310 roestvrijstalen capillaire spoelbuis chemische component, de rol van dystrofine-glycoproteïnecomplexen in de mechanotransductie van spiercellen

Bedankt voor uw bezoek aan Nature.com.U gebruikt een browserversie met beperkte CSS-ondersteuning.Voor de beste ervaring raden wij u aan een bijgewerkte browser te gebruiken (of de compatibiliteitsmodus in Internet Explorer uit te schakelen).Om voortdurende ondersteuning te garanderen, tonen we de site bovendien zonder stijlen en JavaScript.
Sliders met drie artikelen per dia.Gebruik de knoppen Vorige en Volgende om door de dia's te bladeren, of de knoppen op de schuifregelaar aan het einde om door elke dia te bladeren.

310 Leveranciers van roestvrijstalen capillaire spiraalbuizen

Dystrofine is het belangrijkste eiwit van het dystrofine-glycoproteïnecomplex (DGC) in skeletspieren en hartspiercellen.Dystrofine bindt het actine-cytoskelet aan de extracellulaire matrix (ECM).Het verbreken van de verbinding tussen de extracellulaire matrix en het intracellulaire cytoskelet kan verwoestende gevolgen hebben voor de homeostase van skeletspiercellen, wat kan leiden tot een aantal spierdystrofieën.Bovendien leidt verlies van functionele DGC's tot progressieve gedilateerde cardiomyopathie en voortijdige sterfte.Dystrofine fungeert als een moleculaire veer en DHA speelt een sleutelrol bij het handhaven van de integriteit van het sarcolemma.Bovendien stapelt het bewijsmateriaal zich op dat DGC koppelt aan mechanistische signalering, hoewel deze rol nog steeds slecht wordt begrepen.Dit overzichtsartikel heeft tot doel een modern beeld te geven van DGC's en hun rol in mechanotransductie.We bespreken eerst de complexe relatie tussen de mechanica en functie van spiercellen, en bespreken vervolgens recent onderzoek naar de rol van het dystrofine-glycoproteïnecomplex in mechanotransductie en het behoud van de biomechanische integriteit van spiercellen.Ten slotte bekijken we de huidige literatuur om te begrijpen hoe DGC-signalering kruist met mechanosignaleringsroutes om potentiële toekomstige interventiepunten te benadrukken, met een bijzondere focus op cardiomyopathie.
Cellen communiceren voortdurend met hun micro-omgeving, en een tweerichtingsdialoog tussen hen is noodzakelijk voor de interpretatie en integratie van biomechanische informatie.Biomechanica controleert belangrijke daaropvolgende gebeurtenissen (bijv. herschikkingen van het cytoskelet) door het algehele cellulaire fenotype in ruimte en tijd te controleren.Centraal in dit proces in hartspiercellen staat het ribbengebied, het gebied waar het sarcolemma verbinding maakt met een sarcomeer dat bestaat uit integrine-taline-vinculine- en dystrofine-glycoproteïne (DGC)-complexen.Gehecht aan het intracellulaire cytoskelet, propageren deze discrete focale adhesies (FA's) een cascade van biomechanische en biochemische cellulaire veranderingen die differentiatie, proliferatie, organogenese, migratie, ziekteprogressie en meer controleren.De omzetting van biomechanische krachten in biochemische en/of (epi)genetische veranderingen staat bekend als mechanotransductie1.
Het is al lang bekend dat de integrine-transmembraanreceptor 2 de extracellulaire matrix in cellen verankert en zowel interne als externe signalering bemiddelt.Parallel met integrines binden DGC's de ECM aan het cytoskelet, waardoor een kritische link ontstaat tussen de buitenkant en de binnenkant van de cel.Dystrofine van volledige lengte (Dp427) komt voornamelijk tot expressie in de hart- en skeletspieren, maar wordt ook waargenomen in weefsels van het centrale zenuwstelsel, waaronder het netvlies en Purkinje-weefsel4.Er wordt aangenomen dat mutaties in integrines en DGC de oorzaken zijn van spierdystrofie en progressieve gedilateerde cardiomyopathie (DCM) (Tabel 1)5,6.In het bijzonder veroorzaken DMD-mutaties die coderen voor het centrale dystrofine-eiwit DGC's Duchenne-spierdystrofie (DMD)7.DGC bestaat uit verschillende subcomplexen, waaronder α- en β-dystroglycan (α/β-DG), sarcoglycan-sarcospan, syntrofine en dystrofine8.
Dystrofine is een cytoskeleteiwit dat wordt gecodeerd door DMD (Xp21.1-Xp22) en dat een centrale rol speelt bij het in stand houden van DGC.DGC handhaaft de integriteit van het sarcolemma, het plasmamembraan van dwarsgestreept spierweefsel.Dystrofine verzwakt de schade veroorzaakt door contractie verder door te fungeren als een moleculaire veer en een moleculair schavot9,10.Dystrofine van volledige lengte heeft een molecuulgewicht van 427 kDa, maar vanwege de vele interne promoters in DMD zijn er verschillende natuurlijk voorkomende afgeknotte isovormen, waaronder Dp7111.
Er is aangetoond dat aanvullende eiwitten gelokaliseerd zijn in dystrofine, inclusief echte mechanotransducers zoals neuronale stikstofoxidesynthase (nNOS), Yes-geassocieerd eiwit (YAP) en caveolin-3, en vertegenwoordigen dus belangrijke componenten van cellulaire signalering.Verbindingen 12, 13, 14. Naast adhesie, een cellulair mechanisme dat geassocieerd is met interacties tussen cellen en de matrix, gevormd door integrinen en hun stroomafwaartse doelwitten, vertegenwoordigen deze twee complexen het grensvlak tussen de ‘binnenkant’ en ‘buitenkant’ van de cel .Het beschermen van deze focale verklevingen tegen abnormale vernietiging is van cruciaal belang voor het celgedrag en de overleving.Bovendien ondersteunen gegevens dat dystrofine een modulator is van mechanosensitieve ionkanalen, waaronder door rek geactiveerde kanalen, vooral L-type Ca2+-kanalen en TRPC 15-kanalen.
Hoewel dystrofine belangrijk is voor de homeostatische functie van dwarsgestreepte spiercellen, zijn de precieze ondersteunende mechanismen minder duidelijk, vooral de rol van dystrofine en zijn vermogen om te fungeren als mechanosensor en mechanische beschermer.Als gevolg van het verlies van dystrofine zijn er verschillende onbeantwoorde vragen gerezen, waaronder: zijn mechanosensitieve eiwitten zoals YAP en AMPK verkeerd gelokaliseerd in het sarcolemma;Is er sprake van overspraak met integrines, omstandigheden die kunnen leiden tot abnormale mechanotransductie?Al deze kenmerken kunnen bijdragen aan het ernstige DCM-fenotype dat wordt waargenomen bij patiënten met DMD.
Bovendien heeft de associatie van veranderingen in de cellulaire biomechanica met het algehele DMD-fenotype belangrijke klinische implicaties.DMD is een X-gebonden spierdystrofie die 1:3500-5000 mannen treft, gekenmerkt door vroeg verlies van mobiliteit (<5 jaar) en progressieve DCM met een significant slechtere prognose dan DCM van andere etiologieën16,17,18.
De biomechanica van dystrofineverlies is nog niet volledig beschreven, en hier bespreken we het bewijsmateriaal dat het idee ondersteunt dat dystrofine inderdaad een mechanoprotectieve rol speelt, dwz de integriteit van het sarcolemma handhaaft, en van cruciaal belang is bij mechanotransductie.Daarnaast hebben we het bewijsmateriaal beoordeeld dat wijst op belangrijke overspraak met integrines, met name de binding van laminine α7β1D in dwarsgestreepte spiercellen.
Inserties en deleties zijn verantwoordelijk voor een groot aantal mutaties bij DMD, waarbij 72% van de mutaties door dergelijke mutaties wordt veroorzaakt19.Klinisch manifesteert DMD zich in de kindertijd (≤5 jaar) met hypotensie, positief teken van Gower, vertraagde progressie van leeftijdsgebonden veranderingen, mentale retardatie en skeletspieratrofie.Ademhalingsproblemen zijn van oudsher de belangrijkste doodsoorzaak bij DMD-patiënten, maar verbeterde ondersteunende zorg (corticosteroïden, continue positieve luchtwegdruk) heeft de levensverwachting bij deze patiënten verhoogd, en de mediane leeftijd van DMD-patiënten geboren na 1990 is 28,1 jaar20,21 ..Naarmate de overleving van de patiënt toeneemt, is de prognose van progressieve DCM echter aanzienlijk slechter vergeleken met andere cardiomyopathieën16, wat leidt tot hartfalen in het eindstadium, dat momenteel de belangrijkste doodsoorzaak is en verantwoordelijk is voor ongeveer 50% van de sterfgevallen door DMD17,18.
Progressieve DCM wordt gekenmerkt door verhoogde dilatatie en compliantie van het linkerventrikel, dunner worden van het ventrikel, verhoogde infiltratie van fibrovet, verminderde systolische functie en verhoogde frequentie van aritmieën.De mate van DCM bij patiënten met DMD is vrijwel universeel in de late adolescentie (90% tot 18 jaar), maar is bij ongeveer 59% van de patiënten aanwezig op de leeftijd van 10 jaar8,22.Het aanpakken van dit probleem is van cruciaal belang, aangezien de ejectiefractie van de linkerventrikel gestaag afneemt met een snelheid van 1,6% per jaar23.
Hartritmestoornissen komen vaak voor bij patiënten met DMD, vooral sinustachycardie en ventriculaire tachycardie, en zijn de oorzaak van plotselinge hartdood22.Aritmieën zijn het resultaat van fibrovet-infiltratie, vooral in de subbasale linkerventrikel, wat het retourcircuit schaadt, evenals [Ca2+]i-verwerkingsstoornissen en ionkanaalstoornissen24,25.Herkenning van de klinische cardiale presentatie is van cruciaal belang, omdat vroege behandelingsstrategieën het begin van ernstige DCM kunnen vertragen.
Het belang van de behandeling van hartdisfunctie en skeletspiermorbiditeit wordt aangetoond in een interessant onderzoek waarbij een muismodel van DMD, mdx26 genaamd, werd gebruikt om de effecten van het verbeteren van skeletspierweefsel te bestuderen zonder de onderliggende hartproblemen bij DMD aan te pakken.Hier demonstreerden de auteurs een paradoxale vijfvoudige toename van hartdisfunctie na verbetering van de skeletspieren, en muizen hadden een significante vermindering van de ejectiefractie26.Verbeterde skeletspierfunctie zorgt ervoor dat hogere fysieke activiteit het myocardium meer belast, waardoor het gevoeliger wordt voor algemene disfunctie.Dit onderstreept het belang van de behandeling van DMD-patiënten in het algemeen en waarschuwt tegen alleen skeletspiertherapie.
DGC's vervullen verschillende extra functies, namelijk het bieden van structurele stabiliteit aan het sarcolemma, worden een moleculaire scaffold die fungeert als een signaalverbinding, reguleren mechanosensitieve ionkanalen, de kern van costale mechanotransductie, en nemen deel aan de overdracht van laterale kracht in het gebied van de sarcolemma. ribben (Fig. 1b)..Dystrofine speelt een centrale rol in dit vermogen, en vanwege de aanwezigheid van veel interne promoters zijn er verschillende isovormen, die elk een andere rol spelen in verschillende weefsels.Differentiële weefselexpressie van verschillende dystrofine-isovormen ondersteunt het idee dat elke isovorm een ​​andere rol speelt.Hartweefsel brengt bijvoorbeeld de volledige lengte (Dp427m) tot expressie, evenals de kortere Dp71m-isovorm van dystrofine, terwijl skeletweefsel alleen de eerste van de twee tot expressie brengt.Observatie van de rol van elk subtype kan niet alleen de fysiologische functie ervan onthullen, maar ook de pathogenese van spierdystrofie.
Schematische weergave van dystrofine over de volledige lengte (Dp427m) en de kleinere, afgeknotte Dp71-isovorm.Dystrofine heeft 24 spectrineherhalingen gescheiden door vier lussen, evenals een actinebindend domein (ABD), een cysteïnerijk (CR) domein en een C-terminus (CT).Er zijn belangrijke bindingspartners geïdentificeerd, waaronder microtubuli (MT's) en het sarcolemma.Er zijn veel isovormen van Dp71, Dp71m verwijst naar het spierweefsel en Dp71b verwijst naar de isovorm van het zenuwweefsel.In het bijzonder verwijst Dp71f naar de cytoplasmatische isovorm van neuronen.b Het dystrofine-glycoproteïnecomplex (DHA) bevindt zich in het geheel van het sarcolemma.Biomechanische krachten schakelen tussen ECM en F-actine.Let op mogelijke overspraak tussen DGC's en integrineadhesie; Dp71 kan een rol spelen bij focale adhesies.Gemaakt met Biorender.com.
DMD is de meest voorkomende spierdystrofie en wordt veroorzaakt door mutaties in DMD.Om ons huidige begrip van de rol van antidystrofine echter ten volle te kunnen waarderen, is het belangrijk om dit in de context van DGC als geheel te plaatsen.De andere samenstellende eiwitten zullen dus kort worden beschreven.De eiwitsamenstelling van DGC werd eind jaren tachtig bestudeerd, met bijzondere aandacht voor dystrofine.Koenig27,28, Hoffman29 en Ervasti30 deden een belangrijke ontdekking door dystrofine te identificeren, een eiwit van 427 kDa in dwarsgestreepte spieren31.
Vervolgens werd aangetoond dat andere subcomplexen geassocieerd zijn met dystrofine, waaronder sarcoglycan, transsyn, dystrofine-subcomplex, dysbrevin en syntrofines8, die samen het huidige DGC-model vormen.In deze sectie wordt eerst het bewijsmateriaal voor de rol van de DGC in mechanosensorische perceptie verspreid, terwijl de afzonderlijke componenten in detail worden onderzocht.
De dystrofine-isovorm met de volledige lengte die aanwezig is in dwarsgestreept spierweefsel is Dp427m (bijv. “m” voor spier om het te onderscheiden van de hersenen) en is een groot staafvormig eiwit met vier functionele domeinen die zich onder het cardiomyocytsarcolemma bevinden, vooral in de ribbenstreek. 29, 32. Dp427m, gecodeerd door het DMD-gen op Xp21.1, bestaat uit 79 exons gegenereerd op 2,2 megabasen en is dus het grootste gen in ons genoom8.
Verschillende interne promoters bij DMD produceren meerdere afgeknotte dystrofine-isovormen, waarvan sommige weefselspecifiek zijn.Vergeleken met Dp427m is Dp71m aanzienlijk ingekort en mist het een spectrine-herhalingsdomein of een N-terminaal ABD-domein.Dp71m behoudt echter de C-terminale bindingsstructuur.In hartspiercellen is de rol van Dp71m onduidelijk, maar er is aangetoond dat het zich in T-tubuli lokaliseert, wat erop wijst dat het kan helpen bij het reguleren van de excitatie-contractiekoppeling33,34,35.Voor zover wij weten heeft de recente ontdekking van Dp71m in hartweefsel weinig aandacht gekregen, maar sommige onderzoeken suggereren dat het verband houdt met door rek geactiveerde ionkanalen, en Masubuchi suggereerde dat het een rol zou kunnen spelen bij de regulatie van nNOS33., 36. Door dit te doen heeft Dp71 veel aandacht gekregen in neurofysiologie en bloedplaatjesonderzoek, gebieden die inzicht kunnen verschaffen in een rol in hartspiercellen37,38,39.
In zenuwweefsel komt de isovorm Dp71b voornamelijk tot expressie, waarbij 14 isovormen worden gerapporteerd38.Er is aangetoond dat de verwijdering van Dp71b, een belangrijke regulator van aquaporine 4- en Kir4.1-kaliumkanalen in het centrale zenuwstelsel, de permeabiliteit van de bloed-hersenbarrière verandert40.Gezien de rol van Dp71b bij de regulering van ionkanalen, zou Dp71m een ​​vergelijkbare rol kunnen spelen in hartspiercellen.
De aanwezigheid van DGC in de costale ganglia duidt onmiddellijk op een rol bij mechanotransductie, en er is inderdaad aangetoond dat het co-lokaliseert met integrine-taline-vinculinecomplexen 41 .Bovendien benadrukt de lokalisatie van Dp427m hier, aangezien het ribbensegment een focus is voor transversale mechanotransductie, zijn rol bij het beschermen van cellen tegen schade veroorzaakt door contractie.Verder interageert Dp427m met actine en het cytoskelet van de microtubuli, waardoor de verbinding tussen de intracellulaire omgeving en de extracellulaire matrix wordt voltooid.
Het N-uiteinde dat actine-bindend domein 1 (ABD1) bevat, bestaat uit twee calmoduline-homologiedomeinen (CH) die nodig zijn voor interactie met F-actine en het verankeren van de γ-actine-isovorm aan het sarcolemma .Dystrofine kan bijdragen aan de algehele visco-elasticiteit van hartspiercellen door zich te hechten aan het subsarcolemmale cytoskelet, en de lokalisatie ervan in de costale ganglia ondersteunt de betrokkenheid ervan bij mechanotransductie en mechanoprotectie.
Het centrale kerndomein bestaat uit 24 spectrine-achtige herhalende eiwitten, die elk ongeveer 100 aminozuurresiduen lang zijn.De spectrineherhalingen worden afgewisseld met vier scharnierdomeinen, waardoor het eiwit flexibiliteit en een hoge mate van uitbreidbaarheid krijgt.Dystrofinespectrineherhalingen kunnen zich ontvouwen binnen een fysiologisch krachtenbereik (15-30 pN) dat zich uitstrekt van 21 nm tot 84 nm, krachten die haalbaar zijn voor myosinecontractie 46 .Deze kenmerken van het spectrine-herhalingsdomein maken het mogelijk dat dystrofine werkt als een moleculaire schokdemper.
De centrale staaf van Dp427m zorgt voor de lokalisatie ervan in het sarcolemma, met name door hydrofobe en elektrostatische interacties met fosfatidylserine 47,48.Interessant is dat de centrale kern van dystrofine op een andere manier interageert met sarcolemma-fosfolipiden in skelet- en hartweefsel, wat mogelijk verschillende veerpatronen weerspiegelt.van cruciaal belang, terwijl skeletspieren ook in verband worden gebracht met R10-R1249.
Binding aan het γ-actine-cytoskelet vereist het ABD2-spectrineherhalingsgebied 11-17, dat bestaat uit basische aminozuurresiduen en verschilt van het F-actine-bindende CH-domein.Microtubuli hebben een directe interactie met het kerndomein van dystrofine. Deze interactie vereist residuen van spectrineherhalingen 4-15 en 20-23, en de aanwezigheid van ankyrine B is vereist om de vorming van microtubuli op deze plaats te voorkomen.Buizen ontbreken 50,51,52.Er is aangetoond dat een kloof tussen microtubuli en dystrofine de DMD-pathologie verergert door de toename van reactieve zuurstofsoorten (X-ROS).
Het CR-domein via ankyrine B is een ander anker voor sarcolemmale fosfolipiden52.Ankyrin-B en ankyrin-G zijn vereist voor lokalisatie van dystrofine/DGC in de rib, en hun afwezigheid resulteert in een diffuus sarcolemmaal patroon van DGC52.
Het CR-domein bevat een WW-bindend domein dat rechtstreeks interageert met het PPxY-bindende motief van β-DG.Door zich te hechten aan het dystrofine-glycaancomplex voltooit dystrofine de verbinding tussen de binnenkant en de buitenkant van de cel54.Deze verbinding is van cruciaal belang voor dwarsgestreepte spieren, zoals blijkt uit het feit dat verstoring van de verbinding tussen de ECM en het inwendige van de cel leidt tot levensbeperkende spierdystrofie.
Ten slotte is het CT-domein een sterk geconserveerd gebied dat een opgerolde helix vormt en cruciaal is voor binding aan α-dystrobrevin en α1-,β1-syntrofines.α-dystrobrevin bindt zich aan het CT-domein van dystrofine en zorgt voor extra resistentie tegen dystrofine in het sarcolemma57.
Tijdens de embryonale en foetale ontwikkeling wordt Utrofine op grote schaal tot expressie gebracht in verschillende weefsels, waaronder endotheelcellen, zenuwweefsel en dwarsgestreept spierweefsel58.Utrofine wordt tot expressie gebracht door UTRN, gelegen op chromosoom 6q, en is een dystrofine-autoloog met 80% eiwithomologie.Tijdens de ontwikkeling is utrofine gelokaliseerd in het sarcolemma, maar wordt het duidelijk onderdrukt in het postnatale dwarsgestreepte spierweefsel, waar het wordt vervangen door dystrofine.Na de geboorte is de lokalisatie van utrofine beperkt tot pezen en neuromusculaire verbindingen van skeletspieren58,59.
Utrofine-bindende partners zijn in grote lijnen vergelijkbaar met die van dystrofines, hoewel er enkele belangrijke verschillen zijn beschreven.Dystrofine interageert bijvoorbeeld met β-DG via zijn WW-domein, dat wordt gestabiliseerd door het ZZ-domein (genoemd naar zijn vermogen om twee zinkionen te binden) binnen zijn CT-regio, waar cysteïnezuurresiduen 3307-3354 vooral belangrijk zijn voor deze interactie60 ., 61. Utrofine bindt ook aan β-DG via het WW/ZZ-domein, maar de exacte residuen die deze interactie ondersteunen verschillen van dystrofine-residuen (3307-3345 in dystrofine en 3064-3102 in utrofine) 60,61.Belangrijk is dat de binding van utrofine aan β-DG ongeveer twee keer lager was vergeleken met dystrofine 61. Er is gerapporteerd dat dystrofine aan F-actine bindt via spectrineherhalingen 11-17, terwijl vergelijkbare plaatsen in utrofine niet aan F-actine kunnen binden, zelfs niet bij hoge concentraties, maar kunnen interageren via hun CH-domeinen.Actie 62,63,64.Ten slotte kan utrofine, in tegenstelling tot dystrofine, niet binden aan microtubuli51.
Biomechanisch gezien hebben herhalingen van utrofinespectrine een duidelijk ontvouwingspatroon vergeleken met dystrofine65.Utrofine-spectrine herhaalt de inzet bij hogere krachten, vergelijkbaar met titine maar niet met dystrofine65.Dit komt overeen met de lokalisatie en rol ervan bij de overdracht van stijve elastische kracht op peesverbindingen, maar kan utrofine minder geschikt maken om als moleculaire veer te fungeren bij bufferende krachten die worden veroorzaakt door contractie 65 .Alles bij elkaar suggereren deze gegevens dat de mogelijkheden van mechanotransductie en mechanobuffering kunnen worden gewijzigd in de aanwezigheid van overexpressie van utrofine, vooral gezien de verschillende bindingspartners/mechanismen, maar dit vereist verder experimenteel onderzoek.
Vanuit functioneel oogpunt maakt het feit dat wordt aangenomen dat utrofine vergelijkbare effecten heeft als dystrofine, het een potentieel behandeldoel voor DMD66,67.Het is zelfs aangetoond dat sommige DMD-patiënten utrofine tot overexpressie brengen, mogelijk als compensatiemechanisme, en het fenotype is met succes hersteld in een muismodel met overexpressie van utrofine 68 .Hoewel opregulatie van utrofine een waarschijnlijke therapeutische strategie is, maakt de overweging van het formele en functionele verschil tussen utrofine en dystrofine en het nut van het induceren van deze overexpressie met de juiste lokalisatie langs het sarcolemma de langetermijnstrategie van utrofine nog steeds onduidelijk.Met name vrouwelijke dragers vertonen een mozaïekpatroon van utrofine-expressie, en de verhouding tussen dystrofine en utrofine kan de mate van gedilateerde cardiomyopathie bij deze patiënten beïnvloeden,69 hoewel muizenmodellen van dragers dit hebben aangetoond..
Het dystroglycan-subcomplex bestaat uit twee eiwitten, α- en β-dystroglycan (α-, β-DG), beide getranscribeerd vanuit het DAG1-gen en vervolgens post-translationeel gesplitst in twee samenstellende eiwitten 71 .α-DG is sterk geglycosyleerd in het extracellulaire aspect van DGC's en interageert rechtstreeks met prolineresiduen in laminine α2, evenals met agrin72 en picaculin73 en het CT/CR-gebied van dystrofine73,74,75,76.O-gekoppelde glycosylering, vooral van serineresiduen, is vereist voor de interactie met de ECM.De glycosylatieroute omvat veel enzymen waarvan de mutaties leiden tot spierdystrofie (zie ook Tabel 1).Deze omvatten het O-mannosyltransferase POMT2, fucutine en fucutine-gerelateerd eiwit (FKRP), twee ribitolfosfotransferasen die tandem ribitolfosfaten toevoegen aan de kernglycaan, en het LARGE1-eiwit dat xylose en glucose toevoegt.Lineair uronzuurpolysacharide, ook bekend als de matrixglycaan aan het uiteinde van de glycaan77.FKRP is ook betrokken bij de ontwikkeling en het onderhoud van de ECM, en mutaties daarin leiden tot verminderde expressie van laminine α2 en α-DG77,78,79.Bovendien kan FKRP ook de vorming van de basale lamina en de extracellulaire matrix van het hart sturen via geglycosyleerd fibronectine 80.
β-DG bevat een PPxY-bindend motief dat YAP12 direct lokaliseert en sekwestreert.Dit is een interessante bevinding omdat het impliceert dat DGC de celcyclus van hartspiercellen reguleert.α-DH in neonatale hartspiercellen interageert met agrine, wat hartregeneratie en DGC76-lyse bevordert als gevolg van celrijping.Naarmate hartspiercellen volwassen worden, neemt de aggrine-expressie af ten gunste van laminine, waarvan wordt aangenomen dat het bijdraagt ​​aan het stoppen van de celcyclus76.Morikawa12 toonde aan dat een dubbele knockdown van dystrofine en salvador, een negatieve regulator van YAP, leidt tot hyperproliferatie van hartspiercellen in de pens die het infarct veroorzaakt.Dit leidde tot het opwindende idee dat YAP-manipulatie van klinische waarde zou kunnen zijn bij het voorkomen van weefselverlies na een hartinfarct.Aldus zou door agrine geïnduceerde DGC-lyse een as kunnen vertegenwoordigen die YAP-activering mogelijk maakt en een potentiële route is voor hartregeneratie.
Mechanisch gezien zijn α- en β-DG nodig om de interactie tussen het sarcolemma en de basale laag in stand te houden 81 .Zowel α-DG- als α7-integrines dragen bij aan het genereren van kracht in het costale ganglion, en het verlies van α-DG veroorzaakt scheiding van het sarcolemma van de basale lamina, waardoor skeletspierweefsel kwetsbaar blijft voor door contractie veroorzaakte schade.Zoals eerder beschreven reguleert het dystroglycaancomplex de algehele omzet van DGC's, waarbij binding aan verwante ligand laminine resulteert in tyrosinefosforylering van het PPPY-bindende motief van β-DG892.Tyrosinefosforylering bevordert hier de demontage van dystrofine, waardoor het DGC-complex wordt omgedraaid.Fysiologisch gezien is dit proces sterk gereguleerd, wat afwezig is bij spierdystrofie82, hoewel de onderliggende mechanismen die dit proces controleren niet volledig worden begrepen.
Er is aangetoond dat cyclische rek de ERK1/2- en AMPK-routes activeert via het dystrofinecomplex en het verwante eiwit plectine83.Samen zijn plectine en dystroglycan niet alleen nodig om als platform te fungeren, maar ook om deel te nemen aan mechanotransductie, en het uitschakelen van plectine leidt tot een afname van de activiteit van ERK1/2 en AMPK83.Plectine bindt zich ook aan desmine van de intermediaire filamenten in het cytoskelet, en er is aangetoond dat overexpressie van desmine het ziektefenotype verbetert bij mdx:desmin- en mdx-muizen, een DMD84-muismodel met dubbele knock-out.Door interactie met β-DG bindt plectine DGC indirect aan deze component van het cytoskelet.Bovendien interageert dystroglycan met groeifactorreceptorbindend eiwit 2 (Grb2), waarvan bekend is dat het betrokken is bij herschikkingen van het cytoskelet85.Er is aangetoond dat Ras-activering door integrine wordt gemedieerd via Grb2, wat een potentiële route kan bieden voor overspraak tussen integrinen en DGC86.
Mutaties in de genen die betrokken zijn bij α-DH-glycosylatie leiden tot de zogenaamde spierdystrofie.Dystroglycanopathieën vertonen klinische heterogeniteit, maar worden voornamelijk veroorzaakt door een verstoring van de interactie tussen α-DG en laminine α277.Dystrofiglicanosen veroorzaakt door primaire mutaties in DAG1 zijn over het algemeen uiterst zeldzaam, waarschijnlijk omdat ze embryonaal dodelijk zijn87, wat de noodzaak van cellulaire associatie met ECM bevestigt.Dit betekent dat de meeste dystrofische glycaanziekten worden veroorzaakt door secundaire eiwitmutaties die verband houden met glycosylatie.Mutaties in POMT1 veroorzaken bijvoorbeeld het extreem ernstige Walker-Warburg-syndroom, dat wordt gekenmerkt door anencefalie en een aanzienlijk kortere levensverwachting (minder dan 3 jaar)88.FKRP-mutaties manifesteren zich echter voornamelijk als limb-girdle-spierdystrofie (LGMD), die meestal (maar niet altijd) relatief mild is.Er is echter aangetoond dat mutaties in FKRP een zeldzame oorzaak van WWS89 zijn.Er zijn veel mutaties geïdentificeerd in FKRP, waarvan de oprichter-mutatie (c.826>A) meestal LGMD2I90 veroorzaakt.
LGMD2I is een relatief milde spierdystrofie waarvan de pathogenese gebaseerd is op verstoring van de verbinding tussen de extracellulaire matrix en het intracellulaire cytoskelet.Minder duidelijk is de relatie tussen genotype en fenotype bij patiënten met mutaties in deze genen, en dit concept is inderdaad toepasbaar op andere DSC-eiwitten.Waarom vertonen sommige patiënten met FKRP-mutaties een ziektefenotype dat consistent is met WWS, terwijl anderen LGMD2I hebben?Het antwoord op deze vraag kan liggen in i) welke stap van de glycosylatieroute wordt beïnvloed door de mutatie, of ii) de mate van hypoglycosylatie bij een bepaalde stap.Hypoglycosylatie van α-DG kan nog steeds enige mate van interactie met de ECM mogelijk maken, wat resulteert in een milder algemeen fenotype, terwijl dissociatie van het basaalmembraan de ernst van het ziektefenotype verhoogt.Patiënten met LGMD2I ontwikkelen ook DCM, hoewel dit minder gedocumenteerd is dan DMD, wat de urgentie motiveert om deze mutaties in de context van hartspiercellen te begrijpen.
Het sarcospan-sarcoglycan-subcomplex bevordert de vorming van DHA en interageert rechtstreeks met β-DH.Er zijn vier unidirectionele sarcoglycanen in hartweefsel: α, β, γ en δ91.Onlangs is beschreven dat een c.218C>T missense-mutatie in exon 3 van het SGCA-gen en een gedeeltelijke heterozygote deletie in exons 7-8 LGMD2D92 veroorzaken.In dit geval hebben de auteurs het cardiale fenotype echter niet geëvalueerd.
Andere groepen hebben ontdekt dat SGCD in varkens- en muismodellen resulteert in verminderde eiwitexpressie in het sarcoglycan-subcomplex, waardoor de algehele structuur van DGC's wordt verstoord en tot DCM wordt geleid.Bovendien werd gemeld dat 19% van alle patiënten met SGCA-, SGCB- of SGCG-mutaties gedilateerde cardiomyopathie hadden, en dat 25% van alle patiënten ook ademhalingsondersteuning nodig had95.
Recessieve mutaties in sarcoglycaan (SG) δ resulteren in een vermindering of volledige afwezigheid van sarcoglycaancomplexen en dus DGC in hartweefsel en zijn verantwoordelijk voor LGMD en de bijbehorende DCM96.Interessant is dat dominant-negatieve mutaties in SG-δ specifiek zijn voor het cardiovasculaire systeem en de oorzaak zijn van familiale gedilateerde cardiomyopathie97.Van de dominant-negatieve mutaties SG-δ R97Q en R71T is aangetoond dat ze stabiel tot expressie worden gebracht in hartspiercellen van ratten zonder significante verslechtering van de totale DGC98.Hartcellen die deze mutaties dragen zijn echter gevoeliger voor sarcolemmaschade, permeabiliteit en mechanische disfunctie onder mechanische stress, consistent met het DCM98-fenotype.
Sarcospan (SSPN) is een tetraspanine van 25 kDa, gelokaliseerd in het sarcoglycan-subcomplex en wordt verondersteld te dienen als een eiwitscaffold99,100.Als eiwitscaffold stabiliseert SSPN de lokalisatie en glycosylatie van α-DG99,101.Er is gevonden dat overexpressie van SSPN in muismodellen de binding tussen spieren en laminine verhoogt 102 .Bovendien is aangetoond dat SSPN interageert met integrinen, hetgeen de mate van overspraak tussen de twee ribcommissuren, DGC, en de integrine-talin-vinculine-glycoproteïnestructuur suggereert100,101,102.Het neerhalen van SSPN resulteerde ook in een toename van α7β1 in de skeletspieren van muizen.
Een recent onderzoek heeft aangetoond dat overexpressie van sarcospan de rijping en glycosylatie van α-DG in hartweefsel verbetert, onafhankelijk van galactosylaminotransferase 2 (Galgt2) knockdown in een MDX-muismodel van DMD, waardoor ziektefenotype 101 wordt verlicht. Verhoogde glycosylatie van het dystroglycaancomplex kan de interactie met de ECM, waardoor de ziekte het meest wordt verzacht.Bovendien hebben ze aangetoond dat overexpressie van sarcospan de interactie van β1D-integrine met DGC's vermindert, wat een mogelijke rol voor sarcospan bij de regulatie van integrinecomplexen benadrukt101.
Syntrofinen zijn een familie van kleine (58 kDa) eiwitten die zich in DGC's lokaliseren, zelf geen intrinsieke enzymatische activiteit hebben en dienen als moleculaire adapters103,104.Er zijn vijf isovormen (α-1, β-1, β-2, γ-1 en γ-2) geïdentificeerd die weefselspecifieke expressie vertonen, waarbij de α-1 isovorm voornamelijk tot expressie wordt gebracht in dwarsgestreept spierweefsel 105 .Syntrofines zijn belangrijke adaptereiwitten die de communicatie tussen dystrofine en signaalmoleculen vergemakkelijken, waaronder neuronale stikstofoxidesynthase (nNOS) in skeletspieren106.α-syntrofine interageert rechtstreeks met het dystrofine 16-17 spectrine-herhalingsdomein, dat op zijn beurt bindt aan het nNOS106,107 PDZ-bindende motief.
Syntrofinen hebben ook een interactie met dystrobrevin via de PH2- en SU-bindende domeinen, en ze hebben ook een interactie met het actine-cytoskelet 108.Syntrofinen lijken inderdaad een bijzonder belangrijke rol te spelen bij de regulatie van de dynamiek van het cytoskelet, en de α- en β-isovormen kunnen rechtstreeks interageren met F-actine 108 en spelen dus waarschijnlijk een rol bij de regulatie van tensegrity en de biomechanica van de cellulaire structuren. effect.Bovendien is aangetoond dat syntrofines het cytoskelet reguleren via Rac1109.
Het moduleren van de syntrofineniveaus kan de functie herstellen, en een recent onderzoek met mini-dystrofine heeft aangetoond dat het ΔR4-R23/ΔCT-construct zowel α-syntrofine als andere DGC-eiwitten kon herstellen tot niveaus die vergelijkbaar zijn met die van WT mdx-cardiomyocyten.
Naast hun rol bij de regulatie van het cytoskelet zijn syntrofinen ook goed gedocumenteerd bij de regulatie van ionkanalen 111,112,113.Het PDZ-bindende motief van syntrofines reguleert het cardiale spanningsafhankelijke Nav1.5111-kanaal, dat een sleutelrol speelt bij het vaststellen van cardiale prikkelbaarheid en geleiding.Interessant is dat in het mdx-muismodel werd vastgesteld dat de Nav1.5-kanalen gedownreguleerd waren en dat er bij de dieren hartritmestoornissen werden aangetroffen 111 .Bovendien is aangetoond dat een familie van mechanosensitieve ionkanalen, het transiënte receptorpotentiaalkanaal (TRPC), wordt gereguleerd door α1-syntrofine in hartweefsel 113 en dat TRPC6-remming aritmieën verbetert in het DMD112-muismodel.Er is gerapporteerd dat verhoogde TRPC6-activiteit bij DMD resulteert in hartritmestoornissen, die worden verlicht wanneer deze worden gecombineerd met PKG 112.Mechanisch gezien bevordert de uitputting van dystrofine een door rek geïnduceerde instroom van [Ca2+]i die stroomopwaarts van TRPC6 werkt om het te activeren, zoals aangetoond in hartspiercellen en vasculaire gladde spiercellen112,114.Hyperactivatie van TRPC6 om te strekken maakt het tot een belangrijke mechanosensor en potentieel therapeutisch doelwit bij DMD112,114.
Verlies van dystrofine leidt tot lysis of duidelijke onderdrukking van het gehele DGC-complex, met daaropvolgend verlies van veel mechanoprotectieve en mechanotransductiefuncties, resulterend in het catastrofale fenotype dat wordt waargenomen in dwarsgestreept spierweefsel bij DMD.Daarom kan het redelijk zijn om aan te nemen dat RSK's samenwerken en dat individuele componenten afhankelijk zijn van de aanwezigheid en werking van andere componenten.Dit geldt vooral voor dystrofine, dat nodig lijkt te zijn voor de assemblage en lokalisatie van het sarcolemmacomplex in hartspiercellen.Elke component speelt een unieke rol bij het bijdragen aan de algehele stabilisatie van het sarcolemma, de lokalisatie van belangrijke bijkomende eiwitten, de regulatie van ionkanalen en genexpressie, en het verlies van een enkel eiwit in de DGC leidt tot ontregeling van het gehele myocardium.
Zoals hierboven aangetoond zijn veel DGC-eiwitten betrokken bij mechanotransductie en signalering, en dystrofine is bijzonder geschikt voor deze rol.Als DGC zich in de ribben bevindt, bevestigt dit de mening dat het samen met integrines deelneemt aan mechanotransductie.DGC's ondergaan dus fysiek anisotrope krachtoverdracht en nemen deel aan mechanosensorische en cytoskeletale herschikking van de intracellulaire micro-omgeving, consistent met het tensegrity-model.Bovendien buffert Dp427m binnenkomende biomechanische krachten door spectrineherhalingen uit te breiden binnen het centrale kerndomein, waardoor het fungeert als een mechanoprotector door een afwikkelkracht van 25 pN te handhaven over een uitgebreid bereik van 800 nm.Door te splitsen kan dystrofine de kracht van contractie-relaxatie geproduceerd door hartspiercellen ‘bufferen’.Gegeven de diversiteit aan eiwitten en fosfolipiden die interageren met spectrineherhalingsdomeinen, is het interessant om te speculeren of het afwikkelen van spectrineherhalingen de bindingskinetiek van mechanosensitieve eiwitten verandert op een manier die vergelijkbaar is met die van talin.Dit is echter nog niet vastgesteld en verder onderzoek is nodig.