Rustfritt stål 347 / 347H sveisede spiralrør zhemisk komponent, rollen til dystrofinglykoproteinkomplekser i mekanotransduksjonen av muskelceller

Takk for at du besøker Nature.com.Du bruker en nettleserversjon med begrenset CSS-støtte.For den beste opplevelsen anbefaler vi at du bruker en oppdatert nettleser (eller deaktiverer kompatibilitetsmodus i Internet Explorer).I tillegg, for å sikre kontinuerlig støtte, viser vi nettstedet uten stiler og JavaScript.
Skyveknapper som viser tre artikler per lysbilde.Bruk tilbake- og neste-knappene for å gå gjennom lysbildene, eller lysbildekontrollknappene på slutten for å gå gjennom hvert lysbilde.

Dystrofin er hovedproteinet i dystrofin-glykoproteinkomplekset (DGC) i skjelettmuskulatur og kardiomyocytter.Dystrofin binder aktincytoskjelettet til den ekstracellulære matrisen (ECM).Brudd på forbindelsen mellom den ekstracellulære matrisen og det intracellulære cytoskjelettet kan ha ødeleggende konsekvenser for homeostasen til skjelettmuskelceller, og føre til en rekke muskeldystrofier.I tillegg fører tap av funksjonelle DGCs til progressiv utvidet kardiomyopati og for tidlig død.Dystrofin fungerer som en molekylær fjær og DHA spiller en nøkkelrolle i å opprettholde integriteten til sarkolemmaet.Dessuten samler det seg bevis som knytter DGC til mekanistisk signalering, selv om denne rollen fortsatt er dårlig forstått.Denne oversiktsartikkelen tar sikte på å gi et moderne syn på DGC-er og deres rolle i mekanotransduksjon.Vi diskuterer først det komplekse forholdet mellom muskelcellemekanikk og funksjon, og gjennomgår deretter nyere forskning på rollen til dystrofinglykoproteinkomplekset i mekanotransduksjon og vedlikehold av muskelcellens biomekaniske integritet.Til slutt gjennomgår vi den nåværende litteraturen for å forstå hvordan DGC-signalering krysser med mekanosignaleringsveier for å fremheve potensielle fremtidige intervensjonspunkter, med spesielt fokus på kardiomyopati.
Celler er i konstant kommunikasjon med mikromiljøet, og en toveis dialog mellom dem er nødvendig for tolkning og integrering av biomekanisk informasjon.Biomekanikk kontrollerer viktige påfølgende hendelser (f.eks. cytoskjelettomorganiseringer) ved å kontrollere den generelle cellulære fenotypen i rom og tid.Sentralt i denne prosessen i kardiomyocytter er kystregionen, regionen der sarkolemmaet kobles til en sarkomer som består av integrin-talin-vinkulin og dystrofin-glykoprotein (DGC) komplekser.Festet til det intracellulære cytoskjelettet, forplanter disse diskrete fokale adhesjonene (FA) en kaskade av biomekaniske og biokjemiske cellulære endringer som kontrollerer differensiering, spredning, organogenese, migrasjon, sykdomsprogresjon og mer.Omdannelsen av biomekaniske krefter til biokjemiske og/eller (epi)genetiske endringer er kjent som mekanotransduksjon1.
Integrin transmembranreseptoren 2 har lenge vært kjent for å forankre den ekstracellulære matrisen i celler og mediere både intern og ekstern signalering.Parallelt med integriner binder DGC-er ECM til cytoskjelettet, og etablerer en kritisk kobling mellom utsiden og innsiden av cellen3.Dystrofin i full lengde (Dp427) kommer først og fremst til uttrykk i hjerte- og skjelettmuskulatur, men observeres også i vev i sentralnervesystemet, inkludert netthinnen og Purkinje-vevet4.Mutasjoner i integriner og DGC antas å være årsakene til muskeldystrofi og progressiv dilatert kardiomyopati (DCM) (tabell 1)5,6.Spesielt DMD-mutasjoner som koder for det sentrale dystrofinproteinet DGCs forårsaker Duchenne muskeldystrofi (DMD)7.DGC er sammensatt av flere underkomplekser inkludert α- og β-dystroglykan (α/β-DG), sarkoglykan-spanin, dystrofin og dystrofin 8.
Dystrofin er et cytoskjelettprotein kodet av DMD (Xp21.1-Xp22) som spiller en sentral rolle i å opprettholde DGC.DGC opprettholder integriteten til sarcolemma, plasmamembranen til tverrstripet muskelvev.Dystrofin demper ytterligere skade forårsaket av sammentrekning ved å fungere som en molekylær fjær og molekylært stillas9,10.Dystrofin i full lengde har en molekylvekt på 427 kDa, men på grunn av de mange interne promoterne i DMD er det flere naturlig forekommende avkortede isoformer, inkludert Dp7111.
Tilbehørsproteiner har vist seg å være lokalisert til dystrofin, inkludert ekte mekanotransdusere som neuronal nitrogenoksidsyntase (nNOS), Yes-assosiert protein (YAP) og caveolin-3, og representerer dermed viktige komponenter i cellulær signalering.Forbindelser 12, 13, 14. I tillegg til adhesjon, en cellulær mekanisme assosiert med interaksjoner mellom celler og matrisen, dannet av integriner og deres nedstrømsmål, representerer disse to kompleksene grensesnittet mellom "innsiden" og "utenfor" av cellen .Å beskytte disse fokale adhesjonene fra unormal ødeleggelse er avgjørende for celleadferd og overlevelse.I tillegg støtter data at dystrofin er en modulator av mekanosensitive ionekanaler, inkludert strekkaktiverte kanaler, spesielt L-type Ca2+ kanaler og TRPC 15 kanaler.
Selv om dystrofin er viktig for den homeostatiske funksjonen til striede muskelceller, er de nøyaktige støttemekanismene mindre klare, spesielt rollen til dystrofin og dens evne til å fungere som en mekanosensor og mekanisk beskytter.På grunn av tapet av dystrofin har flere ubesvarte spørsmål dukket opp, inkludert: er mekanosensitive proteiner som YAP og AMPK feilplassert til sarcolemma;Er det krysstale med integriner, omstendigheter som kan føre til unormal mekanotransduksjon?Alle disse funksjonene kan bidra til den alvorlige DCM-fenotypen som sees hos pasienter med DMD.
I tillegg har assosiasjonen av endringer i cellulær biomekanikk med den generelle DMD-fenotypen viktige kliniske implikasjoner.DMD er en X-koblet muskeldystrofi som rammer 1:3500–5000 menn, preget av tidlig tap av mobilitet (<5 år) og progressiv DCM med en betydelig dårligere prognose enn DCM av andre etiologier16,17,18.
Biomekanikken til dystrofintap er ikke fullstendig beskrevet, og her gjennomgår vi bevisene som støtter forestillingen om at dystrofin faktisk spiller en mekanobeskyttende rolle, dvs. opprettholder integriteten til sarkolemmaet, og er kritisk i mekanotransduksjon.I tillegg gjennomgikk vi bevisene som tyder på viktig krysstale med integriner, som spesifikt binder laminin α7β1D i striede muskelceller.
Innsettinger og slettinger er ansvarlige for et stort antall mutasjoner i DMD, med 72 % av mutasjonene forårsaket av slike mutasjoner19.Klinisk viser DMD seg i spedbarnsalderen (≤5 år) med hypotensjon, positive Gowers tegn, forsinket progresjon av aldersrelaterte endringer, mental retardasjon og skjelettmuskelatrofi.Åndenød har historisk vært den ledende dødsårsaken hos DMD-pasienter, men forbedret støttebehandling (kortikosteroider, kontinuerlig positivt luftveistrykk) har økt forventet levealder hos disse pasientene, og medianalderen for DMD-pasienter født etter 1990 er 28,1 år 20 ,21 ..Men ettersom pasientens overlevelse øker, er prognosen for progressiv DCM betydelig dårligere sammenlignet med andre kardiomyopatier16, noe som fører til hjertesvikt i sluttstadiet, som for tiden er den ledende dødsårsaken, og står for omtrent 50 % av DMD-dødsfallene17,18.
Progressiv DCM er preget av økt venstre ventrikkel dilatasjon og etterlevelse, ventrikkelfortynning, økt fibrofettinfiltrasjon, redusert systolisk funksjon og økt frekvens av arytmier.Graden av DCM hos pasienter med DMD er nesten universell i slutten av ungdomsårene (90 % til 18 år), men er tilstede hos omtrent 59 % av pasientene ved 10 års alder8,22.Å løse dette problemet er kritisk ettersom venstre ventrikkels ejeksjonsfraksjon har gått jevnt ned med en hastighet på 1,6 % per år23.
Hjertearytmier er vanlige hos pasienter med DMD, spesielt sinustakykardi og ventrikkeltakykardi, og er årsaken til plutselig hjertedød22.Arytmier er et resultat av fibrofettinfiltrasjon, spesielt i den subbasale venstre ventrikkelen, som svekker returkretsløpet samt [Ca2+]i-prosesseringsdysfunksjon og ionekanaldysfunksjon24,25.Anerkjennelse av den kliniske kardiale presentasjonen er kritisk, da tidlige behandlingsstrategier kan forsinke utbruddet av alvorlig DCM.
Betydningen av å behandle hjertedysfunksjon og skjelettmuskelsykdom er vist i en interessant studie som brukte en musemodell av DMD kalt mdx26 for å studere effekten av å forbedre skjelettmuskelvev uten å adressere de underliggende hjerteproblemene som er tilstede ved DMD.Her demonstrerte forfatterne en paradoksal 5 ganger økning i hjertedysfunksjon etter bedring i skjelettmuskulatur, og mus hadde en signifikant reduksjon i ejeksjonsfraksjon26.Forbedret skjelettmuskelfunksjon gjør at høyere fysisk aktivitet gir mer belastning på myokardiet, noe som gjør det mer utsatt for generell dysfunksjon.Dette fremhever viktigheten av å behandle DMD-pasienter generelt og advarer mot skjelettmuskelterapi alene.
DGC-er utfører flere tilleggsfunksjoner, nemlig å gi strukturell stabilitet til sarkolemmaet, bli et molekylært stillas som fungerer som en signalkobling, regulere mekanosensitive ionekanaler, kjernen i costal mekanotransduksjon, og delta i overføringen av sidekraft i området av ribber (fig. 1b)..Dystrofin spiller en sentral rolle i denne evnen, og på grunn av tilstedeværelsen av mange interne promotere, er det flere forskjellige isoformer, som hver spiller en annen rolle i forskjellige vev.Differensiell vevsuttrykk av forskjellige dystrofinisoformer støtter oppfatningen om at hver isoform spiller en annen rolle.For eksempel uttrykker hjertevev full lengde (Dp427m) så vel som den kortere Dp71m isoformen av dystrofin, mens skjelettvev kun uttrykker den første av de to.Observasjon av rollen til hver undertype kan avsløre ikke bare dens fysiologiske funksjon, men også patogenesen til muskeldystrofi.
Skjematisk representasjon av dystrofin i full lengde (Dp427m) og den mindre, avkortede Dp71-isoformen.Dystrofin har 24 spektrinrepetisjoner atskilt med fire løkker, samt et aktinbindende domene (ABD), et cysteinrikt (CR) domene og en C-terminus (CT).Nøkkelbindingspartnere er identifisert, inkludert mikrotubuli (MT) og sarcolemma.Det er mange isoformer av Dp71, Dp71m refererer til muskelvevet og Dp71b refererer til nervevevets isoform.Spesielt refererer Dp71f til den cytoplasmatiske isoformen til nevroner.b Dystrofin-glykoproteinkomplekset (DHA) er lokalisert i sarcolemma som helhet.Biomekaniske krefter bytter mellom ECM og F-aktin.Legg merke til potensiell krysstale mellom DGC-er og integrin-adhesjon, Dp71 kan spille en rolle i fokale adhesjoner.Laget med Biorender.com.
DMD er den vanligste muskeldystrofien og er forårsaket av mutasjoner i DMD.For å fullt ut sette pris på vår nåværende forståelse av rollen til anti-dystrofin, er det viktig å plassere det i sammenheng med DGC som helhet.Således vil de andre konstituerende proteinene bli kort beskrevet.Proteinsammensetningen til DGC begynte å bli studert på slutten av 1980-tallet, med spesiell oppmerksomhet til dystrofin.Koenig27,28, Hoffman29 og Ervasti30 gjorde en viktig oppdagelse ved å identifisere dystrofin, et 427 kDa protein i tverrstripet muskel31.
Deretter ble andre subkomplekser vist å være assosiert med dystrofin, inkludert sarkoglykan, dystrofin-transmembran-subkomplekset, dysbrevin og syntrofiner8, som til sammen utgjør den nåværende DGC-modellen.Denne delen vil først spre bevisene for rollen til DGC i mekanosensorisk persepsjon, mens de individuelle komponentene undersøkes i detalj.
Dystrofinisoformen i full lengde som finnes i tverrstripet muskelvev er Dp427m (f.eks. "m" for muskler for å skille den fra hjernen) og er et stort stavformet protein med fire funksjonelle domener lokalisert under kardiomyocytt-sarcolemmaet, spesielt i kystregionen 29, 32. Dp427m, kodet av DMD-genet på Xp21.1, består av 79 eksoner generert ved 2,2 megabaser og er dermed det største genet i vårt genom8.
Flere interne promotere i DMD produserer flere trunkerte dystrofinisoformer, hvorav noen er vevsspesifikke.Sammenlignet med Dp427m er Dp71m betydelig avkortet og mangler et spektrinrepetisjonsdomene eller et N-terminalt ABD-domene.Imidlertid beholder Dp71m den C-terminale bindingsstrukturen.I kardiomyocytter er rollen til Dp71m uklar, men det har vist seg å lokalisere seg i T-tubuli, noe som tyder på at det kan bidra til å regulere eksitasjons-kontraksjonskoblingen 33,34,35.Så vidt vi vet, har den nylige oppdagelsen av Dp71m i hjertevev fått lite oppmerksomhet, men noen studier tyder på at det er assosiert med strekkaktiverte ionekanaler, og Masubuchi antydet at det kan spille en rolle i reguleringen av nNOS33., 36. Ved å gjøre dette har Dp71 fått betydelig oppmerksomhet innen nevrofysiologi og blodplateforskning, områder som kan gi innsikt i en rolle i kardiomyocytter37,38,39.
I nervevev er Dp71b-isoformen hovedsakelig uttrykt, med 14 isoformer rapportert38.Sletting av Dp71b, en viktig regulator av aquaporin 4 og Kir4.1 kaliumkanaler i sentralnervesystemet, har vist seg å endre blod-hjernebarrierepermeabiliteten40.Gitt rollen til Dp71b i ionekanalregulering, kan Dp71m spille en lignende rolle i kardiomyocytter.
Tilstedeværelsen av DGC i costalgangliene indikerer umiddelbart en rolle i mekanotransduksjon, og det har faktisk vist seg å samlokalisere med integrin-talin-vinkulinkomplekser 41 .Dessuten, gitt at costal-segmentet er fokus for tverrgående mekanotransduksjon, fremhever lokaliseringen av Dp427m her dens rolle i å beskytte celler mot sammentrekningsindusert skade.Videre interagerer Dp427m med aktin og mikrotubulus cytoskjelettet, og fullfører dermed forbindelsen mellom det intracellulære miljøet og den ekstracellulære matrisen.
N-terminalen som inneholder aktinbindende domene 1 (ABD1) består av to calmodulin homologi domener (CH) som er nødvendige for interaksjon med F-aktin og forankring av y-aktin isoform til sarcolemma42,43.Dystrofin kan bidra til den generelle viskoelastisiteten til kardiomyocytter ved å feste seg til det subsarcolemmale cytoskjelettet, og dets lokalisering i costalgangliene støtter dets involvering i mekanotransduksjon så vel som mekanobeskyttelse44,45.
Det sentrale kjernedomenet består av 24 spektrinlignende repeterende proteiner, som hver er omtrent 100 aminosyrerester i lengde.Spektrinrepetisjonene er ispedd fire hengseldomener, noe som gir proteinfleksibilitet og høy grad av forlengbarhet.Dystrofinspektrinrepetisjoner kan utfolde seg innenfor et fysiologisk område av krefter (15-30 pN) som strekker seg fra 21 nm til 84 nm, krefter oppnåelige for myosinkontraksjon 46 .Disse egenskapene til spektrinrepetisjonsdomenet gjør at dystrofin kan fungere som en molekylær støtdemper.
Den sentrale stangen til Dp427m sikrer dens lokalisering i sarcolemma, spesielt gjennom hydrofobe og elektrostatiske interaksjoner med fosfatidylserin 47,48.Interessant nok samhandler den sentrale kjernen av dystrofin annerledes med sarcolemma-fosfolipider i skjelett- og hjertevev, noe som muligens gjenspeiler forskjellige vårmønstre.kritisk, mens skjelettmuskulatur også er assosiert med R10-R1249.
Binding til γ-aktin-cytoskjelettet krever ABD2-spektrin-repetisjon 11–17-regionen, som består av basiske aminosyrerester og skiller seg fra det F-aktinbindende CH-domenet.Mikrotubuli interagerer direkte med kjernedomenet til dystrofin, denne interaksjonen krever rester av spektrin-repetisjoner 4-15 og 20-23, og tilstedeværelsen av ankyrin B er nødvendig for å forhindre dannelse av mikrotubuli på dette stedet.Rør er fraværende 50,51,52.Et gap mellom mikrotubuli og dystrofin har vist seg å forverre DMD-patologi ved å øke reaktive oksygenarter (X-ROS).
CR-domenet via ankyrin B er et annet anker for sarkolemmale fosfolipider52.Ankyrin-B og ankyrin-G er nødvendig for ribbelokalisering av dystrofin/DGC, og deres fravær resulterer i et diffust sarkolemmalt mønster av DGC52.
CR-domenet inneholder et WW-bindende domene som interagerer direkte med PPxY-bindingsmotivet til β-DG.Ved å feste seg til dystrofin-glykan-komplekset, fullfører dystrofin koblingen mellom innsiden og utsiden av cellen54.Denne forbindelsen er kritisk for tverrstripet muskel, noe som fremgår av det faktum at forstyrrelse av forbindelsen mellom ECM og det indre av cellen fører til livsbegrensende muskeldystrofi.
Til slutt er CT-domenet en svært konservert region som danner en spiral spiral og er kritisk for binding til α-dystrobrevin og α1-,β1-syntrofiner55,56.α-dystrobrevin binder seg til CT-domenet til dystrofin og gir ytterligere motstand mot dystrofin i sarcolemma57.
Under embryonal og fosterutvikling uttrykkes Utrofin vidt i forskjellige vev, inkludert endotelceller, nervevev og tverrstripet muskelvev58.Utrofin uttrykkes av UTRN lokalisert på kromosom 6q og er en dystrofin autolog med 80 % proteinhomologi.Under utviklingen er utrofin lokalisert i sarcolemma, men er markert undertrykt i postnatalt tverrstripet muskelvev, hvor det erstattes av dystrofin.Etter fødselen er lokaliseringen av utrofin begrenset til sener og nevromuskulære kryss i skjelettmuskulaturen58,59.
Utrofinbindingspartnere er stort sett lik de til dystrofiner, selv om noen viktige forskjeller er beskrevet.For eksempel interagerer dystrofin med β-DG gjennom WW-domenet, som stabiliseres av ZZ-domenet (oppkalt etter dets evne til å binde to sinkioner) innenfor CT-regionen, hvor cysteinsyrerester 3307-3354 er spesielt viktige for denne interaksjonen60 ., 61. Utrofin binder seg også til β-DG via WW/ZZ-domenet, men de eksakte restene som støtter denne interaksjonen skiller seg fra dystrofinrester (3307–3345 i dystrofin og 3064–3102 i utrofin) 60,61.Det er viktig at utrofins binding til β-DG var omtrent 2 ganger lavere sammenlignet med dystrofin 61. Dystrofin er rapportert å binde seg til F-aktin via spektrin-repetisjoner 11–17, mens lignende steder i utrofin ikke kan binde seg til F-aktin, selv kl. høye konsentrasjoner, men kan samhandle gjennom deres CH-domener.Aksjon 62,63,64.Til slutt, i motsetning til dystrofin, kan ikke utrofin binde seg til mikrotubuli51.
Biomekanisk har utrofinspektrinrepetisjoner et distinkt utfoldelsesmønster sammenlignet med dystrofin65.Utrofin-spektrin gjentar utplassering ved høyere krefter, lik titin, men ikke dystrofin65.Dette er i samsvar med lokaliseringen og rollen i overføringen av stiv elastisk kraft ved senekryss, men kan gjøre utrofin mindre egnet til å fungere som en molekylfjær i bufferkrefter indusert av sammentrekning 65 .Til sammen antyder disse dataene at mekanotransduksjons- og mekanobuffringsevner kan endres i nærvær av utrofin-overuttrykk, spesielt gitt forskjellige bindingspartnere/mekanismer, men dette krever ytterligere eksperimentell studie.
Fra et funksjonelt synspunkt gjør det faktum at utrofin antas å ha lignende effekter som dystrofin det til et potensielt behandlingsmål for DMD66,67.Faktisk har noen DMD-pasienter vist seg å overuttrykke utrofin, muligens som en kompenserende mekanisme, og fenotypen har blitt vellykket gjenopprettet i en musemodell med utrofin-overuttrykk 68 .Selv om oppregulering av utrofin er en sannsynlig terapeutisk strategi, gjør hensynet til den formelle og funksjonelle forskjellen mellom utrofin og dystrofin og nytten av å indusere denne overekspresjonen med riktig lokalisering langs sarcolemma den langsiktige strategien for utrofin fortsatt uklar.Spesielt viser kvinnelige bærere et mosaikkmønster av utrofinuttrykk, og forholdet mellom dystrofin og utrofin kan påvirke graden av utvidet kardiomyopati hos disse pasientene,69 selv om murine modeller av bærere har vist..
Dystroglykan-subkomplekset består av to proteiner, α- og β-dystroglykan (α-, β-DG), begge transkribert fra DAG1-genet og deretter post-translasjonelt spaltet til to komponentproteiner 71 .α-DG er sterkt glykosylert i det ekstracellulære aspektet av DGC og interagerer direkte med prolinrester i laminin α2 så vel som med agrin72 og picaculin73 og CT/CR-regionen til dystrofin73,74,75,76.O-koblet glykosylering, spesielt av serinrester, er nødvendig for dens interaksjon med ECM.Glykosyleringsveien inkluderer mange enzymer hvis mutasjoner fører til muskeldystrofi (se også tabell 1).Disse inkluderer O-mannosyltransferase POMT2, fucutin og fucutin-relatert protein (FKRP), to ribitol fosfotransferaser som tilsetter tandem ribitol fosfater til kjerneglykanet, og LARGE1 protein som tilfører xylose og glukose.Lineært uronsyrepolysakkarid, også kjent som matriksglykanet på slutten av glykanet77.FKRP er også involvert i utvikling og vedlikehold av ECM, og mutasjoner i det fører til redusert ekspresjon av laminin α2 og α-DG77,78,79.I tillegg kan FKRP også lede dannelsen av den basale laminaen og den ekstracellulære hjertematrisen gjennom glykosylert fibronektin 80.
β-DG inneholder et PPxY-bindingsmotiv som direkte lokaliserer og sekvestrerer YAP12.Dette er et interessant funn da det antyder at DGC regulerer kardiomyocyttcellesyklusen.α-DH i neonatale kardiomyocytter interagerer med agrin, noe som fremmer hjerteregenerering og DGC76-lyse på grunn av cellemodning.Når kardiomyocytter modnes, avtar aggrinekspresjonen til fordel for laminin, som antas å bidra til cellesyklusstans76.Morikawa12 viste at dobbel knockdown av dystrofin og salvador, en negativ regulator av YAP, fører til hyperproliferasjon av kardiomyocytter i den infarktfremkallende vommen.Dette førte til den spennende ideen om at YAP-manipulasjon kan være av klinisk verdi for å forhindre vevstap etter hjerteinfarkt.Således kan agrin-indusert DGC-lyse representere en akse som tillater YAP-aktivering og er en potensiell vei for hjerteregenerering.
Mekanisk er α- og β-DG nødvendig for å opprettholde interaksjon mellom sarcolemma og basallaget 81.Både α-DG og α7 integriner bidrar til kraftgenerering i costal ganglion, og tap av α-DG forårsaker separasjon av sarcolemma fra basal lamina, og etterlater skjelettmuskelvev sårbart for sammentrekningsindusert skade.Som tidligere beskrevet, regulerer dystroglykankomplekset den totale omsetningen av DGC-er, der binding til beslektet ligand-laminin resulterer i tyrosinfosforylering av det PPPY-bindende motivet til β-DG892.Tyrosinfosforylering fremmer her dystrofin-demontering, som snur DGC-komplekset.Fysiologisk er denne prosessen svært regulert, som er fraværende ved muskeldystrofi82, selv om de underliggende mekanismene som styrer denne prosessen ikke er fullt ut forstått.
Syklisk strekning har vist seg å aktivere ERK1/2- og AMPK-veiene gjennom dystrofinkomplekset og relatert protein plectin83.Sammen kreves pektin og dystroglykan ikke bare for å fungere som et stillas, men også for å delta i mekanotransduksjon, og knockdown av pektin fører til en reduksjon i aktiviteten til ERK1/2 og AMPK83.Plektin binder seg også til cytoskjelett-mellomfilament-desmin, og desmin-overuttrykk har vist seg å forbedre sykdomsfenotypen hos mdx:desmin- og mdx-mus, en DMD84-dobbel knockout-musemodell.Ved å interagere med β-DG, binder plektin indirekte DGC til denne komponenten av cytoskjelettet.I tillegg interagerer dystroglykan med vekstfaktorreseptorbindende protein 2 (Grb2), som er kjent for å være involvert i cytoskjelettomorganiseringer85.Ras-aktivering av integrin har vist seg å være mediert gjennom Grb2, som kan gi en potensiell vei for krysstale mellom integriner og DGC86.
Mutasjoner i genene involvert i α-DH-glykosylering fører til såkalt muskeldystrofi.Dystroglykanopatier viser klinisk heterogenitet, men er hovedsakelig forårsaket av en forstyrrelse i interaksjonen mellom α-DG og laminin α277.Dystrofiglikanoser forårsaket av primære mutasjoner i DAG1 er generelt ekstremt sjeldne, sannsynligvis fordi de er embryonale dødelige87, og bekrefter dermed behovet for cellulær assosiasjon med ECM.Dette betyr at de fleste dystrofiske glykansykdommer er forårsaket av sekundære proteinmutasjoner assosiert med glykosylering.For eksempel forårsaker mutasjoner i POMT1 det ekstremt alvorlige Walker-Warburg-syndromet, som er preget av anencefali og markert forkortet forventet levealder (mindre enn 3 år)88.Imidlertid manifesterer FKRP-mutasjoner seg hovedsakelig som lem-belte muskeldystrofi (LGMD), som vanligvis (men ikke alltid) er relativt mild.Imidlertid har mutasjoner i FKRP vist seg å være en sjelden årsak til WWS89.Mange mutasjoner er identifisert i FKRP, hvorav grunnleggermutasjonen (c.826>A) oftest forårsaker LGMD2I90.
LGMD2I er en relativt mild muskeldystrofi hvis patogenese er basert på forstyrrelse av forbindelsen mellom den ekstracellulære matrisen og det intracellulære cytoskjelettet.Mindre tydelig er forholdet mellom genotype og fenotype hos pasienter med mutasjoner i disse genene, og faktisk er dette konseptet anvendelig for andre DSC-proteiner.Hvorfor viser noen pasienter med FKRP-mutasjoner en sykdomsfenotype i samsvar med WWS mens andre har LGMD2I?Svaret på dette spørsmålet kan ligge i i) hvilket trinn i glykosyleringsveien som påvirkes av mutasjonen, eller ii) graden av hypoglykosylering ved et gitt trinn.Hypoglykosylering av α-DG kan fortsatt tillate en viss grad av interaksjon med ECM som resulterer i en mildere generell fenotype, mens dissosiasjon fra basalmembranen øker alvorlighetsgraden av sykdomsfenotypen.Pasienter med LGMD2I utvikler også DCM, selv om dette er mindre dokumentert enn DMD, noe som motiverer at det haster med å forstå disse mutasjonene i sammenheng med kardiomyocytter.
Sarcospan-sarcoglycan subkomplekset fremmer dannelsen av DHA og interagerer direkte med β-DH.Det er fire ensrettede sarkoglykaner i hjertevev: α, β, γ og δ91.Det har nylig blitt beskrevet at en c.218C>T missense-mutasjon i ekson 3 av SGCA-genet og en delvis heterozygot delesjon i eksoner 7–8 forårsaker LGMD2D92.Men i dette tilfellet evaluerte ikke forfatterne hjertefenotypen.
Andre grupper har funnet at SGCD i porcine93- og mouse94-modeller resulterer i redusert proteinuttrykk i sarkoglykan-subkomplekset, og forstyrrer den generelle strukturen til DGC-er og fører til DCM.I tillegg ble 19 % av alle pasienter med SGCA-, SGCB- eller SGCG-mutasjoner rapportert å ha utvidet kardiomyopati, og 25 % av alle pasienter trengte også respirasjonsstøtte95.
Recessive mutasjoner i sarkoglykan (SG) δ resulterer i en reduksjon eller fullstendig fravær av sarkoglykankomplekser og dermed DGC i hjertevev og er ansvarlige for LGMD og dets tilhørende DCM96.Interessant nok er dominant-negative mutasjoner i SG-δ spesifikke for det kardiovaskulære systemet og er årsaken til familiær utvidet kardiomyopati97.SG-δ R97Q og R71T dominant-negative mutasjoner har vist seg å være stabilt uttrykt i rottekardiomyocytter uten signifikant svekkelse av total DGC98.Imidlertid er hjerteceller som bærer disse mutasjonene mer utsatt for sarcolemmaskade, permeabilitet og mekanisk dysfunksjon under mekanisk stress, i samsvar med DCM98-fenotypen.
Sarcospan (SSPN) er et 25 kDa tetraspanin lokalisert i sarkoglykan-subkomplekset og antas å tjene som et proteinstillas99.100.Som et proteinstillas stabiliserer SSPN lokaliseringen og glykosyleringen av α-DG99,101.Overekspresjon av SSPN i musemodeller har vist seg å øke bindingen mellom muskel og laminin 102 .I tillegg har SSPN vist seg å interagere med integriner, noe som tyder på graden av krysstale mellom de to ribbeinkommissurene, DGC, og integrin-talin-vinculin-glykoproteinstrukturen100,101,102.Knockdown av SSPN resulterte også i en økning i α7β1 i museskjelettmuskulatur.
En fersk studie viste at sarcospan-overekspresjon forbedrer modning og glykosylering av α-DG i hjertevev uavhengig av galaktosylaminotransferase 2 (Galgt2) knockdown i en mdx-musemodell av DMD, og ​​lindrer dermed sykdomsfenotype 101. Økt interglykosylering kan øke interglykosyleringskomplekset. ECM, og dermed demper sykdommen mest.Dessuten har de vist at sarcospan-overuttrykk reduserer interaksjonen av β1D-integrin med DGC-er, og fremhever en mulig rolle for sarcospan i reguleringen av integrinkomplekser101.
Syntrofiner er en familie av små (58 kDa) proteiner som lokaliserer seg til DGC-er, ikke i seg selv har egen enzymatisk aktivitet og fungerer som molekylære adaptere103,104.Fem isoformer (α-1, β-1, β-2, γ-1 og γ-2) har blitt identifisert som viser vevsspesifikt uttrykk, med α-1 isoformen hovedsakelig uttrykt i tverrstripet muskelvev 105 .Syntrofiner er viktige adapterproteiner som letter kommunikasjonen mellom dystrofin og signalmolekyler, inkludert nevronal nitrogenoksidsyntase (nNOS) i skjelettmuskulaturen106.α-syntropin interagerer direkte med dystrofin 16-17 spektrin-repetisjonsdomenet, som igjen binder seg til nNOS106,107 PDZ-bindende motiv.
Syntrofiner samhandler også med dystrobrevin via PH2- og SU-bindende domener, og de samhandler også med aktincytoskjelettet 108 .Syntrofiner ser faktisk ut til å spille en spesielt viktig rolle i reguleringen av cytoskjelettdynamikk, og α- og β-isoformene er i stand til å interagere direkte med F-aktin 108 og spiller derfor sannsynligvis en rolle i reguleringen av tensegritet og biomekanikken til cellecellene. effekt.I tillegg har syntrofiner vist seg å regulere cytoskjelettet gjennom Rac1109.
Modulerende syntrofinnivåer kan gjenopprette funksjon, og en fersk studie med mini-dystrofin viste at ΔR4-R23/ΔCT-konstruksjonen var i stand til å gjenopprette α-syntropin så vel som andre DGC-proteiner til nivåer som kan sammenlignes med WT mdx-kardiomyocytter.
I tillegg til deres rolle i reguleringen av cytoskjelettet, er syntrofiner også godt dokumentert i reguleringen av ionekanaler 111,112,113.Det PDZ-bindende motivet til syntrofiner regulerer den hjertespenningsavhengige Nav1.5111-kanalen, som spiller en nøkkelrolle for å etablere hjerteeksitabilitet og ledning.Interessant nok, i mdx-musemodellen ble Nav1.5-kanaler funnet å være nedregulert og hjertearytmier ble funnet hos dyrene 111 .I tillegg har en familie av mekanosensitive ionekanaler, den transiente reseptorpotensialkanalen (TRPC), vist seg å være regulert av α1-syntropin i hjertevev 113 og TRPC6-hemming har vist seg å forbedre arytmier i DMD112-musemodellen.Økt TRPC6-aktivitet i DMD er rapportert å resultere i hjertearytmier, som lindres når de kombineres med PKG 112.Mekanisk fremmer dystrofinutarming en strekkindusert tilstrømning av [Ca2+]i som virker oppstrøms for TRPC6 for å aktivere den, som vist i kardiomyocytter og vaskulære glatte muskelceller112,114.Hyperaktivering av TRPC6 for å strekke gjør den til en viktig mekanosensor og potensielt terapeutisk mål i DMD112,114.
Tap av dystrofin fører til lysis eller markert undertrykkelse av hele DGC-komplekset, med påfølgende tap av mange mekanobeskyttende og mekanotransduksjonsfunksjoner, noe som resulterer i den katastrofale fenotypen sett i tverrstripet muskelvev i DMD.Derfor kan det være rimelig å vurdere at RSK-er fungerer sammen og at individuelle komponenter er avhengige av tilstedeværelse og funksjon av andre komponenter.Dette gjelder spesielt for dystrofin, som ser ut til å være nødvendig for montering og lokalisering av sarcolemma-komplekset i kardiomyocytter.Hver komponent spiller en unik rolle i å bidra til generell stabilisering av sarcolemma, lokalisering av viktige hjelpeproteiner, regulering av ionekanaler og genuttrykk, og tap av et enkelt protein i DGC fører til dysregulering av hele myokardiet.
Som vist ovenfor er mange DGC-proteiner involvert i mekanotransduksjon og signalering, og dystrofin er spesielt egnet for denne rollen.Hvis DGC er lokalisert i ribbeina, bekrefter dette oppfatningen om at den deltar i mekanotransduksjon sammen med integriner.Dermed gjennomgår DGC-er fysisk anisotropisk kraftoverføring og deltar i mekanosensorisk og cytoskjelettomorganisering av det intracellulære mikromiljøet, i samsvar med tensegrity-modellen.I tillegg buffer Dp427m innkommende biomekaniske krefter ved å utvide spektrin-repetisjoner innenfor det sentrale kjernedomenet, og fungerer derved som en mekanobeskytter ved å opprettholde en 25 pN avviklingskraft over et utvidet 800 nm-område.Ved å splitte er dystrofin i stand til å "buffere" kraften til sammentrekning-avslapning produsert av kardiomyocytter10.Gitt mangfoldet av proteiner og fosfolipider som interagerer med spektrinrepetisjonsdomener, er det interessant å spekulere i om spektrinrepetisjonsavvikling endrer bindingskinetikken til mekanosensitive proteiner på en måte som ligner på talin116,117,118.Dette er imidlertid ikke avklart ennå, og det er behov for ytterligere undersøkelser.