Stal nierdzewna 347/347H Spawane cewki Rury składnik chemiczny, Rola kompleksów glikoproteinowych dystrofiny w mechanotransdukcji komórek mięśniowych

Dziękujemy za odwiedzenie Nature.com.Używasz wersji przeglądarki z ograniczoną obsługą CSS.Aby uzyskać najlepszą jakość, zalecamy użycie zaktualizowanej przeglądarki (lub wyłączenie trybu zgodności w przeglądarce Internet Explorer).Dodatkowo, aby zapewnić bieżące wsparcie, pokazujemy witrynę bez stylów i JavaScript.
Suwaki pokazujące trzy artykuły na slajd.Użyj przycisków Wstecz i Dalej, aby poruszać się po slajdach, lub przycisków kontrolera slajdów na końcu, aby poruszać się po poszczególnych slajdach.

Dystrofina jest głównym białkiem kompleksu dystrofina-glikoproteina (DGC) w mięśniach szkieletowych i kardiomiocytach.Dystrofina wiąże cytoszkielet aktynowy z macierzą zewnątrzkomórkową (ECM).Zerwanie połączenia między macierzą zewnątrzkomórkową a cytoszkieletem wewnątrzkomórkowym może mieć niszczycielskie konsekwencje dla homeostazy komórek mięśni szkieletowych, prowadząc do szeregu dystrofii mięśniowych.Ponadto utrata funkcjonalnych DGC prowadzi do postępującej kardiomiopatii rozstrzeniowej i przedwczesnej śmierci.Dystrofina działa jak sprężyna molekularna, a DHA odgrywa kluczową rolę w utrzymaniu integralności sarkolemy.Co więcej, gromadzą się dowody łączące DGC z sygnalizacją mechanistyczną, chociaż rola ta pozostaje słabo poznana.Celem tego artykułu przeglądowego jest przedstawienie współczesnego spojrzenia na DGC i ich rolę w mechanotransdukcji.Najpierw omawiamy złożony związek między mechaniką i funkcją komórek mięśniowych, a następnie dokonujemy przeglądu najnowszych badań nad rolą kompleksu glikoproteinowego dystrofiny w mechanotransdukcji i utrzymaniu integralności biomechanicznej komórek mięśniowych.Na koniec dokonujemy przeglądu aktualnej literatury, aby zrozumieć, w jaki sposób sygnalizacja DGC przecina się ze szlakami mechanosygnalizacji, aby podkreślić potencjalne przyszłe punkty interwencji, ze szczególnym uwzględnieniem kardiomiopatii.
Komórki pozostają w ciągłej komunikacji ze swoim mikrośrodowiskiem, a do interpretacji i integracji informacji biomechanicznej niezbędny jest dwukierunkowy dialog między nimi.Biomechanika kontroluje kluczowe późniejsze zdarzenia (np. rearanżacje cytoszkieletu) poprzez kontrolowanie ogólnego fenotypu komórkowego w przestrzeni i czasie.Centralnym elementem tego procesu w kardiomiocytach jest obszar żebrowy, obszar, w którym sarkolemma łączy się z sarkomerem złożonym z kompleksów integryna-talina-winkulina i dystrofina-glikoproteina (DGC).Przyłączone do wewnątrzkomórkowego cytoszkieletu te dyskretne zrosty ogniskowe (FA) propagują kaskadę biomechanicznych i biochemicznych zmian komórkowych, które kontrolują różnicowanie, proliferację, organogenezę, migrację, postęp choroby i nie tylko.Przekształcenie sił biomechanicznych w zmiany biochemiczne i/lub (epi)genetyczne znane jest jako mechanotransdukcja1.
Od dawna wiadomo, że transbłonowy receptor integryny 2 zakotwicza macierz zewnątrzkomórkową w komórkach i pośredniczy zarówno w sygnalizacji wewnętrznej, jak i zewnętrznej.Równolegle z integrynami DGC wiążą ECM z cytoszkieletem, ustanawiając krytyczne połączenie pomiędzy zewnętrzem i wnętrzem komórki3.Dystrofina pełnej długości (Dp427) ulega ekspresji głównie w mięśniu sercowym i szkieletowym, ale obserwuje się ją także w tkankach ośrodkowego układu nerwowego, w tym w siatkówce i tkance Purkinjego4.Uważa się, że mutacje w integrynach i DGC są przyczyną dystrofii mięśniowej i postępującej kardiomiopatii rozstrzeniowej (DCM) (Tabela 1)5,6.W szczególności mutacje DMD kodujące centralne białko dystrofiny DGC powodują dystrofię mięśniową Duchenne'a (DMD)7.DGC składa się z kilku podkompleksów, w tym α- i β-dystroglikanu (α/β-DG), sarkoglikanu-spaniny, dystrofiny i dystrofiny 8.
Dystrofina jest białkiem cytoszkieletu kodowanym przez DMD (Xp21.1-Xp22), które odgrywa kluczową rolę w utrzymaniu DGC.DGC utrzymuje integralność sarkolemy, błony plazmatycznej tkanki mięśni prążkowanych.Dystrofina dodatkowo osłabia uszkodzenia spowodowane skurczem, działając jako sprężyna molekularna i rusztowanie molekularne9,10.Dystrofina pełnej długości ma masę cząsteczkową 427 kDa, jednak ze względu na wiele wewnętrznych promotorów w DMD, istnieje kilka naturalnie występujących skróconych izoform, w tym Dp7111.
Wykazano, że białka dodatkowe są zlokalizowane w dystrofinie, w tym prawdziwe mechanoprzekaźniki, takie jak neuronalna syntaza tlenku azotu (nNOS), białko związane z Yes (YAP) i kaweolina-3, reprezentując w ten sposób ważne składniki sygnalizacji komórkowej.Związki 12, 13, 14. Oprócz adhezji, mechanizmu komórkowego związanego z interakcjami między komórkami a macierzą, utworzoną przez integryny i ich dalsze cele, te dwa kompleksy reprezentują granicę między „wnętrzem” i „zewnętrzem” komórki .Ochrona tych ogniskowych zrostów przed nieprawidłowym zniszczeniem ma kluczowe znaczenie dla zachowania i przeżycia komórek.Ponadto dane potwierdzają, że dystrofina jest modulatorem wrażliwych na czynniki mechaniczne kanałów jonowych, w tym kanałów aktywowanych rozciąganiem, zwłaszcza kanałów Ca2+ typu L i kanałów TRPC 15.
Chociaż dystrofina jest ważna dla homeostatycznej funkcji komórek mięśni poprzecznie prążkowanych, dokładne mechanizmy wspierające są mniej jasne, zwłaszcza rola dystrofiny i jej zdolność do działania jako mechanosensor i mechaniczny protektor.Z powodu utraty dystrofiny pojawiło się kilka pytań bez odpowiedzi, w tym: czy białka wrażliwe na czynniki mechaniczne, takie jak YAP i AMPK, są źle umiejscowione w sarkolemie;Czy występują przesłuchy z integrynami, okoliczności, które mogą prowadzić do nieprawidłowej mechanotransdukcji?Wszystkie te cechy mogą przyczyniać się do ciężkiego fenotypu DCM obserwowanego u pacjentów z DMD.
Ponadto powiązanie zmian w biomechanice komórkowej z ogólnym fenotypem DMD ma ważne implikacje kliniczne.DMD to dystrofia mięśniowa sprzężona z chromosomem X, występująca u 1:3500–5000 mężczyzn, charakteryzująca się wczesną utratą sprawności ruchowej (< 5 lat) i postępującą DCM ze znacznie gorszym rokowaniem niż DCM o innej etiologii16,17,18.
Biomechanika utraty dystrofiny nie została w pełni opisana, dlatego w tym miejscu dokonujemy przeglądu dowodów potwierdzających pogląd, że dystrofina rzeczywiście odgrywa rolę mechaniczną, tj. utrzymuje integralność sarkolemy i ma kluczowe znaczenie w mechanotransdukcji.Ponadto dokonaliśmy przeglądu dowodów sugerujących istotny przesłuch z integrynami, specyficznie wiążący lamininę α7β1D w komórkach mięśni prążkowanych.
Insercje i delecje są odpowiedzialne za dużą liczbę mutacji w DMD, przy czym 72% mutacji jest spowodowanych takimi mutacjami19.Klinicznie DMD objawia się w niemowlęctwie (≤5 lat) z niedociśnieniem, dodatnim objawem Gowera, opóźnionym postępem zmian związanych z wiekiem, upośledzeniem umysłowym i zanikiem mięśni szkieletowych.W przeszłości zaburzenia oddechowe były główną przyczyną zgonów pacjentów z DMD, ale ulepszona opieka wspomagająca (kortykosteroidy, ciągłe dodatnie ciśnienie w drogach oddechowych) zwiększyła oczekiwaną długość życia tych pacjentów, a średni wiek pacjentów z DMD urodzonych po 1990 r. wynosi 28,1 lat 20,21 ..Jednakże wraz ze wzrostem przeżywalności pacjentów rokowanie w postępującej DCM jest znacznie gorsze w porównaniu z innymi kardiomiopatiami16, co prowadzi do schyłkowej niewydolności serca, która jest obecnie główną przyczyną zgonów i odpowiada za około 50% zgonów z powodu DMD17,18.
Postępujący DCM charakteryzuje się zwiększonym poszerzeniem i podatnością lewej komory, ścieńczeniem komór, zwiększonym naciekiem włóknisto-tłuszczowym, zmniejszoną funkcją skurczową i zwiększoną częstotliwością arytmii.Stopień DCM u pacjentów z DMD jest prawie powszechny w późnym okresie dojrzewania (90% do 18 lat), ale występuje u około 59% pacjentów do 10. roku życia8,22.Rozwiązanie tego problemu ma kluczowe znaczenie, ponieważ frakcja wyrzutowa lewej komory stale spada w tempie 1,6% rocznie23.
Zaburzenia rytmu serca, zwłaszcza tachykardia zatokowa i komorowa, są częste u pacjentów z DMD i są przyczyną nagłej śmierci sercowej22.Zaburzenia rytmu są wynikiem nacieku tkanki włóknisto-tłuszczowej, szczególnie w podpodstawnej lewej komorze, co upośledza obwód powrotny, a także zaburzenia przetwarzania [Ca2+]i i dysfunkcję kanałów jonowych24,25.Rozpoznanie obrazu klinicznego serca ma kluczowe znaczenie, ponieważ wczesne strategie leczenia mogą opóźnić wystąpienie ciężkiego DCM.
Znaczenie leczenia dysfunkcji serca i chorób mięśni szkieletowych wykazano w interesującym badaniu, w którym wykorzystano mysi model DMD o nazwie mdx26 do zbadania skutków poprawy tkanki mięśni szkieletowych bez zajmowania się podstawowymi problemami kardiologicznymi obecnymi w DMD.Tutaj autorzy wykazali paradoksalny 5-krotny wzrost dysfunkcji serca po poprawie w mięśniach szkieletowych, a myszy miały znaczne zmniejszenie frakcji wyrzutowej26.Poprawa funkcji mięśni szkieletowych pozwala na większą aktywność fizyczną, która powoduje większe obciążenie mięśnia sercowego, czyniąc go bardziej podatnym na ogólną dysfunkcję.Podkreśla to ogólne znaczenie leczenia pacjentów z DMD i przestrzega przed samą terapią mięśni szkieletowych.
DGC spełniają kilka dodatkowych funkcji, a mianowicie zapewniają stabilność strukturalną sarkolemy, stają się molekularnym rusztowaniem pełniącym rolę łącza sygnalizacyjnego, regulują mechanicznie wrażliwe kanały jonowe, rdzeń mechanotransdukcji żebrowej, uczestniczą w przenoszeniu siły bocznej w obszarze żebra (ryc. 1b)..Dystrofina odgrywa kluczową rolę w tej zdolności, a ze względu na obecność wielu wewnętrznych promotorów istnieje kilka różnych izoform, z których każda odgrywa inną rolę w różnych tkankach.Zróżnicowana ekspresja tkankowa różnych izoform dystrofiny potwierdza pogląd, że każda izoforma odgrywa inną rolę.Na przykład tkanka serca wyraża pełną długość (Dp427m), jak również krótszą izoformę Dp71m dystrofiny, podczas gdy tkanka szkieletowa wyraża tylko pierwszą z dwóch.Obserwacja roli każdego podtypu może ujawnić nie tylko jego funkcję fizjologiczną, ale także patogenezę dystrofii mięśniowej.
Schematyczne przedstawienie dystrofiny pełnej długości (Dp427m) i mniejszej, skróconej izoformy Dp71.Dystrofina ma 24 powtórzenia spektryny oddzielone czterema pętlami, a także domenę wiążącą aktynę (ABD), domenę bogatą w cysteinę (CR) i C-koniec (CT).Zidentyfikowano kluczowych partnerów wiążących, w tym mikrotubule (MT) i sarkolemę.Istnieje wiele izoform Dp71, Dp71m odnosi się do tkanki mięśniowej, a Dp71b odnosi się do izoformy tkanki nerwowej.W szczególności Dp71f odnosi się do cytoplazmatycznej izoformy neuronów.b Kompleks dystrofina-glikoproteina (DHA) jest zlokalizowany w całości w sarkolemie.Siły biomechaniczne przełączają się między ECM i F-aktyną.Należy zwrócić uwagę na potencjalny przesłuch między DGC a adhezją integryny. Dp71 może odgrywać rolę w zrostach ogniskowych.Stworzono we współpracy z Biorender.com.
DMD jest najczęstszą dystrofią mięśniową i jest spowodowana mutacjami w DMD.Aby jednak w pełni docenić nasze obecne zrozumienie roli antydystrofiny, ważne jest, aby umieścić ją w kontekście DGC jako całości.W związku z tym zostaną pokrótce opisane inne białka składowe.Badania składu białkowego DGC zaczęto badać pod koniec lat 80. XX wieku, ze szczególnym uwzględnieniem dystrofiny.Koenig27,28, Hoffman29 i Ervasti30 dokonali ważnego odkrycia, identyfikując dystrofinę, białko o masie 427 kDa występujące w mięśniach prążkowanych31.
Następnie wykazano, że inne podkompleksy są powiązane z dystrofiną, w tym sarkoglikan, podkompleks transbłonowy dystrofiny, dysbrewina i syntrofiny8, które razem stanowią obecny model DGC.W tej sekcji najpierw zostaną rozpowszechnione dowody na rolę DGC w percepcji mechanosensorycznej, podczas szczegółowego badania poszczególnych składników.
Izoforma dystrofiny pełnej długości występująca w tkance mięśni prążkowanych to Dp427m (np. „m” oznacza mięsień w celu odróżnienia go od mózgu) i jest dużym białkiem w kształcie pręcika z czterema domenami funkcjonalnymi zlokalizowanymi pod sarkolemą kardiomiocytów, szczególnie w okolicy żebrowej 29, 32. Dp427m, kodowany przez gen DMD na Xp21.1, składa się z 79 eksonów generowanych przy 2,2 megazasadach i jest zatem największym genem w naszym genomie8.
Kilka wewnętrznych promotorów w DMD wytwarza wiele skróconych izoform dystrofiny, z których niektóre są specyficzne tkankowo.W porównaniu z Dp427m, Dp71m jest znacznie skrócony i brakuje mu domeny powtórzeń spektryny lub N-końcowej domeny ABD.Jednakże Dp71m zachowuje strukturę wiązania C-końcowego.W kardiomiocytach rola Dp71m jest niejasna, ale wykazano, że lokalizuje się ona w kanalikach T, co sugeruje, że może pomóc w regulacji sprzężenia pobudzenie-skurcz 33,34,35.Według naszej wiedzy niedawnemu odkryciu Dp71m w tkance serca nie poświęcono zbyt wiele uwagi, ale niektóre badania sugerują, że jest on powiązany z kanałami jonowymi aktywowanymi przez rozciąganie, a Masubuchi zasugerował, że może on odgrywać rolę w regulacji nNOS33., 36. W ten sposób Dp71 poświęcono znaczną uwagę w neurofizjologii i badaniach płytek krwi, czyli obszarach, które mogą dostarczyć wglądu w rolę w kardiomiocytach37,38,39.
W tkance nerwowej wyraża się głównie izoforma Dp71b, przy czym odnotowano 14 izoform38.Wykazano, że delecja Dp71b, ważnego regulatora kanałów potasowych akwaporyny 4 i Kir4.1 w ośrodkowym układzie nerwowym, zmienia przepuszczalność bariery krew-mózg40.Biorąc pod uwagę rolę Dp71b w regulacji kanałów jonowych, Dp71m może odgrywać podobną rolę w kardiomiocytach.
Obecność DGC w zwojach żebrowych natychmiast wskazuje na rolę w mechanotransdukcji i rzeczywiście wykazano, że kolokalizuje się z kompleksami integryna-talina-winkulina 41 .Co więcej, biorąc pod uwagę, że segment żebrowy jest przedmiotem poprzecznej mechanotransdukcji, lokalizacja Dp427m tutaj podkreśla jego rolę w ochronie komórek przed uszkodzeniami wywołanymi skurczem.Ponadto Dp427m oddziałuje z aktyną i cytoszkieletem mikrotubul, uzupełniając w ten sposób połączenie między środowiskiem wewnątrzkomórkowym a macierzą zewnątrzkomórkową.
N-koniec zawierający domenę wiążącą aktynę 1 (ABD1) składa się z dwóch domen homologii kalmoduliny (CH), które są wymagane do interakcji z F-aktyną i zakotwiczenia izoformy γ-aktyny w sarkolemie42,43.Dystrofina może przyczyniać się do ogólnej wiskoelastyczności kardiomiocytów poprzez przyłączanie się do cytoszkieletu podsarkolemalnego, a jej lokalizacja w zwojach żebrowych potwierdza jej udział w mechanotransdukcji, a także mechanoprotekcji44,45.
Centralna domena rdzeniowa składa się z 24 powtórzeń białek podobnych do spektryny, z których każde ma długość około 100 reszt aminokwasowych.Powtórzenia spektryny są przeplatane czterema domenami zawiasowymi, co zapewnia białku elastyczność i wysoki stopień rozciągliwości.Powtórzenia spektryny dystrofiny mogą rozwijać się w fizjologicznym zakresie sił (15–30 pN) rozciągającym się od 21 nm do 84 nm, czyli siłach osiągalnych w przypadku skurczu miozyny 46 .Te cechy domeny powtórzeń spektryny pozwalają dystrofinie działać jako molekularny amortyzator.
Centralny pręt Dp427m zapewnia jego lokalizację w sarkolemie, w szczególności poprzez oddziaływania hydrofobowe i elektrostatyczne z fosfatydyloseryną 47,48.Co ciekawe, centralny rdzeń dystrofiny oddziałuje inaczej z fosfolipidami sarkolemy w tkankach szkieletowych i sercowych, prawdopodobnie odzwierciedlając różne wzorce sprężystości.krytyczne, podczas gdy mięśnie szkieletowe są również powiązane z R10-R1249.
Wiązanie z cytoszkieletem γ-aktyny wymaga regionu 11–17 powtórzeń spektryny ABD2, który składa się z zasadowych reszt aminokwasowych i różni się od domeny CH wiążącej F-aktynę.Mikrotubule oddziałują bezpośrednio z domeną rdzeniową dystrofiny, interakcja ta wymaga reszt powtórzeń spektryny 4-15 i 20-23, a obecność ankyryny B jest wymagana, aby zapobiec tworzeniu się mikrotubul w tym miejscu.Brak rurek 50,51,52.Wykazano, że przerwa między mikrotubulami a dystrofiną zaostrza patologię DMD poprzez zwiększenie ilości reaktywnych form tlenu (X-ROS).
Domena CR poprzez ankyrynę B jest kolejną kotwicą dla fosfolipidów sarkolemalnych52.Ankyryna-B i ankyryna-G są wymagane do lokalizacji dystrofiny/DGC w żebrach, a ich brak powoduje rozproszony wzór sarkolemalny DGC52.
Domena CR zawiera domenę wiążącą WW, która oddziałuje bezpośrednio z motywem wiążącym PPxY β-DG.Przyłączając się do kompleksu dystrofina-glikan, dystrofina uzupełnia połączenie pomiędzy wnętrzem i zewnętrzem komórki54.To połączenie ma kluczowe znaczenie dla mięśni prążkowanych, o czym świadczy fakt, że przerwanie połączenia między macierzą zewnątrzkomórkową a wnętrzem komórki prowadzi do ograniczającej życie dystrofii mięśniowej.
Wreszcie domena CT jest wysoce konserwatywnym regionem, który tworzy zwiniętą helisę i ma kluczowe znaczenie dla wiązania z α-dystrobrewiną i α1-, β1-syntrofinami55,56.α-dystrobrewina wiąże się z domeną CT dystrofiny i zapewnia dodatkową oporność na dystrofinę w sarkolemmie57.
Podczas rozwoju embrionalnego i płodowego utrofina ulega szerokiej ekspresji w różnych tkankach, w tym w komórkach śródbłonka, tkance nerwowej i tkance mięśni poprzecznie prążkowanych58.Utrofina jest wyrażana przez UTRN zlokalizowany na chromosomie 6q i jest autologiem dystrofiny o 80% homologii białek.Podczas rozwoju utrofina jest zlokalizowana w sarkolemie, ale jest wyraźnie tłumiona w poporodowej tkance mięśni poprzecznie prążkowanych, gdzie zostaje zastąpiona przez dystrofinę.Po urodzeniu lokalizacja utrofiny ogranicza się do ścięgien i połączeń nerwowo-mięśniowych mięśni szkieletowych58,59.
Partnerzy wiążący utrofinę są zasadniczo podobni do partnerów dystrofin, chociaż opisano pewne kluczowe różnice.Na przykład dystrofina oddziałuje z β-DG poprzez swoją domenę WW, która jest stabilizowana przez domenę ZZ (nazwaną tak ze względu na jej zdolność do wiązania dwóch jonów cynku) w swoim regionie CT, gdzie reszty kwasu cysteinowego 3307-3354 są szczególnie ważne dla tej interakcji60 ., 61. Utrofina wiąże się również z β-DG poprzez domenę WW/ZZ, ale dokładne reszty wspierające tę interakcję różnią się od reszt dystrofiny (3307–3345 w dystrofinie i 3064–3102 w utrofinie) 60,61.Co ważne, wiązanie utrofiny z β-DG było w przybliżeniu 2-krotnie mniejsze w porównaniu z dystrofiną 61. Doniesiono, że dystrofina wiąże się z F-aktyną poprzez powtórzenia spektryny 11–17, podczas gdy podobne miejsca w utrofinie nie mogą wiązać się z F-aktyną, nawet w wysokich stężeniach, ale mogą oddziaływać poprzez swoje domeny CH.Działanie 62,63,64.Wreszcie, w przeciwieństwie do dystrofiny, utrofina nie może wiązać się z mikrotubulami51.
Biomechanicznie powtórzenia spektryny utrofiny mają odrębny wzór rozwijania w porównaniu z dystrofiną65.Spektryna utrofiny powtarza działanie przy wyższych siłach, podobnie jak tytyna, ale nie dystrofina65.Jest to zgodne z jej lokalizacją i rolą w przenoszeniu sztywnej siły sprężystej na połączeniach ścięgien, ale może sprawić, że utrofina będzie mniej odpowiednia do działania jako sprężyna molekularna w siłach buforujących wywołanych skurczem 65 .Podsumowując, dane te sugerują, że możliwości mechanotransdukcji i mechanobuforowania mogą ulec zmianie w obecności nadekspresji utrofiny, szczególnie biorąc pod uwagę różnych partnerów/mechanizmy wiązania, jednak wymaga to dalszych badań eksperymentalnych.
Z funkcjonalnego punktu widzenia fakt, że uważa się, że utrofina ma podobne działanie do dystrofiny, czyni ją potencjalnym celem leczenia DMD66,67.W rzeczywistości wykazano, że u niektórych pacjentów z DMD występuje nadekspresja utrofiny, prawdopodobnie w ramach mechanizmu kompensacyjnego, a fenotyp został pomyślnie przywrócony w modelu mysim z nadekspresją utrofiny 68 .Chociaż zwiększenie poziomu utrofiny jest prawdopodobną strategią terapeutyczną, rozważenie formalnej i funkcjonalnej różnicy między utrofiną a dystrofiną oraz użyteczność wywoływania tej nadekspresji przy odpowiedniej lokalizacji wzdłuż sarkolemmy sprawia, że ​​długoterminowa strategia utrofiny jest nadal niejasna.Warto zauważyć, że u nosicielek występuje mozaikowy wzór ekspresji utrofiny, a stosunek dystrofiny do utrofiny może wpływać na stopień kardiomiopatii rozstrzeniowej u tych pacjentów,69 chociaż wykazano to na mysich modelach nosicieli..
Podkompleks dystroglikanu składa się z dwóch białek, α- i β-dystroglikanu (α-, β-DG), obydwu transkrybowanych z genu DAG1, a następnie rozszczepianych potranslacyjnie na białka dwuskładnikowe71.α-DG jest silnie glikozylowana w zewnątrzkomórkowym aspekcie DGC i oddziałuje bezpośrednio z resztami proliny w lamininie α2, jak również z agryną72 i pikakuliną73 oraz regionem CT/CR dystrofiny73,74,75,76.Do jego interakcji z ECM wymagana jest O-glikozylacja, zwłaszcza reszt seryny.Szlak glikozylacji obejmuje wiele enzymów, których mutacje prowadzą do dystrofii mięśniowej (patrz także Tabela 1).Należą do nich O-mannozylotransferaza POMT2, fukutyna i białko pokrewne fukutynie (FKRP), dwie fosfotransferazy rybitolowe, które dodają tandemowe fosforany rybitolu do glikanu rdzenia oraz białko LARGE1, które dodaje ksylozę i glukozę.Liniowy polisacharyd kwasu uronowego, znany również jako glikan macierzy na końcu glikanu77.FKRP bierze także udział w rozwoju i utrzymaniu ECM, a mutacje w nim prowadzą do zmniejszenia ekspresji lamininy α2 i α-DG77,78,79.Ponadto FKRP może również kierować tworzeniem blaszki podstawnej i macierzy zewnątrzkomórkowej serca poprzez glikozylowaną fibronektynę 80.
β-DG zawiera motyw wiążący PPxY, który bezpośrednio lokalizuje i sekwestruje YAP12.Jest to interesujące odkrycie, ponieważ sugeruje, że DGC reguluje cykl komórkowy kardiomiocytów.α-DH w kardiomiocytach noworodków oddziałuje z agryną, która wspomaga regenerację serca i lizę DGC76 w wyniku dojrzewania komórek.W miarę dojrzewania kardiomiocytów ekspresja agryny zmniejsza się na korzyść lamininy, która, jak się uważa, przyczynia się do zatrzymania cyklu komórkowego76.Morikawa12 wykazał, że podwójne zniszczenie dystrofiny i salvadoru, negatywnego regulatora YAP, prowadzi do hiperproliferacji kardiomiocytów w żwaczu powodującym zawał.Doprowadziło to do ekscytującego pomysłu, że manipulacja YAP może mieć wartość kliniczną w zapobieganiu utracie tkanki po zawale mięśnia sercowego.Zatem indukowana agryną liza DGC może reprezentować oś, która umożliwia aktywację YAP i jest potencjalną ścieżką regeneracji serca.
Mechanicznie, α- i β-DG są wymagane do utrzymania interakcji pomiędzy sarkolemą a warstwą podstawną 81 .Zarówno integryny α-DG, jak i α7 przyczyniają się do wytwarzania siły w zwoju żebrowym, a utrata α-DG powoduje oddzielenie sarkolemy od blaszki podstawnej, pozostawiając tkankę mięśni szkieletowych podatną na uszkodzenia wywołane skurczem.Jak opisano wcześniej, kompleks dystroglikanu reguluje całkowity obrót DGC, gdzie wiązanie z pokrewnym ligandem lamininą powoduje fosforylację tyrozyny motywu wiążącego PPPY β-DG892.Fosforylacja tyrozyny sprzyja tutaj rozkładowi dystrofiny, co odwraca kompleks DGC.Fizjologicznie proces ten jest silnie regulowany, czego nie ma w dystrofii mięśniowej82, chociaż podstawowe mechanizmy kontrolujące ten proces nie są w pełni poznane.
Wykazano, że cykliczne rozciąganie aktywuje szlaki ERK1/2 i AMPK poprzez kompleks dystrofiny i pokrewną plektynę białkową83.Razem plektyna i dystroglikan muszą nie tylko działać jako rusztowanie, ale także uczestniczyć w mechanotransdukcji, a knockdown plektyny prowadzi do zmniejszenia aktywności ERK1/2 i AMPK83.Plektyna wiąże się również z desminą włókna pośredniego cytoszkieletu i wykazano, że nadekspresja desminy poprawia fenotyp choroby u myszy mdx:desmina i mdx, mysim modelu z podwójnym nokautem DMD84.Oddziałując z β-DG, plektyna pośrednio wiąże DGC z tym składnikiem cytoszkieletu.Ponadto dystroglikan oddziałuje z białkiem wiążącym receptor czynnika wzrostu 2 (Grb2), o którym wiadomo, że bierze udział w rearanżacjach cytoszkieletu85.Wykazano, że w aktywacji Ras przez integrynę pośredniczy Grb2, co może stanowić potencjalną ścieżkę przesłuchu między integrynami a DGC86.
Mutacje w genach biorących udział w glikozylacji α-DH prowadzą do tzw. dystrofii mięśniowej.Dystroglikanopatie wykazują niejednorodność kliniczną, ale są spowodowane głównie zakłóceniem interakcji pomiędzy α-DG i lamininą α277.Dystrofiglikanozy spowodowane pierwotnymi mutacjami w DAG1 są na ogół niezwykle rzadkie, prawdopodobnie dlatego, że są śmiertelne dla embrionów87, co potwierdza potrzebę powiązania komórkowego z ECM.Oznacza to, że większość dystroficznych chorób glikanów jest spowodowana wtórnymi mutacjami białek związanymi z glikozylacją.Przykładowo mutacje w genie POMT1 powodują niezwykle ciężki zespół Walkera-Warburga, który charakteryzuje się bezmózgowiem i wyraźnie skróconą oczekiwaną długością życia (poniżej 3 lat)88.Jednakże mutacje FKRP objawiają się głównie dystrofią obręczowo-kończynową (LGMD), która zwykle (ale nie zawsze) ma stosunkowo łagodny przebieg.Wykazano jednak, że mutacje w FKRP są rzadką przyczyną WWS89.W FKRP zidentyfikowano wiele mutacji, z których mutacja założycielska (c.826>A) najczęściej powoduje LGMD2I90.
LGMD2I jest stosunkowo łagodną dystrofią mięśniową, której patogeneza opiera się na uszkodzeniu połączenia między macierzą zewnątrzkomórkową a cytoszkieletem wewnątrzkomórkowym.Mniej jasny jest związek między genotypem a fenotypem u pacjentów z mutacjami w tych genach i rzeczywiście koncepcja ta ma zastosowanie do innych białek DSC.Dlaczego niektórzy pacjenci z mutacjami FKRP wykazują fenotyp choroby zgodny z WWS, podczas gdy inni mają LGMD2I?Odpowiedź na to pytanie może leżeć w i) na który etap szlaku glikozylacji wpływa mutacja lub ii) stopień hipoglikozylacji na danym etapie.Hipoglikozylacja α-DG może nadal umożliwiać pewien stopień interakcji z ECM, powodując ogólnie łagodniejszy fenotyp, podczas gdy dysocjacja od błony podstawnej zwiększa nasilenie fenotypu choroby.U pacjentów z LGMD2I również rozwija się DCM, chociaż jest to mniej udokumentowane niż DMD, co uzasadnia pilną potrzebę zrozumienia tych mutacji w kontekście kardiomiocytów.
Podkompleks sarkospan-sarkoglikan sprzyja tworzeniu DHA i oddziałuje bezpośrednio z β-DH.W tkance serca występują cztery jednokierunkowe sarkoglikany: α, β, γ i δ91.Niedawno opisano, że mutacja zmiany sensu c.218C>T w eksonie 3 genu SGCA i częściowa heterozygotyczna delecja w eksonach 7–8 powodują LGMD2D92.Jednak w tym przypadku autorzy nie oceniali fenotypu serca.
Inne grupy odkryły, że SGCD w modelach świńskich 93 i mysich 94 powoduje zmniejszoną ekspresję białka w podkompleksie sarkoglikanu, zakłócając ogólną strukturę DGC i prowadząc do DCM.Ponadto zgłoszono, że u 19% wszystkich pacjentów z mutacjami SGCA, SGCB lub SGCG występuje kardiomiopatia rozstrzeniowa, a 25% wszystkich pacjentów wymagało także wspomagania oddychania95.
Recesywne mutacje w sarkoglikanie (SG) δ powodują redukcję lub całkowity brak kompleksów sarkoglikanu, a tym samym DGC w tkance serca i są odpowiedzialne za LGMD i związany z nią DCM96.Co ciekawe, dominujące negatywne mutacje w SG-δ są specyficzne dla układu sercowo-naczyniowego i są przyczyną rodzinnej kardiomiopatii rozstrzeniowej97.Wykazano, że dominujące negatywne mutacje SG-δ R97Q i R71T ulegają stabilnej ekspresji w kardiomiocytach szczura bez znaczącego upośledzenia całkowitego DGC98.Jednakże komórki serca niosące te mutacje są bardziej podatne na uszkodzenie sarkolemy, przepuszczalność i dysfunkcję mechaniczną pod wpływem stresu mechanicznego, co jest zgodne z fenotypem DCM98.
Sarcospan (SSPN) to tetraspanina o masie 25 kDa zlokalizowana w podkompleksie sarkoglikanu i uważa się, że służy jako rusztowanie białkowe99,100.Jako rusztowanie białkowe, SSPN stabilizuje lokalizację i glikozylację α-DG99,101.Stwierdzono, że nadekspresja SSPN w modelach mysich zwiększa wiązanie pomiędzy mięśniami i lamininą 102 .Ponadto wykazano, że SSPN oddziałuje z integrynami, co sugeruje stopień przesłuchu między dwoma spoidłami żeber, DGC, a strukturą glikoproteiny integryna-talina-winkulina100,101,102.Powalenie SSPN spowodowało również wzrost α7β1 w mięśniach szkieletowych myszy.
Niedawne badanie wykazało, że nadekspresja sarkospanu nasila dojrzewanie i glikozylację α-DG w tkance serca niezależnie od obniżenia poziomu galaktozyloaminotransferazy 2 (Galgt2) w mysim modelu DMD mdx, łagodząc w ten sposób fenotyp choroby 101. Zwiększona glikozylacja kompleksu dystroglikanu może nasilać interakcję z ECM, w ten sposób najbardziej łagodząc chorobę.Co więcej, wykazali, że nadekspresja sarkospanu zmniejsza interakcję integryny β1D z DGC, podkreślając możliwą rolę sarkospanu w regulacji kompleksów integryn101.
Syntrofiny to rodzina małych (58 kDa) białek, które lokalizują się w DGC, same nie mają wewnętrznej aktywności enzymatycznej i służą jako adaptory molekularne103,104.Zidentyfikowano pięć izoform (α-1, β-1, β-2, γ-1 i γ-2) wykazujących ekspresję specyficzną tkankowo, przy czym izoforma α-1 ulega ekspresji głównie w tkance mięśni poprzecznie prążkowanych 105 .Syntrofiny są ważnymi białkami adaptorowymi, które ułatwiają komunikację między dystrofiną a cząsteczkami sygnalizacyjnymi, w tym neuronalną syntazą tlenku azotu (nNOS) w mięśniach szkieletowych106.α-syntrofina oddziałuje bezpośrednio z domeną powtórzeń spektryny 16-17 dystrofiny, która z kolei wiąże się z motywem wiążącym nNOS106,107 PDZ.
Syntrofiny oddziałują również z dystrobrewiną poprzez domeny wiążące PH2 i SU, a także oddziałują z cytoszkieletem aktynowym 108 .Rzeczywiście, wydaje się, że syntrofiny odgrywają szczególnie ważną rolę w regulacji dynamiki cytoszkieletu, a izoformy α i β są w stanie bezpośrednio oddziaływać z F-aktyną 108, a zatem prawdopodobnie odgrywają rolę w regulacji tensegrity i biomechaniki komórek efekt.Ponadto wykazano, że syntrofiny regulują cytoszkielet poprzez Rac1109.
Modulowanie poziomów syntrofiny może przywrócić funkcję, a ostatnie badanie z użyciem minidystrofiny wykazało, że konstrukt ΔR4-R23/ΔCT był w stanie przywrócić α-syntrofinę, a także inne białka DGC do poziomów porównywalnych z kardiomiocytami WT mdx.
Oprócz ich roli w regulacji cytoszkieletu, syntrofiny są również dobrze udokumentowane w regulacji kanałów jonowych 111,112,113.Motyw syntrofin wiążący PDZ reguluje zależny od napięcia serca kanał Nav1.5111, który odgrywa kluczową rolę w ustalaniu pobudliwości i przewodzenia serca.Co ciekawe, w mysim modelu mdx stwierdzono obniżoną regulację kanałów Nav1.5 i u zwierząt stwierdzono zaburzenia rytmu serca 111 .Ponadto wykazano, że rodzina mechanicznie wrażliwych kanałów jonowych, kanał potencjału receptora przejściowego (TRPC), jest regulowana przez α1-syntrofinę w tkance serca 113, a hamowanie TRPC6 poprawia arytmię w mysim modelu DMD112.Donoszono, że zwiększona aktywność TRPC6 w DMD powoduje zaburzenia rytmu serca, które ustępują w połączeniu z PKG 112 .Mechanicznie, wyczerpanie dystrofiny sprzyja wywołanemu rozciąganiem napływowi [Ca2+]i, który działa przed TRPC6, aktywując ją, co wykazano w kardiomiocytach i komórkach mięśni gładkich naczyń112,114.Nadmierna aktywacja TRPC6 w celu rozciągnięcia czyni go głównym mechanosensorem i potencjalnym celem terapeutycznym w DMD112,114.
Utrata dystrofiny prowadzi do lizy lub znacznej supresji całego kompleksu DGC, z późniejszą utratą wielu funkcji mechanoprotekcyjnych i mechanotransdukcyjnych, co skutkuje katastrofalnym fenotypem obserwowanym w tkance mięśni prążkowanych w DMD.Dlatego rozsądne może być uznanie, że RSK działają wspólnie i że poszczególne komponenty są zależne od obecności i funkcjonowania innych komponentów.Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku dystrofiny, która wydaje się być wymagana do składania i lokalizacji kompleksu sarkolemy w kardiomiocytach.Każdy składnik odgrywa wyjątkową rolę, przyczyniając się do ogólnej stabilizacji sarkolemy, lokalizacji kluczowych białek pomocniczych, regulacji kanałów jonowych i ekspresji genów, a utrata pojedynczego białka w DGC prowadzi do rozregulowania całego mięśnia sercowego.
Jak pokazano powyżej, wiele białek DGC bierze udział w mechanotransdukcji i sygnalizacji, a dystrofina szczególnie nadaje się do tej roli.Jeżeli DGC zlokalizowana jest w żebrach, potwierdza to pogląd, że uczestniczy ona w mechanotransdukcji wraz z integrynami.Zatem DGC fizycznie ulegają anizotropowemu przeniesieniu siły i uczestniczą w mechanosensorycznej i cytoszkieletowej rearanżacji mikrośrodowiska wewnątrzkomórkowego, zgodnie z modelem tensegrity.Ponadto Dp427m buforuje przychodzące siły biomechaniczne poprzez rozszerzanie powtórzeń spektryny w swojej centralnej domenie rdzenia, działając w ten sposób jako mechanoprotektor, utrzymując siłę odwijania 25 pN w rozszerzonym zakresie 800 nm.Rozszczepiając się, dystrofina jest w stanie „buforować” siłę skurczu-rozkurczu wytwarzaną przez kardiomiocyty10.Biorąc pod uwagę różnorodność białek i fosfolipidów, które oddziałują z domenami powtórzeń spektryny, interesujące jest spekulowanie, czy rozwijanie powtórzeń spektryny zmienia kinetykę wiązania białek mechanowrażliwych w sposób podobny do taliny116,117,118.Nie zostało to jednak jeszcze ustalone i konieczne są dalsze badania.