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Forschungsgruppe Research Group Muskeldynamik Kleine Kraftpakete Muscle Dynamics Small Power Packs D r. F r a n k S c h n o r r e r E Dr. Frank Schnorrer [email protected] www.biochem.mpg.de/schnorrer Zeitraffer der Muskelbildung: In der Drosophila-Puppe bilden sich die Muskeln der erwachsenen Fliege aus runden Myoblasten, die zu Muskelfasern fusionieren. Zeitangabe in Stunden. Time lapse imaging of muscle formation: In the Drosophila pupa the muscles of the adult fly form from round myoblasts, which fuse into muscle fibers. Time specification in hours. ine Berühmtheit aus der Forschung zu treffen, ist zumindest im Sommer kein Problem: Die nur wenige Millimeter große Fruchtfliege wird von reifem Obst magisch angezogen. Drosophila melanogaster gehört aber auch zu den wichtigsten genetischen Modellorganismen. Im Labor von Frank Schnorrer spielt sie sogar die Hauptrolle. Den Biochemiker und seine Arbeitsgruppe „Muskeldynamik“ interessiert, wie sie ihre vielfältigen Verhaltensweisen ausführen kann. Die Tiere müssen als Larven kriechen und fressen, später nicht nur aus einem Kokon schlüpfen, sondern auch laufen, balzen, Nahrung aufnehmen – und nicht zuletzt auch fliegen können. Möglich macht dies ein komplexes Netz aus Muskeln, Sehnen und dem Außenskelett. In der Fruchtfliege lässt sich im Detail verfolgen, wie sich Muskeln an der richtigen Stelle im Körper entwickeln und auf ihre korrekte Größe anwachsen. Bildgebende Verfahren zeigen dabei die Muskeldynamik im Zeitraffer – und dies im lebenden Tier. Am Anfang steht die Fusion von Myoblasten. Das sind undifferenzierte Vorläuferzellen der Muskelfasern, aus deren Vereinigung mehrkernige Myotuben entstehen. Diese wiederum wandern zu ihrem Zielort und verbinden sich M eeting a celebrity from the world of research is not difficult, at least in summer: The fruit fly – merely a few millimeters long – is magically attracted to overripe fruit. Moreover, Drosophila melanogaster belongs to one of the most important genetic model organisms. In the laboratory of Frank Schnorrer it even plays the starring role. The biochemist and his research group “Muscle Dynamics” are interested in how the fruit fly is able to perform its multifaceted kinds of behavior. As larvae the animals must crawl and eat, later they not only have to slip out of the pupa, but also run, mate, take in food – and last but not least they must also fly. This is made possible by a complex network of muscles, tendons and the exterior skeleton. In the fruit fly researchers are able to observe in detail how the muscles develop at the right place in the body and then grow to their correct size. Imaging procedures show the muscle dynamics in time lapse – and this in the living animal. At the beginning the undifferentiated precursor cells of muscle fibers – the myoblasts – fuse together, allowing them to form multinuclear myotubes. These in turn migrate to their target site and bind there with cells of the tendons to become the Ein genetisches Programm ist für die Entwicklung verschiedener Muskelzellen der Taufliege verantwortlich (Flugmuskeln in blau, Beinmuskeln in grün). A genetic program is responsible for the development of different muscle cells in the fruit fly (flight muscles in blue, muscles of the leg in green). dort mit Zellen der Sehnen zum Außenskelett. Die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen dieses Prozesses werden mit Hilfe genetischer Methoden entschlüsselt. So konnte Schnorrer im Drosophila-Embryo einen wichtigen Faktor identifizieren, der bei der Zielsuche der Myotuben eine entscheidende Rolle spielt. Kon-tiki sitzt in der Spitze der Myobtuben, die mit Hilfe dieses Proteins die Sehnenzellen erkennen und stabil an sie binden. Erst nach diesem Schritt bilden sich ausdifferenzierte Muskelzellen, in denen sich Sarkomere entwickeln. Das sind die kleinsten funktionalen Einheiten des Muskels, die wie Minimaschinen die Muskeln kontrahieren können. Schnorrer und sein Team versuchen nun, die Gesamtheit der molekularen Faktoren zu identifizieren, die die verschiedenen Muskeltypen in der Fliege bilden. Drosophila-Flügel schlagen mit hoher Kraft 200 Mal pro Sekunde. Für diese sehr schnellen Kontraktionen sind hochspezialisierte Flugmuskeln notwendig, deren Bildung die Forscher per High-Tech-Mikroskopie in der lebenden FliegenPuppe verfolgen. Ein molekularbiologischer Ansatz erlaubte vor kurzem die Identifizierung des entscheidenden Genschalters für Entwicklung dieser speziellen Flugmuskeln: das Gen „Spalt“. Wird „Spalt“ in den Muskeln ausgeschaltet, sind die Tiere zwar lebensfähig, können aber nicht mehr fliegen. external skeleton. The researchers use genetic methods to decipher the underlying molecular mechanisms of this process. Thus, Schnorrer was able to identify an important factor in the Drosophila embryo which plays a decisive role in the target site search of the myotubes. Kon-tiki is located at the tip of the myotubes and is important for recognition of the tendon cells by the myotubes. It is not until after this step that the differentiated muscle cells form, in which sarcomeres develop. These are the smallest functional units of the muscle, which like mini-machines can contract the muscles. Schnorrer and his team are now attempting to identify all of the molecular factors that build the different muscle types of the fly. Drosophila flaps its wings 200 times per second at high mechanical power. These fast contractions require highly specialized flight muscles, whose formation is followed by the scientists with high-tech microscopy in living pupae. Recently, a molecular biology approach enabled the identification of the crucial geneswitch for fast flight muscles: the gene “Spalt”. When “Spalt” is inactivated in flight muscle, the animals are viable but can no longer fly. 52 | 53 Dr. Frank Schnorrer 1999 - 2002 PhD in Biology at the MPI for Developmental Biology, Tübingen 2003 - 2007 Postdoctoral fellow at the Research Institute of Molecular Pathology (IMP), Vienna since 2008 Research Group Leader at the MPI of Biochemistry In 2009, Frank Schnorrer received the “Career Development Award” of the international research program “Human Frontier Science Program (HFSP)“. In 2012, Frank Schnorrer was elected as an EMBO Young Investigator. Selected Publications Schönbauer C., Distler J., Jährling N., Radolf M., Dodt HU., Frasch M. and Schnorrer F. (2011). “Spalt mediates an evolutionary conserved switch to fibrillar muscle fate in insects.” Nature, 479, 406-9 Schnorrer F., Schönbauer C., Langer CCH., Dietzl G., Novatchkova M., Schernhuber K., Fellner M., Azaryan A., Radolf M., Stark A., Keleman K., and Dickson BJ. (2010). “Systematic genetic analysis of muscle morphogenesis and function in Drosophila.” Nature, 464, 287-91. Schnorrer F., Kalchhauser I. and Dickson BJ.(2007). “The transmembrane protein Kon-tiki couples to Dgrip to mediate myotube targeting in Drosophila.” Dev Cell 12, 751-66.