Satellitenzellen wandern zur verletzten Stelle.

Satellitenzellen verschmelzen mit verletzter Muskelfaser.

Neubildung von Myofibrillen in der zuvor verletzten Muskelfaser

Satellitenzellen teilen sich nach Mikro-Verletzung in

einer Muskelfaser

3: Zunahme von Muskelmasse 1. Lesen Sie die Informationstexte und erarbeiten Sie anschließend anhand der

Abbildungen den Zusammenhang zwischen Muskel, Muskelfaser, Myofibrille und Sarkomer. Ergänzen Sie in der Grafik die jeweiligen Organisationsebenen.

2. Halten Sie mit einem Partner bzw. einer Partnerin Gemeinsamkeiten und Unterschiede der beschriebenen Vorgänge bei Muskelwachstum fest.

3. Erläutern Sie knapp die Merkhilfe „Alle Muskelfasern sind Muskelzellen, aber nicht alle Muskelzellen sind Muskelfasern“.

2. In beiden Fällen werden Sarkomere bzw. Myofilamente gebildet. Ohne Einbezug von Satellitenzellen ist aber das Muskelwachstum begrenzt.

3. Sowohl Muskelfasern als auch Satellitenzellen sind Muskelzellen. Muskelfasern sind vielkernig und nicht mehr teilungsfähig, Satellitenzellen einkernig und teilungsfähig.

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Hulk: Muskeln ohne Training! Wenn Bruce Banner wütend wird, dann wird er zum muskelbepackten Hulk. Würde er in seiner Wut nicht alles kurz und klein schlagen, wäre die Vorstellung, in jeder Situation über die passende Muskelmenge zu verfügen, verlockend. Wie viel Science steckt in dieser Vorstellung und wie viel Fiction? Eine Ursache für die Muskelpakete von Hulk liegt in dem Protein Myostatin, das auch bei jedem gewöhnlichen Menschen vorkommt. Myostatin ist ein Botenstoff, der neben anderen Botenstoffen wie dem IGF-1 das Wachstum von Muskelfasern beeinflusst. Die Abbildung gibt einen groben Überblick über die Wirkungsweise von Myostatin und IGF-1.

Stress

Testosteron

Follistatin

Regulatorische Proteine

IGF–1

Zellkern

mRNA

mRNA

Translation AktinMyosin

Transkription von Genen für Muskelproteine wie Aktin und Myosin

Membranrezeptor

Myostatin

Zellmembran

Abb.: Muskelwachstum und ihre Regulation durch Myostatin und IGF-1 1. Beschreiben Sie die Wirkung von IGF-1 und Myostatin auf das Muskelwachstum und

erläutern Sie deren Zusammenspiel. 2. Das Protein Follistatin kommt ebenfalls im Körper des Menschen vor. Inzwischen wird

Follistatin gentechnisch hergestellt und verkauft. Erklären Sie den Befund, dass das Protein Follistatin zu einem vermehrten Muskelwachstum führt.

3. Hulks Muskeln wachsen, wenn er gestresst und wütend wird. Setzen Sie dieses Phänomen in Bezug zu dem in der Abbildung dargestellten Wirkmechanismus.

1. IGF-1 steigert die Translation der mRNA von Aktin, Myosin und weiterer Muskelproteine. Damit kann mehr Muskelmasse gebildet werden. Myostatin beeinflusst die Muskelbildung auf zwei Wegen. Es hemmt (1) die fördernde IGF-1-Wirkung auf die Translation und (2) die Transkription der Gene für Aktin und Myosin.

2. Follistatin verhindert die Bindung von Myostatin an seinen Rezeptor und unterdrückt damit die hemmende Wirkung von Myostatin auf die Transkription von muskelbildenden Proteinen, sodass diese ungehindert gebildet werden können.

3. Nach der Grafik wird die Transkription von muskelbildenden Proteinen durch Stress gehemmt statt wie bei dem Hulk gesteigert.

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Muskeln wie der Hulk? Bruce Banner würde sein plötzliches, starkes Muskelwachstum gern rückgängig machen. Auch die medizinische Forschung beschäftigt sich mit der Regulation des Muskelwachstums – allerdings möchte man das Muskelwachstum fördern, um Patienten zu helfen, die an Muskelschwund leiden. Verschiedene Möglichkeiten werden diskutiert und teilweise erprobt.

Ansatz 1 ACE-031 ist ein künstlicher Myostatin-Rezeptor, der nicht wie der echte Rezeptor in der Zellmembran verankert ist, sondern frei im Blut treibt. Wegen festgestellter Nebenwirkungen wurde die Entwicklung 2013 eingestellt.

Myostatin

ACE-031

Myostatin-Rezeptor

Placebo (n=12)1 mg ACE-031 (n=5)3 mg ACE-031 (n=6)

Mus

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Fettm

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–429. Tag29. Tag15. Tag

Untersuchungstag 1a: Wirkung von ACE-031 auf Myostatin 1b: Zunahme der Muskelmasse von 1c: Wirkung von ACE-031 auf die Frauen am 29. Tag nach einmaliger Fettmasse der Studienteilnehmerinnen Einnahme von ACE-031

Ansatz 2 Das Gen, das für Myostatin kodiert, besteht aus drei Exons. Für eines dieser Exons wurde eine Art „Kappe“ aus Antisense-Oligonukleotiden entwickelt.

2: Passgenau: „Kappe“ aus

Antisense-Oligonukleotiden

Ansatz 3 Eine weitere Möglichkeit, Muskelschwund entgegenzuwirken, bietet die Gentherapie.

+ =

Zellkultur

Zellentnahme beim Patienten

Übertragung der gentechnisch veränderten Zellen in den Patienten

Zelle mit mutiertem Gen und unerwünschtem Genprodukt

Zugabe von Viren als Genfähren, die ein neues Gen in die Zelle einschleusen

Zelle mit eingebautem, neuen Gen und dem gewünschten Genprodukt

1. Fassen Sie gemeinsam mit einer Partnerin/einem Partner die Wirkungsweisen der drei

Ansätze in je einem Satz zusammen. 2. Bewerten Sie die methodischen Ansätze aus Sicht der Patienten. 1. Ansatz 1: Der künstliche Rezeptor ACE-031 fängt Myostatin ab, bevor es an den echten Rezeptor binden

kann, sodass die hemmende Wirkung auf das Muskelwachstum unterbleibt. Ansatz 2: Durch Abdeckung eines Exons wird die Transkription des Gens verhindert, sodass kein Myostatin gebildet wird. Ansatz 3: Es wird ein verändertes Myostatin-Gen eingeschleust, welches das das Muskelwachstum nicht hemmt.

2. Nur Ansatz 3 hat nachhaltige Wirkung. Bei 1 und 2 müssen die Patienten ihr Leben lang Medikamente einnehmen.

3: Gentherapie gegen Muskelschwund

DNA Antisense-Oligonukleotide

Exon 1

Exon 2

Exon 3

Exon 1

Exon

1

Exon 2

Exon 3

Exon 3Myostatin-Protein

keine Protein-Produktion

Myostatin-Gen

Oligo