310 Rustfrit stål kapillar spiralrør kemisk komponent, Rollen af ​​dystrofin glycoprotein komplekser i mekanotransduktion af muskelceller

Tak fordi du besøgte Nature.com.Du bruger en browserversion med begrænset CSS-understøttelse.For den bedste oplevelse anbefaler vi, at du bruger en opdateret browser (eller deaktiverer kompatibilitetstilstand i Internet Explorer).For at sikre løbende support viser vi desuden siden uden styles og JavaScript.
Sliders, der viser tre artikler pr. slide.Brug tilbage- og næste-knapperne til at flytte gennem diasene, eller dias-controllerknapperne i slutningen til at flytte gennem hvert dias.

310 leverandører af kapillarspiralrør i rustfrit stål

Dystrofin er hovedproteinet i dystrofin-glykoproteinkomplekset (DGC) i skeletmuskulatur og kardiomyocytter.Dystrofin binder actincytoskelettet til den ekstracellulære matrix (ECM).Brud på forbindelsen mellem den ekstracellulære matrix og det intracellulære cytoskelet kan have ødelæggende konsekvenser for homeostasen af ​​skeletmuskelceller, hvilket fører til en række muskeldystrofier.Derudover fører tab af funktionelle DGC'er til progressiv dilateret kardiomyopati og for tidlig død.Dystrofin fungerer som en molekylær fjeder, og DHA spiller en nøglerolle i at opretholde integriteten af ​​sarkolemmaet.Desuden akkumuleres beviser, der forbinder DGC med mekanistisk signalering, selvom denne rolle stadig er dårligt forstået.Denne gennemgangsartikel har til formål at give et moderne syn på DGC'er og deres rolle i mekanotransduktion.Vi diskuterer først det komplekse forhold mellem muskelcellemekanik og funktion, og gennemgår derefter nyere forskning om rollen af ​​dystrofinglycoproteinkomplekset i mekanotransduktion og vedligeholdelse af muskelcellers biomekaniske integritet.Endelig gennemgår vi den nuværende litteratur for at forstå, hvordan DGC-signalering krydser mekanosignaleringsveje for at fremhæve potentielle fremtidige interventionspunkter med særligt fokus på kardiomyopati.
Celler er i konstant kommunikation med deres mikromiljø, og en tovejsdialog mellem dem er nødvendig for fortolkning og integration af biomekanisk information.Biomekanik styrer efterfølgende vigtige begivenheder (f.eks. cytoskeletomlægninger) ved at kontrollere den overordnede cellulære fænotype i rum og tid.Centralt for denne proces i kardiomyocytter er kystregionen, den region, hvor sarcolemmaet forbinder til en sarkomer sammensat af integrin-talin-vinculin og dystrofin-glycoprotein (DGC) komplekser.Fastgjort til det intracellulære cytoskelet udbreder disse diskrete fokale adhæsioner (FA'er) en kaskade af biomekaniske og biokemiske cellulære ændringer, der kontrollerer differentiering, proliferation, organogenese, migration, sygdomsprogression og mere.Omdannelsen af ​​biomekaniske kræfter til biokemiske og/eller (epi)genetiske ændringer er kendt som mekanotransduktion1.
Integrin-transmembranreceptoren 2 har længe været kendt for at forankre den ekstracellulære matrix i celler og mediere både intern og ekstern signalering.Parallelt med integriner binder DGC'er ECM til cytoskelettet, hvilket etablerer en kritisk forbindelse mellem ydersiden og indersiden af ​​cellen3.Dystrofin i fuld længde (Dp427) udtrykkes primært i hjerte- og skeletmuskler, men ses også i væv i centralnervesystemet, herunder nethinden og Purkinje-væv4.Mutationer i integriner og DGC menes at være årsagerne til muskeldystrofi og progressiv dilateret kardiomyopati (DCM) (tabel 1)5,6.Især DMD-mutationer, der koder for det centrale dystrofinprotein DGC'er, forårsager Duchenne muskeldystrofi (DMD)7.DGC er sammensat af flere subkomplekser, herunder α- og β-dystroglycan (α/β-DG), sarcoglycan-sarcospan, syntrophin og dystrofin8.
Dystrophin er et cytoskeletprotein kodet af DMD (Xp21.1-Xp22), som spiller en central rolle i at opretholde DGC.DGC opretholder integriteten af ​​sarcolemma, plasmamembranen af ​​tværstribet muskelvæv.Dystrofin dæmper yderligere skader forårsaget af kontraktion ved at fungere som en molekylær fjeder og et molekylært stillads9,10.Dystrofin i fuld længde har en molekylvægt på 427 kDa, men på grund af de mange interne promotorer i DMD er der flere naturligt forekommende trunkerede isoformer, herunder Dp7111.
Tilbehørsproteiner har vist sig at være lokaliseret til dystrofin, herunder ægte mekanotransducere, såsom neuronal nitrogenoxidsyntase (nNOS), Yes-associeret protein (YAP) og caveolin-3, hvilket repræsenterer vigtige komponenter i cellulær signalering.Forbindelser 12, 13, 14. Ud over adhæsion, en cellulær mekanisme forbundet med interaktioner mellem celler og matrixen, dannet af integriner og deres downstream-mål, repræsenterer disse to komplekser grænsefladen mellem "inde" og "ydersiden" af cellen .Beskyttelse af disse fokale adhæsioner mod unormal ødelæggelse er afgørende for celleadfærd og overlevelse.Derudover understøtter data, at dystrofin er en modulator af mekanosensitive ionkanaler, herunder strækaktiverede kanaler, især L-type Ca2+ kanaler og TRPC 15 kanaler.
Selvom dystrofin er vigtig for den homøostatiske funktion af tværstribede muskelceller, er de præcise støttemekanismer mindre klare, især dystrofins rolle og dets evne til at fungere som en mekanosensor og mekanisk beskytter.På grund af tabet af dystrofin er der opstået adskillige ubesvarede spørgsmål, herunder: er mekanosensitive proteiner som YAP og AMPK fejlplaceret til sarcolemma;Er der krydstale med integriner, omstændigheder der kan føre til unormal mekanotransduktion?Alle disse funktioner kan bidrage til den alvorlige DCM-fænotype, der ses hos patienter med DMD.
Derudover har forbindelsen mellem ændringer i cellulær biomekanik med den overordnede DMD-fænotype vigtige kliniske implikationer.DMD er en X-bundet muskeldystrofi, der rammer 1:3500-5000 mænd, karakteriseret ved tidligt tab af mobilitet (<5 år) og progressiv DCM med en signifikant dårligere prognose end DCM af andre ætiologier16,17,18.
Biomekanikken bag dystrofintab er ikke blevet fuldstændig beskrevet, og her gennemgår vi beviserne, der understøtter forestillingen om, at dystrofin faktisk spiller en mekanobeskyttende rolle, dvs. opretholder integriteten af ​​sarcolemmaet, og er kritisk i mekanotransduktion.Derudover gennemgik vi beviserne, der tyder på vigtig krydstale med integriner, der specifikt binder laminin α7β1D i tværstribede muskelceller.
Insertioner og deletioner er ansvarlige for et stort antal mutationer i DMD, hvor 72% af mutationerne er forårsaget af sådanne mutationer19.Klinisk viser DMD sig i spædbarnsalderen (≤5 år) med hypotension, positive Gowers tegn, forsinket progression af aldersrelaterede ændringer, mental retardering og skeletmuskelatrofi.Åndedrætsbesvær har historisk set været den førende dødsårsag hos DMD-patienter, men forbedret understøttende behandling (kortikosteroider, kontinuerligt positivt luftvejstryk) har øget den forventede levetid hos disse patienter, og medianalderen for DMD-patienter født efter 1990 er 28,1 år 20 ,21 ..Men efterhånden som patientoverlevelsen stiger, er prognosen for progressiv DCM betydeligt dårligere sammenlignet med andre kardiomyopatier16, hvilket fører til hjertesvigt i slutstadiet, som i øjeblikket er den førende dødsårsag, der tegner sig for ca. 50% af DMD-dødsfald17,18.
Progressiv DCM er karakteriseret ved øget venstre ventrikulær dilatation og compliance, ventrikulær udtynding, øget fibrofedtinfiltration, nedsat systolisk funktion og øget hyppighed af arytmier.Graden af ​​DCM hos patienter med DMD er næsten universel i slutningen af ​​teenageårene (90 % til 18 år), men er til stede hos ca. 59 % af patienterne ved 10 års alderen8,22.Det er kritisk at løse dette problem, da venstre ventrikulære ejektionsfraktion har været støt faldende med en hastighed på 1,6 % om året23.
Hjertearytmier er almindelige hos patienter med DMD, især sinustakykardi og ventrikulær takykardi, og er årsagen til pludselig hjertedød22.Arytmier er resultatet af fibrofedt infiltration, især i den subbasale venstre ventrikel, som forringer returkredsløbet samt [Ca2+]i-processeringsdysfunktion og ionkanaldysfunktion24,25.Anerkendelse af den kliniske kardiale præsentation er kritisk, da tidlige behandlingsstrategier kan forsinke begyndelsen af ​​alvorlig DCM.
Vigtigheden af ​​at behandle hjertedysfunktion og skeletmuskelsygelighed er vist i en interessant undersøgelse, der brugte en musemodel af DMD kaldet mdx26 til at studere virkningerne af at forbedre skeletmuskelvæv uden at adressere de underliggende hjerteproblemer, der er til stede ved DMD.Her påviste forfatterne en paradoksal 5-fold stigning i hjertedysfunktion efter forbedring af skeletmuskulaturen, og mus havde en signifikant reduktion i ejektionsfraktion26.Forbedret skeletmuskelfunktion tillader højere fysisk aktivitet for at belaste myokardiet mere, hvilket gør det mere modtageligt for generel dysfunktion.Dette fremhæver vigtigheden af ​​at behandle DMD-patienter generelt og advarer mod skeletmuskelterapi alene.
DGC'er udfører adskillige yderligere funktioner, nemlig at give strukturel stabilitet til sarkolemmaet, blive et molekylært stillads, der fungerer som et signalforbindelse, regulere mekanofølsomme ionkanaler, kernen i costal mekanotransduktion og deltage i transmissionen af ​​lateral kraft i området af ribben (fig. 1b)..Dystrofin spiller en central rolle i denne evne, og på grund af tilstedeværelsen af ​​mange interne promotorer er der flere forskellige isoformer, som hver spiller en forskellig rolle i forskellige væv.Differentiel vævsekspression af forskellige dystrofinisoformer understøtter forestillingen om, at hver isoform spiller en forskellig rolle.For eksempel udtrykker hjertevæv den fulde længde (Dp427m) såvel som den kortere Dp71m isoform af dystrofin, mens skeletvæv kun udtrykker den første af de to.Observation af hver undertypes rolle kan afsløre ikke kun dens fysiologiske funktion, men også patogenesen af ​​muskeldystrofi.
Skematisk repræsentation af dystrofinen i fuld længde (Dp427m) og den mindre, trunkerede Dp71-isoform.Dystrofin har 24 spektrin-gentagelser adskilt af fire sløjfer, samt et actin-bindende domæne (ABD), et cysteinrigt (CR) domæne og en C-terminal (CT).Nøglebindingspartnere er blevet identificeret, herunder mikrotubuli (MT'er) og sarcolemma.Der er mange isoformer af Dp71, Dp71m refererer til muskelvævet og Dp71b refererer til nervevævsisoformen.Især refererer Dp71f til den cytoplasmatiske isoform af neuroner.b Dystrofin-glycoproteinkomplekset (DHA) er placeret i sarcolemmaet som helhed.Biomekaniske kræfter skifter mellem ECM og F-actin.Bemærk potentiel krydstale mellem DGC'er og integrinadhæsion, Dp71 kan spille en rolle i fokale adhæsioner.Oprettet med Biorender.com.
DMD er den mest almindelige muskeldystrofi og er forårsaget af mutationer i DMD.Men for fuldt ud at værdsætte vores nuværende forståelse af anti-dystrofins rolle, er det vigtigt at placere det i sammenhæng med DGC som helhed.Således vil de andre konstituerende proteiner blive kort beskrevet.Proteinsammensætningen af ​​DGC begyndte at blive undersøgt i slutningen af ​​1980'erne, med særlig opmærksomhed på dystrofin.Koenig27,28, Hoffman29 og Ervasti30 gjorde en vigtig opdagelse ved at identificere dystrofin, et 427 kDa protein i tværstribet muskel31.
Efterfølgende blev andre subkomplekser vist at være forbundet med dystrofin, herunder sarcoglycan, transsyn, dystrophin subcomplex, dysbrevin og syntrophins8, som tilsammen udgør den nuværende DGC-model.Dette afsnit vil først formidle beviserne for DGC's rolle i mekanosensorisk perception, mens de enkelte komponenter undersøges i detaljer.
Den fuldlængde dystrofinisoform, der findes i tværstribet muskelvæv, er Dp427m (f.eks. "m" for muskler for at skelne den fra hjernen) og er et stort stavformet protein med fire funktionelle domæner placeret under cardiomyocytesarcolemmaet, især i kystregionen 29, 32. Dp427m, kodet af DMD-genet på Xp21.1, består af 79 exoner genereret ved 2,2 megabaser og er således det største gen i vores genom8.
Adskillige interne promotorer i DMD producerer flere trunkerede dystrofinisoformer, hvoraf nogle er vævsspecifikke.Sammenlignet med Dp427m er Dp71m væsentligt trunkeret og mangler et spektrin-gentagelsesdomæne eller et N-terminalt ABD-domæne.Imidlertid bevarer Dp71m den C-terminale bindingsstruktur.I kardiomyocytter er rollen for Dp71m uklar, men det har vist sig at lokalisere sig i T-tubuli, hvilket tyder på, at det kan hjælpe med at regulere excitations-kontraktionskoblingen 33,34,35.Så vidt vi ved, har den nylige opdagelse af Dp71m i hjertevæv fået lidt opmærksomhed, men nogle undersøgelser tyder på, at det er forbundet med strækaktiverede ionkanaler, og Masubuchi foreslog, at det kan spille en rolle i reguleringen af ​​nNOS33., 36. Derved har Dp71 fået betydelig opmærksomhed inden for neurofysiologi og blodpladeforskning, områder der kan give indsigt i en rolle i kardiomyocytter37,38,39.
I nervevæv er Dp71b-isoformen overvejende udtrykt, med 14 isoformer rapporteret38.Deletion af Dp71b, en vigtig regulator af aquaporin 4 og Kir4.1 kaliumkanaler i centralnervesystemet, har vist sig at ændre blod-hjernebarriere-permeabiliteten40.I betragtning af Dp71bs rolle i ionkanalregulering kan Dp71m spille en lignende rolle i kardiomyocytter.
Tilstedeværelsen af ​​DGC i costalganglierne indikerer umiddelbart en rolle i mekanotransduktion, og det har faktisk vist sig at co-lokalisere med integrin-talin-vinculin-komplekser 41 .Desuden, i betragtning af at kystsegmentet er et fokus for tværgående mekanotransduktion, fremhæver lokaliseringen af ​​Dp427m her dens rolle i at beskytte celler mod skade forårsaget af sammentrækning.Yderligere interagerer Dp427m med actin og mikrotubulus cytoskelettet og fuldender derved forbindelsen mellem det intracellulære miljø og den ekstracellulære matrix.
Den N-terminale ende indeholdende actin-bindende domæne 1 (ABD1) består af to calmodulin homologi domæner (CH), der er nødvendige for interaktion med F-actin og forankring af y-actin isoformen til sarcolemma42,43.Dystrofin kan bidrage til kardiomyocytternes samlede viskoelasticitet ved at binde sig til det subsarcolemmale cytoskelet, og dets lokalisering i costalganglierne understøtter dets involvering i mekanotransduktion såvel som mekanobeskyttelse44,45.
Det centrale kernedomæne består af 24 spektrinlignende gentagelsesproteiner, som hver er ca. 100 aminosyrerester i længden.Spektringentagelserne er spækket med fire hængseldomæner, hvilket giver proteinet fleksibilitet og en høj grad af strækbarhed.Dystrofinspektrin-gentagelser kan udfolde sig inden for et fysiologisk område af kræfter (15-30 pN), der strækker sig fra 21 nm til 84 nm, kræfter, der kan opnås for myosinkontraktion 46 .Disse funktioner i spektringentagelsesdomænet gør det muligt for dystrofin at fungere som en molekylær støddæmper.
Den centrale stang af Dp427m sikrer dens lokalisering i sarcolemmaet, især gennem hydrofobe og elektrostatiske interaktioner med phosphatidylserin 47,48.Interessant nok interagerer den centrale kerne af dystrofin forskelligt med sarcolemma-phospholipider i skelet- og hjertevæv, hvilket muligvis afspejler forskellige fjedermønstre.kritisk, mens skeletmuskler også er forbundet med R10-R1249.
Binding til γ-actin cytoskelettet kræver ABD2 spectrin repeat 11-17 regionen, som består af basiske aminosyrerester og adskiller sig fra det F-actin-bindende CH-domæne.Mikrotubuli interagerer direkte med dystrofins kernedomæne, denne interaktion kræver rester af spektrin-gentagelser 4-15 og 20-23, og tilstedeværelsen af ​​ankyrin B er påkrævet for at forhindre dannelsen af ​​mikrotubuli på dette sted.Rør er fraværende 50,51,52.En kløft mellem mikrotubuli og dystrofin har vist sig at forværre DMD-patologi ved at øge reaktive oxygenarter (X-ROS).
CR-domænet via ankyrin B er et andet anker for sarcolemmale fosfolipider52.Ankyrin-B og ankyrin-G er påkrævet til ribbenslokalisering af dystrofin/DGC, og deres fravær resulterer i et diffust sarcolemmalt mønster af DGC52.
CR-domænet indeholder et WW-bindingsdomæne, der interagerer direkte med PPxY-bindingsmotivet af β-DG.Ved at binde sig til dystrofin-glycan-komplekset fuldender dystrofin forbindelsen mellem indersiden og ydersiden af ​​cellen54.Denne forbindelse er kritisk for tværstribede muskler, hvilket fremgår af det faktum, at forstyrrelse af forbindelsen mellem ECM og det indre af cellen fører til livsbegrænsende muskeldystrofi.
Endelig er CT-domænet en meget konserveret region, der danner en oprullet helix og er kritisk for binding til α-dystrobrevin og α1-,β1-syntrophins55,56.α-dystrobrevin binder til CT-domænet af dystrofin og giver yderligere resistens over for dystrofin i sarcolemma57.
Under embryonal og føtal udvikling er Utrophin bredt udtrykt i forskellige væv, herunder endotelceller, nervevæv og tværstribet muskelvæv58.Utrophin udtrykkes af UTRN placeret på kromosom 6q og er en dystrofin autolog med 80 % proteinhomologi.Under udviklingen er utrophin lokaliseret i sarcolemmaet, men undertrykkes markant i postnatalt tværstribet muskelvæv, hvor det erstattes af dystrofin.Efter fødslen er lokaliseringen af ​​utrophin begrænset til sener og neuromuskulære samlinger af skeletmuskler58,59.
Utrofinbindingspartnere ligner stort set dem for dystrofiner, selvom nogle vigtige forskelle er blevet beskrevet.For eksempel interagerer dystrofin med β-DG gennem dets WW-domæne, som stabiliseres af ZZ-domænet (opkaldt efter dets evne til at binde to zinkioner) inden for dets CT-område, hvor cysteinsyrerester 3307-3354 er særligt vigtige for denne interaktion60 ., 61. Utrophin binder sig også til β-DG via WW/ZZ-domænet, men de nøjagtige rester, der understøtter denne interaktion, adskiller sig fra dystrofinrester (3307-3345 i dystrofin og 3064-3102 i utrophin) 60,61.Det er vigtigt, at utrophins binding til β-DG var ca. 2 gange lavere sammenlignet med dystrofin 61. Dystrophin er blevet rapporteret at binde til F-actin via spektrin-gentagelser 11-17, mens lignende steder i utrophin ikke kan binde til F-actin, selv kl. høje koncentrationer, men kan interagere gennem deres CH-domæner.Aktion 62,63,64.Endelig, i modsætning til dystrofin, kan utrophin ikke binde til mikrotubuli51.
Biomekanisk har utrophin-spektrin-gentagelser et tydeligt udfoldelsesmønster sammenlignet med dystrofin65.Utrophin-spektrin gentager indsættelse ved højere kræfter, svarende til titin, men ikke dystrofin65.Dette er i overensstemmelse med dets lokalisering og rolle i transmissionen af ​​stiv elastisk kraft ved seneforbindelser, men kan gøre utrophin mindre egnet til at fungere som en molekylær fjeder i bufferkræfter induceret af sammentrækning 65 .Tilsammen tyder disse data på, at mekanotransduktion og mekanobufferevne kan ændres i nærvær af utrophin-overekspression, især givet forskellige bindingspartnere/mekanismer, men dette kræver yderligere eksperimentel undersøgelse.
Fra et funktionelt synspunkt gør det faktum, at utrophin menes at have lignende virkninger som dystrofin, det til et potentielt behandlingsmål for DMD66,67.Faktisk har nogle DMD-patienter vist sig at overudtrykke utrophin, muligvis som en kompenserende mekanisme, og fænotypen er med succes blevet genoprettet i en musemodel med utrophin-overekspression 68 .Mens opregulering af utrophin er en sandsynlig terapeutisk strategi, gør overvejelse af den formelle og funktionelle forskel mellem utrophin og dystrofin og nytten af ​​at inducere denne overekspression med korrekt lokalisering langs sarcolemma den langsigtede strategi for utrophin stadig uklar.Navnlig viser kvindelige bærere et mosaikmønster af utrophinekspression, og forholdet mellem dystrofin og utrophin kan påvirke graden af ​​dilateret kardiomyopati hos disse patienter,69 selvom murine modeller af bærere har vist..
Dystroglycan-subkomplekset består af to proteiner, α- og β-dystroglycan (α-, β-DG), begge transskriberet fra DAG1-genet og derefter post-translationelt spaltet til to komponentproteiner 71 .α-DG er stærkt glycosyleret i det ekstracellulære aspekt af DGC'er og interagerer direkte med prolinrester i laminin α2 såvel som med agrin72 og picaculin73 og CT/CR-regionen af ​​dystrofin73,74,75,76.O-bundet glycosylering, især af serinrester, er påkrævet for dets interaktion med ECM.Glykosyleringsvejen omfatter mange enzymer, hvis mutationer fører til muskeldystrofi (se også tabel 1).Disse omfatter O-mannosyltransferase POMT2, fucutin og fucutin-relateret protein (FKRP), to ribitol-phosphotransferaser, der tilføjer tandem-ribitol-phosphater til kerneglycanen, og LARGE1-proteinet, der tilføjer xylose og glucose.Lineært uronsyrepolysaccharid, også kendt som matrixglycanen i slutningen af ​​glycanen77.FKRP er også involveret i udviklingen og vedligeholdelsen af ​​ECM, og mutationer i det fører til nedsat ekspression af laminin α2 og α-DG77,78,79.Derudover kan FKRP også styre dannelsen af ​​den basale lamina og den cardiale ekstracellulære matrix gennem glycosyleret fibronectin 80.
β-DG indeholder et PPxY-bindingsmotiv, der direkte lokaliserer og sekvestrerer YAP12.Dette er et interessant fund, da det antyder, at DGC regulerer kardiomyocytcellecyklussen.α-DH i neonatale kardiomyocytter interagerer med agrin, hvilket fremmer hjerteregenerering og DGC76-lyse på grund af cellemodning.Når kardiomyocytter modnes, falder aggrinekspression til fordel for laminin, som menes at bidrage til cellecyklusstandsning76.Morikawa12 viste, at dobbelt knockdown af dystrofin og salvador, en negativ regulator af YAP, fører til hyperproliferation af kardiomyocytter i den infarktfremkaldende vom.Dette førte til den spændende idé, at YAP-manipulation kunne være af klinisk værdi til at forhindre vævstab efter myokardieinfarkt.Således kunne agrin-induceret DGC-lyse repræsentere en akse, der muliggør YAP-aktivering og er en potentiel vej for hjerteregenerering.
Mekanisk kræves α- og β-DG for at opretholde interaktion mellem sarcolemma og basallaget 81.Både α-DG- og α7-integriner bidrager til kraftgenerering i costal ganglion, og tab af α-DG forårsager adskillelse af sarcolemmaet fra basal lamina, hvilket efterlader skeletmuskelvæv sårbart over for kontraktionsinduceret skade.Som tidligere beskrevet regulerer dystroglycankomplekset den samlede omsætning af DGC'er, hvor binding til beslægtet ligand-laminin resulterer i tyrosinphosphorylering af det PPPY-bindende motiv af β-DG892.Tyrosin-phosphorylering fremmer her dystrofin-adskillelse, som vender DGC-komplekset.Fysiologisk er denne proces stærkt reguleret, hvilket er fraværende i muskeldystrofi82, selvom de underliggende mekanismer, der styrer denne proces, ikke er fuldt ud forstået.
Cyklisk strækning har vist sig at aktivere ERK1/2- og AMPK-vejene gennem dystrofinkomplekset og beslægtet protein plectin83.Sammen kræves plectin og dystroglycan ikke kun for at fungere som et stillads, men også for at deltage i mekanotransduktion, og knockdown af plectin fører til et fald i aktiviteten af ​​ERK1/2 og AMPK83.Plectin binder sig også til cytoskeletalt mellemfilament-desmin, og desmin-overekspression har vist sig at forbedre sygdomsfænotypen i mdx:desmin- og mdx-mus, en DMD84-dobbelt knockout-musemodel.Ved at interagere med β-DG binder plectin indirekte DGC til denne komponent af cytoskelettet.Derudover interagerer dystroglycan med vækstfaktor receptor-bindende protein 2 (Grb2), som er kendt for at være involveret i cytoskeletale omlejringer85.Ras-aktivering af integrin har vist sig at blive medieret gennem Grb2, hvilket kan give en potentiel vej for krydstale mellem integriner og DGC86.
Mutationer i generne involveret i α-DH glykosylering fører til den såkaldte muskeldystrofi.Dystroglycanopatier viser klinisk heterogenitet, men er hovedsageligt forårsaget af en forstyrrelse i interaktionen mellem α-DG og laminin α277.Dystrofiglicanoser forårsaget af primære mutationer i DAG1 er generelt ekstremt sjældne, sandsynligvis fordi de er embryonale dødelige87, hvilket bekræfter behovet for cellulær association med ECM.Det betyder, at de fleste dystrofiske glycansygdomme er forårsaget af sekundære proteinmutationer forbundet med glykosylering.For eksempel forårsager mutationer i POMT1 det ekstremt alvorlige Walker-Warburg syndrom, som er karakteriseret ved anencefali og markant forkortet forventet levetid (mindre end 3 år)88.FKRP-mutationer manifesterer sig dog overvejende som limb-belt-muskulær dystrofi (LGMD), som normalt (men ikke altid) er relativt mild.Imidlertid har mutationer i FKRP vist sig at være en sjælden årsag til WWS89.Mange mutationer er blevet identificeret i FKRP, hvoraf grundmutationen (c.826>A) oftest forårsager LGMD2I90.
LGMD2I er en relativt mild muskeldystrofi, hvis patogenese er baseret på forstyrrelse af forbindelsen mellem den ekstracellulære matrix og det intracellulære cytoskelet.Mindre tydeligt er forholdet mellem genotype og fænotype hos patienter med mutationer i disse gener, og dette koncept er faktisk anvendeligt til andre DSC-proteiner.Hvorfor viser nogle patienter med FKRP-mutationer en sygdomsfænotype i overensstemmelse med WWS, mens andre har LGMD2I?Svaret på dette spørgsmål kan ligge i i) hvilket trin af glycosyleringsvejen, der påvirkes af mutationen, eller ii) graden af ​​hypoglykosylering på et givet trin.Hypoglykosylering af α-DG kan stadig tillade en vis grad af interaktion med ECM, hvilket resulterer i en mildere overordnet fænotype, mens dissociation fra basalmembranen øger sværhedsgraden af ​​sygdommens fænotype.Patienter med LGMD2I udvikler også DCM, selvom dette er mindre dokumenteret end DMD, hvilket motiverer det hastende med at forstå disse mutationer i sammenhæng med kardiomyocytter.
Sarcospan-sarcoglycan subkomplekset fremmer dannelsen af ​​DHA og interagerer direkte med β-DH.Der er fire ensrettede sarcoglycaner i hjertevæv: α, β, γ og δ91.Det er for nylig blevet beskrevet, at en c.218C>T missense-mutation i exon 3 af SGCA-genet og en delvis heterozygot deletion i exoner 7-8 forårsager LGMD2D92.Men i dette tilfælde evaluerede forfatterne ikke hjertefænotypen.
Andre grupper har fundet ud af, at SGCD i porcine93- og mouse94-modeller resulterer i reduceret proteinekspression i sarcoglycan-subkomplekset, hvilket forstyrrer den overordnede struktur af DGC'er og fører til DCM.Derudover blev 19 % af alle patienter med SGCA-, SGCB- eller SGCG-mutationer rapporteret at have dilateret kardiomyopati, og 25 % af alle patienter havde også brug for respiratorisk støtte95.
Recessive mutationer i sarcoglycan (SG) δ resulterer i en reduktion eller fuldstændig fravær af sarcoglycankomplekser og dermed DGC i hjertevæv og er ansvarlige for LGMD og dets associerede DCM96.Interessant nok er dominant-negative mutationer i SG-δ specifikke for det kardiovaskulære system og er årsagen til familiær dilateret kardiomyopati97.SG-δ R97Q og R71T dominant-negative mutationer har vist sig at blive stabilt udtrykt i rotte-kardiomyocytter uden signifikant svækkelse af total DGC98.Imidlertid er hjerteceller, der bærer disse mutationer, mere modtagelige for sarcolemma-beskadigelse, permeabilitet og mekanisk dysfunktion under mekanisk stress, i overensstemmelse med DCM98-fænotypen.
Sarcospan (SSPN) er en 25 kDa tetraspanin lokaliseret i sarcoglycan subkomplekset og menes at tjene som et protein stillads99.100.Som et protein stillads stabiliserer SSPN lokaliseringen og glycosyleringen af ​​α-DG99,101.Overekspression af SSPN i musemodeller har vist sig at øge bindingen mellem muskel og laminin 102.Derudover har SSPN vist sig at interagere med integriner, hvilket tyder på graden af ​​krydstale mellem de to ribbenskommissurer, DGC, og integrin-talin-vinculin-glycoproteinstrukturen100,101,102.Knockdown af SSPN resulterede også i en stigning i α7β1 i musens skeletmuskulatur.
En nylig undersøgelse viste, at sarcospan-overekspression øger modning og glycosylering af α-DG i hjertevæv uafhængigt af galactosylaminotransferase 2 (Galgt2) knockdown i en mdx-musemodel af DMD, og ​​derved lindre sygdomsfænotype 101. Øget dystroglykosylering med komplekset ECM, hvorved sygdommen mest afbødes.Desuden har de vist, at sarcospan-overekspression reducerer interaktionen af ​​β1D-integrin med DGC'er, hvilket fremhæver en mulig rolle for sarcospan i reguleringen af ​​integrinkomplekser101.
Syntrophiner er en familie af små (58 kDa) proteiner, der lokaliseres til DGC'er, ikke selv har iboende enzymatisk aktivitet og tjener som molekylære adaptere103,104.Fem isoformer (α-1, β-1, β-2, γ-1 og γ-2) er blevet identificeret, der viser vævsspecifik ekspression, hvor α-1 isoformen overvejende udtrykkes i tværstribet muskelvæv 105 .Syntrophiner er vigtige adapterproteiner, der letter kommunikationen mellem dystrofin og signalmolekyler, herunder neuronal nitrogenoxidsyntase (nNOS) i skeletmuskulaturen106.α-syntrophin interagerer direkte med dystrofin 16-17 spektrin-gentagelsesdomænet, som igen binder til det nNOS106,107 PDZ-bindende motiv.
Syntrophiner interagerer også med dystrobrevin via PH2- og SU-bindingsdomænerne, og de interagerer også med actin-cytoskelettet 108 .Syntrophiner ser faktisk ud til at spille en særlig vigtig rolle i reguleringen af ​​cytoskeletdynamik, og α- og β-isoformerne er i stand til at interagere direkte med F-actin 108 og spiller således sandsynligvis en rolle i reguleringen af ​​tensegrity og cellulære biomekanik. effekt.Derudover har syntrophiner vist sig at regulere cytoskelettet gennem Rac1109.
Modulerende syntrophin-niveauer kan genoprette funktionen, og en nylig undersøgelse med mini-dystrophin viste, at ΔR4-R23/ΔCT-konstruktionen var i stand til at genoprette α-syntrophin såvel som andre DGC-proteiner til niveauer, der kan sammenlignes med WT mdx-kardiomyocytter.
Ud over deres rolle i reguleringen af ​​cytoskelettet er syntrophiner også veldokumenterede i reguleringen af ​​ionkanaler 111,112,113.Det PDZ-bindende motiv af syntrophiner regulerer den hjertespændingsafhængige Nav1.5111-kanal, som spiller en nøglerolle i etableringen af ​​hjertets excitabilitet og ledning.Interessant nok viste det sig, at Nav1.5-kanaler i mdx-musemodellen var nedreguleret, og der blev fundet hjertearytmier i dyrene 111 .Derudover har en familie af mekanosensitive ionkanaler, den transiente receptorpotentiale kanal (TRPC), vist sig at være reguleret af α1-syntrophin i hjertevæv 113, og TRPC6-hæmning har vist sig at forbedre arytmier i DMD112-musemodellen.Øget TRPC6-aktivitet i DMD er blevet rapporteret at resultere i hjertearytmier, som lindres, når de kombineres med PKG 112.Mekanisk fremmer dystrofinudtømning en stræk-induceret tilstrømning af [Ca2+]i, der virker opstrøms for TRPC6 for at aktivere den, som vist i kardiomyocytter og vaskulære glatte muskelceller112,114.Hyperaktivering af TRPC6 til at strække gør det til en vigtig mekanosensor og potentielt terapeutisk mål i DMD112,114.
Tab af dystrofin fører til lysis eller markant undertrykkelse af hele DGC-komplekset med efterfølgende tab af mange mekanoprotektive og mekanotransduktionsfunktioner, hvilket resulterer i den katastrofale fænotype, der ses i tværstribet muskelvæv i DMD.Derfor kan det være rimeligt at overveje, at RSK'er arbejder sammen, og at individuelle komponenter er afhængige af tilstedeværelsen og funktion af andre komponenter.Dette gælder især for dystrofin, som ser ud til at være nødvendig for samling og lokalisering af sarcolemma-komplekset i kardiomyocytter.Hver komponent spiller en unik rolle i at bidrage til overordnet stabilisering af sarkolemmaet, lokalisering af nøgleaccessoriske proteiner, regulering af ionkanaler og genekspression, og tabet af et enkelt protein i DGC fører til dysregulering af hele myokardiet.
Som vist ovenfor er mange DGC-proteiner involveret i mekanotransduktion og signalering, og dystrofin er særligt velegnet til denne rolle.Hvis DGC er placeret i ribbenene, bekræfter dette den opfattelse, at det deltager i mekanotransduktion sammen med integriner.Således gennemgår DGC'er fysisk anisotropisk kraftoverførsel og deltager i mekanosensorisk og cytoskelet-omlejring af det intracellulære mikromiljø, i overensstemmelse med tensegrity-modellen.Derudover buffer Dp427m indkommende biomekaniske kræfter ved at udvide spektrin-gentagelser inden for dets centrale kernedomæne, og fungerer derved som en mekanoprotektor ved at opretholde en 25 pN afviklingskraft over et udvidet 800 nm-område.Ved at spalte er dystrofin i stand til at "buffere" kraften af ​​kontraktion-afslapning produceret af kardiomyocytter10.I betragtning af mangfoldigheden af ​​proteiner og phospholipider, der interagerer med spektrin-gentagelsesdomæner, er det interessant at spekulere i, om spektrin-gentagelsesafviklingen ændrer bindingskinetikken af ​​mekanosensitive proteiner på en måde, der svarer til talin116,117,118.Dette er dog endnu ikke fastlagt, og yderligere undersøgelse er påkrævet.