Chemische Komponente des Kapillarwendelrohrs aus Edelstahl 310, Die Rolle von Dystrophin-Glykoproteinkomplexen bei der Mechanotransduktion von Muskelzellen

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Dystrophin ist das Hauptprotein des Dystrophin-Glykoprotein-Komplexes (DGC) in Skelettmuskeln und Kardiomyozyten.Dystrophin bindet das Aktin-Zytoskelett an die extrazelluläre Matrix (ECM).Der Bruch der Verbindung zwischen der extrazellulären Matrix und dem intrazellulären Zytoskelett kann verheerende Folgen für die Homöostase der Skelettmuskelzellen haben und zu einer Reihe von Muskeldystrophien führen.Darüber hinaus führt der Verlust funktioneller DGCs zu einer fortschreitenden dilatativen Kardiomyopathie und einem vorzeitigen Tod.Dystrophin fungiert als molekulare Feder und DHA spielt eine Schlüsselrolle bei der Aufrechterhaltung der Integrität des Sarkolemms.Darüber hinaus häufen sich Hinweise, die DGC mit der mechanistischen Signalübertragung in Verbindung bringen, auch wenn diese Rolle nach wie vor kaum verstanden ist.Ziel dieses Übersichtsartikels ist es, einen modernen Überblick über DGCs und ihre Rolle bei der Mechanotransduktion zu geben.Wir diskutieren zunächst die komplexe Beziehung zwischen Muskelzellmechanik und -funktion und geben dann einen Überblick über aktuelle Forschungsergebnisse zur Rolle des Dystrophin-Glykoproteinkomplexes bei der Mechanotransduktion und der Aufrechterhaltung der biomechanischen Integrität von Muskelzellen.Abschließend überprüfen wir die aktuelle Literatur, um zu verstehen, wie sich die DGC-Signalisierung mit Mechanosignalisierungswegen überschneidet, um potenzielle zukünftige Interventionspunkte hervorzuheben, mit besonderem Schwerpunkt auf der Kardiomyopathie.
Zellen stehen in ständiger Kommunikation mit ihrer Mikroumgebung, und für die Interpretation und Integration biomechanischer Informationen ist ein wechselseitiger Dialog zwischen ihnen notwendig.Die Biomechanik steuert wichtige Folgeereignisse (z. B. Umlagerungen des Zytoskeletts), indem sie den gesamten zellulären Phänotyp in Raum und Zeit kontrolliert.Von zentraler Bedeutung für diesen Prozess in Kardiomyozyten ist die Küstenregion, die Region, in der das Sarkolemm mit einem Sarkomer verbunden ist, das aus Integrin-Talin-Vinculin- und Dystrophin-Glykoprotein (DGC)-Komplexen besteht.Diese diskreten fokalen Adhäsionen (FAs) sind am intrazellulären Zytoskelett befestigt und verbreiten eine Kaskade biomechanischer und biochemischer zellulärer Veränderungen, die Differenzierung, Proliferation, Organogenese, Migration, Krankheitsverlauf und mehr steuern.Die Umwandlung biomechanischer Kräfte in biochemische und/oder (epi)genetische Veränderungen wird als Mechanotransduktion1 bezeichnet.
Es ist seit langem bekannt, dass der Integrin-Transmembranrezeptor 2 die extrazelluläre Matrix in Zellen verankert und sowohl interne als auch externe Signale vermittelt.Parallel zu Integrinen binden DGCs die ECM an das Zytoskelett und stellen so eine entscheidende Verbindung zwischen der Außenseite und dem Inneren der Zelle her3.Vollständiges Dystrophin (Dp427) wird hauptsächlich im Herz- und Skelettmuskel exprimiert, wird aber auch in Geweben des Zentralnervensystems, einschließlich der Netzhaut und dem Purkinje-Gewebe, beobachtet4.Es wird angenommen, dass Mutationen in Integrinen und DGC die Ursachen für Muskeldystrophie und progressive dilatative Kardiomyopathie (DCM) sind (Tabelle 1)5,6.Insbesondere DMD-Mutationen, die für das zentrale Dystrophinprotein DGCs kodieren, verursachen Duchenne-Muskeldystrophie (DMD)7.DGC besteht aus mehreren Subkomplexen, darunter α- und β-Dystroglycan (α/β-DG), Sarkoglycan-Sarcospan, Syntrophin und Dystrophin8.
Dystrophin ist ein von DMD (Xp21.1-Xp22) kodiertes Zytoskelettprotein, das eine zentrale Rolle bei der Aufrechterhaltung der DGC spielt.DGC erhält die Integrität des Sarkolemms, der Plasmamembran des quergestreiften Muskelgewebes.Dystrophin schwächt die durch Kontraktion verursachten Schäden weiter ab, indem es als molekulare Feder und molekulares Gerüst fungiert9,10.Dystrophin in voller Länge hat ein Molekulargewicht von 427 kDa. Aufgrund der vielen internen Promotoren in DMD gibt es jedoch mehrere natürlich vorkommende verkürzte Isoformen, darunter Dp7111.
Es wurde gezeigt, dass akzessorische Proteine ​​auf Dystrophin lokalisiert sind, einschließlich echter Mechanotransducer wie neuronale Stickoxidsynthase (nNOS), Yes-assoziiertes Protein (YAP) und Caveolin-3, und stellen somit wichtige Komponenten der zellulären Signalübertragung dar.Verbindungen 12, 13, 14. Zusätzlich zur Adhäsion, einem zellulären Mechanismus, der mit Wechselwirkungen zwischen Zellen und der durch Integrine und ihre nachgeschalteten Ziele gebildeten Matrix verbunden ist, stellen diese beiden Komplexe die Schnittstelle zwischen „Innen“ und „Außen“ der Zelle dar .Der Schutz dieser fokalen Adhäsionen vor abnormaler Zerstörung ist für das Zellverhalten und das Überleben von entscheidender Bedeutung.Darüber hinaus belegen Daten, dass Dystrophin ein Modulator mechanosensitiver Ionenkanäle ist, einschließlich dehnungsaktivierter Kanäle, insbesondere Ca2+-Kanäle vom L-Typ und TRPC 15-Kanäle.
Obwohl Dystrophin für die homöostatische Funktion quergestreifter Muskelzellen wichtig ist, sind die genauen unterstützenden Mechanismen weniger klar, insbesondere die Rolle von Dystrophin und seine Fähigkeit, als Mechanosensor und mechanischer Beschützer zu fungieren.Aufgrund des Verlusts von Dystrophin sind mehrere unbeantwortete Fragen aufgetaucht, darunter: Sind mechanosensitive Proteine ​​wie YAP und AMPK falsch im Sarkolemm lokalisiert?Gibt es eine Wechselwirkung mit Integrinen, Umstände, die zu einer abnormalen Mechanotransduktion führen können?Alle diese Merkmale können zum schweren DCM-Phänotyp beitragen, der bei Patienten mit DMD beobachtet wird.
Darüber hinaus hat der Zusammenhang von Veränderungen in der zellulären Biomechanik mit dem gesamten DMD-Phänotyp wichtige klinische Auswirkungen.DMD ist eine X-chromosomale Muskeldystrophie, von der 1:3500–5000 Männer betroffen sind. Sie ist durch einen frühen Verlust der Mobilität (<5 Jahre) und fortschreitende DCM gekennzeichnet und hat eine deutlich schlechtere Prognose als DCM anderer Ursachen16,17,18.
Die Biomechanik des Dystrophinverlusts wurde nicht vollständig beschrieben, und hier überprüfen wir die Beweise, die die Annahme stützen, dass Dystrophin tatsächlich eine mechanoprotektive Rolle spielt, dh die Integrität des Sarkolemms aufrechterhält, und für die Mechanotransduktion von entscheidender Bedeutung ist.Darüber hinaus haben wir die Beweise überprüft, die auf eine starke Wechselwirkung mit Integrinen hinweisen, insbesondere auf die Bindung von Laminin α7β1D in quergestreiften Muskelzellen.
Insertionen und Deletionen sind für eine große Anzahl von Mutationen bei DMD verantwortlich, wobei 72 % der Mutationen durch solche Mutationen verursacht werden19.Klinisch manifestiert sich DMD im Säuglingsalter (≤ 5 Jahre) mit Hypotonie, positivem Gower-Zeichen, verzögertem Fortschreiten altersbedingter Veränderungen, geistiger Behinderung und Skelettmuskelatrophie.Atemnot war in der Vergangenheit die häufigste Todesursache bei DMD-Patienten, aber eine verbesserte unterstützende Behandlung (Kortikosteroide, kontinuierlicher positiver Atemwegsdruck) hat die Lebenserwartung dieser Patienten erhöht, und das Durchschnittsalter der DMD-Patienten, die nach 1990 geboren wurden, beträgt 28,1 Jahre 20,21 ..Mit zunehmender Überlebensrate der Patienten ist jedoch die Prognose einer fortschreitenden DCM im Vergleich zu anderen Kardiomyopathien deutlich schlechter16, was zu Herzversagen im Endstadium führt, das derzeit die häufigste Todesursache ist und etwa 50 % der DMD-Todesfälle ausmacht17,18.
Progressive DCM ist durch eine erhöhte Dilatation und Compliance des linken Ventrikels, eine Verdünnung des Ventrikels, eine erhöhte Infiltration von Faserfett, eine verminderte systolische Funktion und eine erhöhte Häufigkeit von Arrhythmien gekennzeichnet.Der Grad der DCM ist bei Patienten mit DMD im späten Jugendalter (90 % bis 18 Jahre) fast überall ausgeprägt, ist jedoch im Alter von 10 Jahren bei etwa 59 % der Patienten vorhanden8,22.Die Lösung dieses Problems ist von entscheidender Bedeutung, da die linksventrikuläre Ejektionsfraktion stetig um 1,6 % pro Jahr abnimmt23.
Herzrhythmusstörungen, insbesondere Sinustachykardie und ventrikuläre Tachykardie, treten bei Patienten mit DMD häufig auf und sind die Ursache für einen plötzlichen Herztod22.Arrhythmien sind das Ergebnis einer Faserfettinfiltration, insbesondere im subbasalen linken Ventrikel, die den Rückflusskreislauf sowie eine [Ca2+]i-Verarbeitungsstörung und eine Ionenkanalstörung beeinträchtigt24,25.Das Erkennen des klinischen Herzbildes ist von entscheidender Bedeutung, da frühe Behandlungsstrategien das Auftreten einer schweren DCM verzögern können.
Die Bedeutung der Behandlung von Herzfunktionsstörungen und Morbidität der Skelettmuskulatur wird in einer interessanten Studie gezeigt, in der ein Mausmodell von DMD namens mdx26 verwendet wurde, um die Auswirkungen einer Verbesserung des Skelettmuskelgewebes zu untersuchen, ohne die zugrunde liegenden Herzprobleme bei DMD anzugehen.Hier zeigten die Autoren einen paradoxen Anstieg der Herzfunktionsstörung um das Fünffache nach einer Verbesserung der Skelettmuskulatur, und bei Mäusen kam es zu einer signifikanten Verringerung der Ejektionsfraktion26.Eine verbesserte Funktion der Skelettmuskulatur ermöglicht eine stärkere Belastung des Myokards durch höhere körperliche Aktivität und macht es anfälliger für allgemeine Funktionsstörungen.Dies unterstreicht die Bedeutung der Behandlung von DMD-Patienten im Allgemeinen und warnt vor einer alleinigen Therapie mit Skelettmuskeln.
DGCs erfüllen mehrere zusätzliche Funktionen: Sie sorgen für strukturelle Stabilität des Sarkolemmas, werden zu einem molekularen Gerüst, das als Signalverbindung fungiert, regulieren mechanosensitive Ionenkanäle, den Kern der kostalen Mechanotransduktion, und sind an der Übertragung von Seitenkräften im Bereich des Sarkolemmas beteiligt Rippen (Abb. 1b)..Dystrophin spielt bei dieser Fähigkeit eine zentrale Rolle, und aufgrund der Anwesenheit vieler interner Promotoren gibt es mehrere verschiedene Isoformen, die jeweils in verschiedenen Geweben eine unterschiedliche Rolle spielen.Die unterschiedliche Gewebeexpression verschiedener Dystrophin-Isoformen stützt die Annahme, dass jede Isoform eine andere Rolle spielt.Beispielsweise exprimiert Herzgewebe die volle Länge (Dp427m) sowie die kürzere Dp71m-Isoform von Dystrophin, während Skelettgewebe nur die erste der beiden exprimiert.Die Beobachtung der Rolle jedes Subtyps kann nicht nur seine physiologische Funktion, sondern auch die Pathogenese der Muskeldystrophie aufdecken.
Schematische Darstellung des Dystrophins voller Länge (Dp427m) und der kleineren, verkürzten Dp71-Isoform.Dystrophin hat 24 Spektrinwiederholungen, die durch vier Schleifen getrennt sind, sowie eine Aktin-bindende Domäne (ABD), eine cysteinreiche (CR) Domäne und einen C-Terminus (CT).Wichtige Bindungspartner wurden identifiziert, darunter Mikrotubuli (MTs) und das Sarkolemm.Es gibt viele Isoformen von Dp71, Dp71m bezieht sich auf das Muskelgewebe und Dp71b bezieht sich auf die Isoform des Nervengewebes.Insbesondere bezieht sich Dp71f auf die zytoplasmatische Isoform von Neuronen.b Der Dystrophin-Glykoprotein-Komplex (DHA) befindet sich im gesamten Sarkolemm.Biomechanische Kräfte wechseln zwischen ECM und F-Aktin.Beachten Sie die mögliche Wechselwirkung zwischen DGCs und Integrinadhäsion. Dp71 könnte bei fokalen Adhäsionen eine Rolle spielen.Erstellt mit Biorender.com.
DMD ist die häufigste Muskeldystrophie und wird durch Mutationen bei DMD verursacht.Um jedoch unser aktuelles Verständnis der Rolle von Anti-Dystrophin vollständig zu verstehen, ist es wichtig, es in den Kontext der DGC als Ganzes zu stellen.Daher werden die anderen Proteinbestandteile kurz beschrieben.Die Proteinzusammensetzung von DGC wurde Ende der 1980er Jahre untersucht, mit besonderem Augenmerk auf Dystrophin.Koenig27,28, Hoffman29 und Ervasti30 machten eine wichtige Entdeckung, indem sie Dystrophin identifizierten, ein 427 kDa-Protein im quergestreiften Muskel31.
Anschließend wurde gezeigt, dass andere Subkomplexe mit Dystrophin assoziiert sind, darunter Sarcoglycan, Transsyn, Dystrophin-Subkomplex, Dysbrevin und Syntrophine8, die zusammen das aktuelle DGC-Modell bilden.In diesem Abschnitt werden zunächst die Beweise für die Rolle des DGC bei der mechanosensorischen Wahrnehmung verbreitet und die einzelnen Komponenten im Detail untersucht.
Die im quergestreiften Muskelgewebe vorhandene Dystrophin-Isoform voller Länge ist Dp427m (z. B. „m“ für Muskel zur Unterscheidung vom Gehirn) und ist ein großes stäbchenförmiges Protein mit vier funktionellen Domänen, die sich unter dem Kardiomyozyten-Sarkolemm, insbesondere in der Rippenregion, befinden 29, 32. Dp427m, kodiert durch das DMD-Gen auf Xp21.1, besteht aus 79 Exons, die bei 2,2 Megabasen erzeugt werden, und ist somit das größte Gen in unserem Genom8.
Mehrere interne Promotoren bei DMD produzieren mehrere verkürzte Dystrophin-Isoformen, von denen einige gewebespezifisch sind.Im Vergleich zu Dp427m ist Dp71m deutlich verkürzt und es fehlt ihm eine Spectrin-Repeat-Domäne oder eine N-terminale ABD-Domäne.Dp71m behält jedoch die C-terminale Bindungsstruktur.In Kardiomyozyten ist die Rolle von Dp71m unklar, es wurde jedoch gezeigt, dass es in T-Tubuli lokalisiert ist, was darauf hindeutet, dass es bei der Regulierung der Erregungs-Kontraktions-Kopplung helfen könnte 33,34,35.Unseres Wissens hat die jüngste Entdeckung von Dp71m im Herzgewebe wenig Beachtung gefunden, aber einige Studien deuten darauf hin, dass es mit durch Dehnung aktivierten Ionenkanälen zusammenhängt, und Masubuchi vermutete, dass es eine Rolle bei der Regulierung von nNOS33 spielen könnte., 36. Dadurch hat Dp71 große Aufmerksamkeit in der Neurophysiologie und der Thrombozytenforschung erhalten, Bereiche, die Aufschluss über eine Rolle in Kardiomyozyten geben könnten37,38,39.
Im Nervengewebe wird überwiegend die Dp71b-Isoform exprimiert, wobei 14 Isoformen gemeldet wurden38.Es wurde gezeigt, dass die Deletion von Dp71b, einem wichtigen Regulator der Kaliumkanäle Aquaporin 4 und Kir4.1 im Zentralnervensystem, die Durchlässigkeit der Blut-Hirn-Schranke verändert40.Angesichts der Rolle von Dp71b bei der Ionenkanalregulation könnte Dp71m eine ähnliche Rolle in Kardiomyozyten spielen.
Das Vorhandensein von DGC in den Rippenganglien weist sofort auf eine Rolle bei der Mechanotransduktion hin, und es wurde tatsächlich gezeigt, dass es zusammen mit Integrin-Talin-Vinculin-Komplexen lokalisiert ist 41 .Angesichts der Tatsache, dass das Küstensegment ein Schwerpunkt der transversalen Mechanotransduktion ist, unterstreicht die Lokalisierung von Dp427m hier seine Rolle beim Schutz von Zellen vor Schäden durch Kontraktion.Darüber hinaus interagiert Dp427m mit Aktin und dem Zytoskelett der Mikrotubuli und vervollständigt so die Verbindung zwischen der intrazellulären Umgebung und der extrazellulären Matrix.
Der N-Terminus, der die Aktin-Bindungsdomäne 1 (ABD1) enthält, besteht aus zwei Calmodulin-Homologiedomänen (CH), die für die Interaktion mit F-Aktin und die Verankerung der γ-Aktin-Isoform am Sarkolemma erforderlich sind42,43.Dystrophin kann zur Gesamtviskoelastizität von Kardiomyozyten beitragen, indem es sich an das subsarkolemmale Zytoskelett bindet, und seine Lokalisierung in den Rippenganglien unterstützt seine Beteiligung an der Mechanotransduktion sowie der Mechanoprotektion44,45.
Die zentrale Kerndomäne besteht aus 24 spektrinähnlichen Wiederholungsproteinen, von denen jedes etwa 100 Aminosäurereste lang ist.Die Spektrinwiederholungen sind mit vier Gelenkdomänen durchsetzt, was dem Protein Flexibilität und ein hohes Maß an Erweiterbarkeit verleiht.Dystrophin-Spektrin-Wiederholungen können sich innerhalb eines physiologischen Kräftebereichs (15–30 pN) entfalten, der von 21 nm bis 84 nm reicht, Kräfte, die für die Myosinkontraktion erreichbar sind 46 .Diese Merkmale der Spectrin-Repeat-Domäne ermöglichen es Dystrophin, als molekularer Stoßdämpfer zu wirken.
Der zentrale Stab von Dp427m gewährleistet seine Lokalisierung im Sarkolemma, insbesondere durch hydrophobe und elektrostatische Wechselwirkungen mit Phosphatidylserin 47,48.Interessanterweise interagiert der zentrale Kern von Dystrophin unterschiedlich mit Sarkolemma-Phospholipiden im Skelett- und Herzgewebe, was möglicherweise auf unterschiedliche Federmuster zurückzuführen ist.kritisch, während Skelettmuskeln auch mit R10-R1249 assoziiert sind.
Für die Bindung an das γ-Aktin-Zytoskelett ist die ABD2-Spektrin-Wiederholungsregion 11–17 erforderlich, die aus basischen Aminosäureresten besteht und sich von der F-Aktin-bindenden CH-Domäne unterscheidet.Mikrotubuli interagieren direkt mit der Kerndomäne von Dystrophin. Diese Interaktion erfordert Reste der Spectrin-Wiederholungen 4–15 und 20–23, und die Anwesenheit von Ankyrin B ist erforderlich, um die Bildung von Mikrotubuli an dieser Stelle zu verhindern.Röhren fehlen 50,51,52.Es hat sich gezeigt, dass eine Lücke zwischen Mikrotubuli und Dystrophin die DMD-Pathologie durch die Zunahme reaktiver Sauerstoffspezies (X-ROS) verschlimmert.
Die CR-Domäne über Ankyrin B ist ein weiterer Anker für sarkolemmale Phospholipide52.Ankyrin-B und Ankyrin-G sind für die Lokalisierung von Dystrophin/DGC in den Rippen erforderlich, und ihr Fehlen führt zu einem diffusen sarkolemmalen Muster von DGC52.
Die CR-Domäne enthält eine WW-Bindungsdomäne, die direkt mit dem PPxY-Bindungsmotiv von β-DG interagiert.Durch die Bindung an den Dystrophin-Glykan-Komplex vervollständigt Dystrophin die Verbindung zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Zelle54.Diese Verbindung ist für die quergestreifte Muskulatur von entscheidender Bedeutung, wie die Tatsache zeigt, dass eine Unterbrechung der Verbindung zwischen der ECM und dem Zellinneren zu einer lebensbegrenzenden Muskeldystrophie führt.
Schließlich ist die CT-Domäne eine hochkonservierte Region, die eine spiralförmige Helix bildet und für die Bindung an α-Dystrobrevin und α1-,β1-Syntrophine55,56 von entscheidender Bedeutung ist.α-Dystrobrevin bindet an die CT-Domäne von Dystrophin und sorgt für zusätzliche Resistenz gegen Dystrophin im Sarkolemma57.
Während der embryonalen und fötalen Entwicklung wird Utrophin in großem Umfang in verschiedenen Geweben exprimiert, darunter Endothelzellen, Nervengewebe und quergestreiftes Muskelgewebe58.Utrophin wird durch UTRN auf Chromosom 6q exprimiert und ist ein Dystrophin-Autolog mit 80 % Proteinhomologie.Während der Entwicklung ist Utrophin im Sarkolemm lokalisiert, wird jedoch im postnatalen quergestreiften Muskelgewebe deutlich unterdrückt, wo es durch Dystrophin ersetzt wird.Nach der Geburt ist die Lokalisierung von Utrophin auf Sehnen und neuromuskuläre Verbindungen der Skelettmuskulatur beschränkt58,59.
Utrophin-Bindungspartner ähneln im Großen und Ganzen denen von Dystrophinen, obwohl einige wesentliche Unterschiede beschrieben wurden.Beispielsweise interagiert Dystrophin mit β-DG über seine WW-Domäne, die durch die ZZ-Domäne (benannt nach ihrer Fähigkeit, zwei Zinkionen zu binden) in ihrer CT-Region stabilisiert wird, wo die Cysteinsäurereste 3307–3354 für diese Interaktion besonders wichtig sind60 ., 61. Utrophin bindet auch über die WW/ZZ-Domäne an β-DG, aber die genauen Reste, die diese Wechselwirkung unterstützen, unterscheiden sich von den Dystrophinresten (3307–3345 in Dystrophin und 3064–3102 in Utrophin) 60,61.Wichtig ist, dass die Bindung von Utrophin an β-DG im Vergleich zu Dystrophin 61 etwa zweifach geringer war. Es wurde berichtet, dass Dystrophin über die Spectrin-Wiederholungen 11–17 an F-Actin bindet, während ähnliche Stellen in Utrophin selbst bei nicht an F-Actin binden können hohe Konzentrationen, können aber über ihre CH-Domänen interagieren.Aktion 62,63,64.Schließlich kann Utrophin im Gegensatz zu Dystrophin nicht an Mikrotubuli binden51.
Biomechanisch gesehen weisen Utrophin-Spektrin-Wiederholungen im Vergleich zu Dystrophin65 ein deutliches Entfaltungsmuster auf.Utrophin-Spectrin wiederholt seinen Einsatz bei höheren Kräften, ähnlich wie Titin, aber nicht für Dystrophin65.Dies steht im Einklang mit seiner Lokalisierung und Rolle bei der Übertragung starrer elastischer Kraft an Sehnenverbindungen, kann aber dazu führen, dass Utrophin weniger geeignet ist, als molekulare Feder bei der Pufferung von durch Kontraktion induzierten Kräften zu wirken 65 .Zusammengenommen deuten diese Daten darauf hin, dass die Mechanotransduktions- und Mechanopufferfähigkeiten bei Vorhandensein einer Überexpression von Utrophin verändert sein können, insbesondere bei unterschiedlichen Bindungspartnern/-mechanismen. Dies erfordert jedoch weitere experimentelle Untersuchungen.
Aus funktioneller Sicht macht die Tatsache, dass Utrophin vermutlich ähnliche Wirkungen wie Dystrophin hat, es zu einem potenziellen Behandlungsziel für DMD66,67.Tatsächlich wurde gezeigt, dass einige DMD-Patienten Utrophin überexprimieren, möglicherweise als Kompensationsmechanismus, und der Phänotyp wurde in einem Mausmodell mit Utrophin-Überexpression erfolgreich wiederhergestellt 68 .Während die Hochregulierung von Utrophin eine wahrscheinliche therapeutische Strategie darstellt, ist die langfristige Strategie von Utrophin aufgrund der formalen und funktionellen Unterschiede zwischen Utrophin und Dystrophin und der Nützlichkeit der Induktion dieser Überexpression bei geeigneter Lokalisierung entlang des Sarkolemmas immer noch unklar.Bemerkenswerterweise zeigen weibliche Träger ein Mosaikmuster der Utrophin-Expression, und das Verhältnis zwischen Dystrophin und Utrophin kann den Grad der dilatativen Kardiomyopathie bei diesen Patienten beeinflussen,69 obwohl Mausmodelle von Trägern dies gezeigt haben..
Der Dystroglycan-Subkomplex besteht aus zwei Proteinen, α- und β-Dystroglycan (α-, β-DG), die beide vom DAG1-Gen transkribiert und dann posttranslational in zwei Komponentenproteine ​​gespalten werden 71 .α-DG ist im extrazellulären Aspekt von DGCs stark glykosyliert und interagiert direkt mit Prolinresten in Laminin α2 sowie mit Agrin72 und Picaculin73 und der CT/CR-Region von Dystrophin73,74,75,76.Für seine Wechselwirkung mit der ECM ist eine O-verknüpfte Glykosylierung, insbesondere von Serinresten, erforderlich.Der Glykosylierungsweg umfasst viele Enzyme, deren Mutationen zu Muskeldystrophie führen (siehe auch Tabelle 1).Dazu gehören die O-Mannosyltransferase POMT2, Fucutin und Fucutin-verwandtes Protein (FKRP), zwei Ribitol-Phosphotransferasen, die dem Kernglycan Tandem-Ribitolphosphate hinzufügen, und das LARGE1-Protein, das Xylose und Glucose hinzufügt.Lineares Uronsäurepolysaccharid, auch bekannt als Matrixglycan am Ende des Glykans77.FKRP ist auch an der Entwicklung und Aufrechterhaltung der ECM beteiligt, und Mutationen darin führen zu einer verminderten Expression von Laminin α2 und α-DG77,78,79.Darüber hinaus kann FKRP durch glykosyliertes Fibronektin 80 auch die Bildung der Basallamina und der extrazellulären Herzmatrix steuern.
β-DG enthält ein PPxY-Bindungsmotiv, das YAP12 direkt lokalisiert und bindet.Dies ist ein interessanter Befund, da er impliziert, dass DGC den Zellzyklus der Kardiomyozyten reguliert.α-DH in neonatalen Kardiomyozyten interagiert mit Agrin, was die Herzregeneration und die DGC76-Lyse aufgrund der Zellreifung fördert.Wenn Kardiomyozyten reifen, nimmt die Aggrin-Expression zugunsten von Laminin ab, was vermutlich zum Stillstand des Zellzyklus beiträgt76.Morikawa12 zeigte, dass der doppelte Abbau von Dystrophin und Salvador, einem negativen Regulator von YAP, zu einer Hyperproliferation von Kardiomyozyten im infarktverursachenden Pansen führt.Dies führte zu der spannenden Idee, dass die YAP-Manipulation von klinischem Wert sein könnte, um Gewebeverlust nach einem Myokardinfarkt zu verhindern.Somit könnte die Agrin-induzierte DGC-Lyse eine Achse darstellen, die die YAP-Aktivierung ermöglicht und einen potenziellen Weg für die Herzregeneration darstellt.
Mechanisch sind α- und β-DG erforderlich, um die Interaktion zwischen dem Sarkolemm und der Basalschicht aufrechtzuerhalten 81 .Sowohl α-DG- als auch α7-Integline tragen zur Krafterzeugung im Rippenganglion bei, und der Verlust von α-DG führt zur Trennung des Sarkolemms von der Basallamina, wodurch das Skelettmuskelgewebe anfällig für kontraktionsbedingte Schäden wird.Wie bereits beschrieben, reguliert der Dystroglycan-Komplex den Gesamtumsatz von DGCs, wobei die Bindung an den zugehörigen Liganden Laminin zur Tyrosinphosphorylierung des PPPY-Bindungsmotivs von β-DG892 führt.Die Tyrosinphosphorylierung fördert hier den Abbau von Dystrophin, wodurch der DGC-Komplex umgedreht wird.Physiologisch ist dieser Prozess stark reguliert, was bei Muskeldystrophie nicht der Fall ist82, obwohl die zugrunde liegenden Mechanismen, die diesen Prozess steuern, nicht vollständig verstanden sind.
Es wurde gezeigt, dass zyklisches Dehnen die ERK1/2- und AMPK-Wege über den Dystrophinkomplex und das verwandte Protein Plectin aktiviert83.Zusammen müssen Plektin und Dystroglycan nicht nur als Gerüst fungieren, sondern auch an der Mechanotransduktion teilnehmen, und der Abbau von Plektin führt zu einer Verringerung der Aktivität von ERK1/2 und AMPK83.Plectin bindet auch an das Zytoskelett-Zwischenfilament-Desmin, und eine Überexpression von Desmin verbessert nachweislich den Krankheitsphänotyp bei mdx:desmin- und mdx-Mäusen, einem DMD84-Doppel-Knockout-Mausmodell.Durch die Interaktion mit β-DG bindet Plectin DGC indirekt an diese Komponente des Zytoskeletts.Darüber hinaus interagiert Dystroglycan mit dem Wachstumsfaktor-Rezeptor-bindenden Protein 2 (Grb2), von dem bekannt ist, dass es an Umlagerungen des Zytoskeletts beteiligt ist85.Es wurde gezeigt, dass die Ras-Aktivierung durch Integrine durch Grb2 vermittelt wird, was einen potenziellen Weg für den Crosstalk zwischen Integrinen und DGC86 darstellen könnte.
Mutationen in den Genen, die an der α-DH-Glykosylierung beteiligt sind, führen zur sogenannten Muskeldystrophie.Dystroglycanopathien zeigen klinische Heterogenität, werden jedoch hauptsächlich durch eine Störung der Interaktion zwischen α-DG und Laminin α277 verursacht.Dystrophiglikanosen, die durch primäre Mutationen in DAG1 verursacht werden, sind im Allgemeinen äußerst selten, wahrscheinlich weil sie embryonal letal sind87, was die Notwendigkeit einer zellulären Assoziation mit ECM bestätigt.Dies bedeutet, dass die meisten dystrophischen Glykanerkrankungen durch sekundäre Proteinmutationen im Zusammenhang mit der Glykosylierung verursacht werden.Beispielsweise verursachen Mutationen in POMT1 das extrem schwere Walker-Warburg-Syndrom, das durch Anenzephalie und eine deutlich verkürzte Lebenserwartung (weniger als 3 Jahre) gekennzeichnet ist88.FKRP-Mutationen manifestieren sich jedoch überwiegend als Gliedmaßengürtel-Muskeldystrophie (LGMD), die normalerweise (aber nicht immer) relativ mild verläuft.Es hat sich jedoch gezeigt, dass Mutationen in FKRP eine seltene Ursache für WWS89 sind.Bei FKRP wurden viele Mutationen identifiziert, von denen die Gründermutation (c.826>A) am häufigsten LGMD2I90 verursacht.
LGMD2I ist eine relativ milde Muskeldystrophie, deren Pathogenese auf einer Störung der Verbindung zwischen der extrazellulären Matrix und dem intrazellulären Zytoskelett beruht.Weniger klar ist die Beziehung zwischen Genotyp und Phänotyp bei Patienten mit Mutationen in diesen Genen, und tatsächlich ist dieses Konzept auf andere DSC-Proteine ​​anwendbar.Warum zeigen einige Patienten mit FKRP-Mutationen einen mit WWS übereinstimmenden Krankheitsphänotyp, während andere LGMD2I haben?Die Antwort auf diese Frage könnte darin liegen, i) welcher Schritt des Glykosylierungswegs von der Mutation betroffen ist oder ii) der Grad der Hypoglykosylierung bei einem bestimmten Schritt.Die Hypoglykosylierung von α-DG ermöglicht möglicherweise immer noch eine gewisse Interaktion mit der ECM, was zu einem milderen Gesamtphänotyp führt, während die Dissoziation von der Basalmembran die Schwere des Krankheitsphänotyps erhöht.Patienten mit LGMD2I entwickeln auch DCM, obwohl dies weniger dokumentiert ist als DMD, was die Dringlichkeit verdeutlicht, diese Mutationen im Zusammenhang mit Kardiomyozyten zu verstehen.
Der Sarcospan-Sarkoglykan-Subkomplex fördert die Bildung von DHA und interagiert direkt mit β-DH.Im Herzgewebe gibt es vier unidirektionale Sarkoglykane: α, β, γ und δ91.Kürzlich wurde beschrieben, dass eine c.218C>T-Missense-Mutation im Exon 3 des SGCA-Gens und eine teilweise heterozygote Deletion in den Exons 7–8 LGMD2D92 verursachen.Allerdings haben die Autoren in diesem Fall den Herzphänotyp nicht bewertet.
Andere Gruppen haben herausgefunden, dass SGCD in Schweine93- und Maus94-Modellen zu einer verringerten Proteinexpression im Sarkoglycan-Subkomplex führt, was die Gesamtstruktur von DGCs stört und zu DCM führt.Darüber hinaus wurde berichtet, dass 19 % aller Patienten mit SGCA-, SGCB- oder SGCG-Mutationen an einer dilatativen Kardiomyopathie litten, und 25 % aller Patienten benötigten außerdem Atemunterstützung95.
Rezessive Mutationen im Sarkoglykan (SG) δ führen zu einer Verringerung oder völligen Abwesenheit von Sarkoglykankomplexen und damit von DGC im Herzgewebe und sind für LGMD und das damit verbundene DCM96 verantwortlich.Interessanterweise sind dominant-negative Mutationen in SG-δ spezifisch für das Herz-Kreislauf-System und die Ursache einer familiären dilatativen Kardiomyopathie97.Es wurde gezeigt, dass die dominant-negativen Mutationen SG-δ R97Q und R71T in Rattenkardiomyozyten stabil exprimiert werden, ohne dass die Gesamt-DGC98 signifikant beeinträchtigt wird.Allerdings sind Herzzellen, die diese Mutationen tragen, anfälliger für Sarkolemmschädigungen, Permeabilität und mechanische Funktionsstörungen unter mechanischer Belastung, was mit dem DCM98-Phänotyp übereinstimmt.
Sarcospan (SSPN) ist ein 25 kDa großes Tetraspanin, das im Sarkoglycan-Subkomplex lokalisiert ist und vermutlich als Proteingerüst dient99,100.Als Proteingerüst stabilisiert SSPN die Lokalisierung und Glykosylierung von α-DG99,101.Es wurde festgestellt, dass eine Überexpression von SSPN in Mausmodellen die Bindung zwischen Muskel und Laminin erhöht 102 .Darüber hinaus wurde gezeigt, dass SSPN mit Integrinen interagiert, was auf den Grad des Crosstalks zwischen den beiden Rippenkommissuren, DGC, und der Integrin-Talin-Vinculin-Glykoproteinstruktur schließen lässt100,101,102.Der Abbau von SSPN führte auch zu einem Anstieg von α7β1 im Skelettmuskel der Maus.
Eine kürzlich durchgeführte Studie zeigte, dass die Überexpression von Sarcospan die Reifung und Glykosylierung von α-DG im Herzgewebe unabhängig vom Abbau der Galactosylaminotransferase 2 (Galgt2) in einem mdx-Mausmodell von DMD steigert und dadurch den Krankheitsphänotyp 101 lindert. Eine erhöhte Glykosylierung des Dystroglycan-Komplexes kann die Interaktion mit verstärken die ECM, wodurch die Krankheit am meisten gelindert wird.Darüber hinaus haben sie gezeigt, dass die Überexpression von Sarcospan die Wechselwirkung von β1D-Integrin mit DGCs verringert, was auf eine mögliche Rolle von Sarcospan bei der Regulierung von Integrinkomplexen hinweist101.
Syntrophine sind eine Familie kleiner (58 kDa) Proteine, die sich in DGCs lokalisieren, selbst keine intrinsische enzymatische Aktivität besitzen und als molekulare Adapter dienen103,104.Es wurden fünf Isoformen (α-1, β-1, β-2, γ-1 und γ-2) identifiziert, die eine gewebespezifische Expression zeigen, wobei die α-1-Isoform vorwiegend im quergestreiften Muskelgewebe exprimiert wird 105 .Syntrophine sind wichtige Adapterproteine, die die Kommunikation zwischen Dystrophin und Signalmolekülen, einschließlich der neuronalen Stickoxidsynthase (nNOS) im Skelettmuskel, erleichtern106.α-Syntrophin interagiert direkt mit der Dystrophin-16-17-Spektrin-Wiederholungsdomäne, die wiederum an das PDZ-Bindungsmotiv nNOS106,107 bindet.
Syntrophine interagieren auch mit Dystrobrevin über die PH2- und SU-Bindungsdomänen und sie interagieren auch mit dem Aktin-Zytoskelett 108 .Tatsächlich scheinen Syntrophine eine besonders wichtige Rolle bei der Regulierung der Dynamik des Zytoskeletts zu spielen, und die α- und β-Isoformen sind in der Lage, direkt mit F-Aktin 108 zu interagieren und spielen daher wahrscheinlich eine Rolle bei der Regulierung der Tensegrity und der Biomechanik der Zelle Wirkung.Darüber hinaus wurde gezeigt, dass Syntrophine über Rac1109 das Zytoskelett regulieren.
Die Modulation der Syntrophinspiegel kann die Funktion wiederherstellen, und eine kürzlich durchgeführte Studie mit Mini-Dystrophin zeigte, dass das ΔR4-R23/ΔCT-Konstrukt in der Lage war, α-Syntrophin sowie andere DGC-Proteine ​​auf Niveaus wiederherzustellen, die mit denen von WT-mdx-Kardiomyozyten vergleichbar sind.
Zusätzlich zu ihrer Rolle bei der Regulierung des Zytoskeletts sind Syntrophine auch bei der Regulierung von Ionenkanälen gut dokumentiert 111,112,113.Das PDZ-Bindungsmotiv von Syntrophinen reguliert den kardialen spannungsabhängigen Nav1.5111-Kanal, der eine Schlüsselrolle bei der Etablierung der kardialen Erregbarkeit und Erregungsleitung spielt.Interessanterweise wurde im mdx-Mausmodell festgestellt, dass die Nav1.5-Kanäle herunterreguliert waren und bei den Tieren Herzrhythmusstörungen festgestellt wurden 111 .Darüber hinaus wurde gezeigt, dass eine Familie mechanosensitiver Ionenkanäle, der transiente Rezeptorpotentialkanal (TRPC), durch α1-Syntrophin im Herzgewebe reguliert wird 113 und die TRPC6-Hemmung im DMD112-Mausmodell Arrhythmien verbessert.Es wurde berichtet, dass eine erhöhte TRPC6-Aktivität bei DMD zu Herzrhythmusstörungen führt, die in Kombination mit PKG 112 gelindert werden.Mechanisch fördert der Dystrophinabbau einen dehnungsinduzierten Zustrom von [Ca2+]i, das stromaufwärts von TRPC6 wirkt und es aktiviert, wie in Kardiomyozyten und glatten Gefäßmuskelzellen gezeigt112,114.Die Hyperaktivierung von TRPC6 zur Dehnung macht es zu einem wichtigen Mechanosensor und potenziellen therapeutischen Ziel bei DMD112,114.
Der Verlust von Dystrophin führt zur Lyse oder deutlichen Unterdrückung des gesamten DGC-Komplexes mit anschließendem Verlust vieler mechanoprotektiver und mechanotransduktiver Funktionen, was zu dem katastrophalen Phänotyp führt, der im quergestreiften Muskelgewebe bei DMD beobachtet wird.Daher kann es sinnvoll sein, davon auszugehen, dass RSKs zusammenarbeiten und dass einzelne Komponenten von der Anwesenheit und Funktionsfähigkeit anderer Komponenten abhängig sind.Dies gilt insbesondere für Dystrophin, das offenbar für den Aufbau und die Lokalisierung des Sarkolemma-Komplexes in Kardiomyozyten erforderlich ist.Jede Komponente spielt eine einzigartige Rolle bei der Gesamtstabilisierung des Sarkolemms, der Lokalisierung wichtiger akzessorischer Proteine, der Regulierung von Ionenkanälen und der Genexpression, und der Verlust eines einzelnen Proteins im DGC führt zu einer Fehlregulation des gesamten Myokards.
Wie oben gezeigt, sind viele DGC-Proteine ​​an der Mechanotransduktion und Signalübertragung beteiligt, und Dystrophin ist für diese Rolle besonders geeignet.Wenn sich DGC in den Rippen befindet, bestätigt dies die Annahme, dass es zusammen mit Integrinen an der Mechanotransduktion beteiligt ist.Somit unterliegen DGCs physikalisch einer anisotropen Kraftübertragung und sind an der mechanosensorischen und zytoskelettalen Neuordnung der intrazellulären Mikroumgebung beteiligt, was im Einklang mit dem Tensegrity-Modell steht.Darüber hinaus puffert Dp427m eintreffende biomechanische Kräfte durch die Erweiterung der Spektrinwiederholungen innerhalb seiner zentralen Kerndomäne und wirkt so als Mechanoprotektor, indem es eine Abwickelkraft von 25 pN über einen erweiterten Bereich von 800 nm aufrechterhält.Durch die Spaltung ist Dystrophin in der Lage, die von Kardiomyozyten erzeugte Kontraktions-Entspannungskraft zu „puffern“10.Angesichts der Vielfalt an Proteinen und Phospholipiden, die mit Spectrin-Repeat-Domänen interagieren, ist es interessant zu spekulieren, ob die Entwindung von Spectrin-Repeats die Bindungskinetik mechanosensitiver Proteine ​​auf ähnliche Weise wie Talin verändert116,117,118.Dies ist jedoch noch nicht geklärt und weitere Untersuchungen sind erforderlich.