Rostfritt stål 347 / 347H svetsade spolrör zhemisk komponent, rollen av dystrofinglykoproteinkomplex i mekanotransduktionen av muskelceller

Tack för att du besöker Nature.com.Du använder en webbläsarversion med begränsat CSS-stöd.För bästa upplevelse rekommenderar vi att du använder en uppdaterad webbläsare (eller inaktiverar kompatibilitetsläge i Internet Explorer).Dessutom, för att säkerställa löpande support, visar vi webbplatsen utan stilar och JavaScript.
Reglage som visar tre artiklar per bild.Använd bakåt- och nästaknapparna för att flytta genom bilderna, eller skjutkontrollknapparna i slutet för att flytta genom varje bild.

Dystrofin är huvudproteinet i dystrofin-glykoproteinkomplexet (DGC) i skelettmuskler och kardiomyocyter.Dystrofin binder aktincytoskelettet till den extracellulära matrisen (ECM).Brusningen av kopplingen mellan den extracellulära matrisen och det intracellulära cytoskelettet kan få förödande konsekvenser för homeostasen av skelettmuskelceller, vilket leder till ett antal muskeldystrofier.Dessutom leder förlust av funktionella DGC till progressiv dilaterad kardiomyopati och för tidig död.Dystrofin fungerar som en molekylär fjäder och DHA spelar en nyckelroll för att upprätthålla integriteten hos sarkolemma.Dessutom ackumuleras bevis som länkar DGC till mekanistisk signalering, även om denna roll fortfarande är dåligt förstådd.Den här översiktsartikeln syftar till att ge en modern bild av DGC:er och deras roll i mekanotransduktion.Vi diskuterar först det komplexa förhållandet mellan muskelcellsmekanik och funktion, och granskar sedan nyare forskning om rollen av dystrofinglykoproteinkomplexet i mekanotransduktion och underhåll av muskelcells biomekaniska integritet.Slutligen granskar vi den nuvarande litteraturen för att förstå hur DGC-signalering korsar mekanosignaleringsvägar för att lyfta fram potentiella framtida interventionspunkter, med särskilt fokus på kardiomyopati.
Celler är i ständig kommunikation med sin mikromiljö, och en tvåvägsdialog mellan dem är nödvändig för tolkning och integration av biomekanisk information.Biomekanik kontrollerar viktiga efterföljande händelser (t.ex. cytoskelettomläggningar) genom att kontrollera den övergripande cellulära fenotypen i rum och tid.Centralt för denna process i kardiomyocyter är kustregionen, den region där sarkolemma ansluter till en sarkomer som består av integrin-talin-vinkulin och dystrofin-glykoprotein (DGC) komplex.Dessa diskreta fokala vidhäftningar (FA) är fästa vid det intracellulära cytoskelettet och sprider en kaskad av biomekaniska och biokemiska cellulära förändringar som kontrollerar differentiering, proliferation, organogenes, migration, sjukdomsprogression och mer.Omvandlingen av biomekaniska krafter till biokemiska och/eller (epi)genetiska förändringar kallas mekanotransduktion1.
Integrintransmembranreceptorn 2 har länge varit känd för att förankra den extracellulära matrisen i celler och förmedla både intern och extern signalering.Parallellt med integriner binder DGC:er ECM till cytoskelettet, vilket skapar en kritisk länk mellan utsidan och insidan av cellen3.Fullängdsdystrofin (Dp427) uttrycks främst i hjärt- och skelettmuskler, men observeras även i vävnader i det centrala nervsystemet, inklusive näthinnan och Purkinjevävnaden4.Mutationer i integriner och DGC tros vara orsakerna till muskeldystrofi och progressiv dilaterad kardiomyopati (DCM) (tabell 1)5,6.I synnerhet orsakar DMD-mutationer som kodar för det centrala dystrofinproteinet DGCs Duchennes muskeldystrofi (DMD)7.DGC är sammansatt av flera subkomplex inklusive α- och β-dystroglykan (α/β-DG), sarkoglykan-spanin, dystrofin och dystrofin 8.
Dystrofin är ett cytoskelettprotein som kodas av DMD (Xp21.1-Xp22) som spelar en central roll för att upprätthålla DGC.DGC upprätthåller integriteten hos sarcolemma, plasmamembranet i tvärstrimmig muskelvävnad.Dystrofin dämpar ytterligare skador orsakade av kontraktion genom att fungera som en molekylär fjäder och molekylär ställning9,10.Fullängdsdystrofin har en molekylvikt på 427 kDa, men på grund av de många interna promotorerna i DMD finns det flera naturligt förekommande trunkerade isoformer, inklusive Dp7111.
Tillbehörsproteiner har visat sig vara lokaliserade till dystrofin, inklusive äkta mekanotransduktorer som neuronalt kväveoxidsyntas (nNOS), Yes-associerat protein (YAP) och caveolin-3, vilket representerar viktiga komponenter i cellulär signalering.Föreningar 12, 13, 14. Förutom adhesion, en cellulär mekanism associerad med interaktioner mellan celler och matrisen, bildad av integriner och deras nedströmsmål, representerar dessa två komplex gränssnittet mellan "insidan" och "utsidan" av cellen .Att skydda dessa fokala vidhäftningar från onormal förstörelse är avgörande för cellbeteende och överlevnad.Dessutom stödjer data att dystrofin är en modulator av mekanokänsliga jonkanaler, inklusive sträckaktiverade kanaler, speciellt L-typ Ca2+-kanaler och TRPC 15-kanaler.
Även om dystrofin är viktigt för den homeostatiska funktionen hos tvärstrimmiga muskelceller, är de exakta stödmekanismerna mindre tydliga, särskilt dystrofins roll och dess förmåga att fungera som en mekanosensor och mekaniskt skydd.På grund av förlusten av dystrofin har flera obesvarade frågor uppstått, inklusive: är mekanokänsliga proteiner som YAP och AMPK fellokaliserade till sarkolemma;Finns det överhörning med integriner, omständigheter som kan leda till onormal mekanotransduktion?Alla dessa egenskaper kan bidra till den allvarliga DCM-fenotypen som ses hos patienter med DMD.
Dessutom har sambandet mellan förändringar i cellulär biomekanik med den övergripande DMD-fenotypen viktiga kliniska implikationer.DMD är en X-kopplad muskeldystrofi som drabbar 1:3500–5000 män, kännetecknad av tidig förlust av rörlighet (<5 år) och progressiv DCM med en signifikant sämre prognos än DCM av andra etiologier16,17,18.
Biomekaniken för dystrofinförlust har inte beskrivits fullständigt, och här granskar vi bevisen som stöder uppfattningen att dystrofin verkligen spelar en mekanoprotektiv roll, dvs upprätthåller integriteten hos sarkolemma, och är avgörande vid mekanotransduktion.Dessutom granskade vi bevisen som tyder på viktig överhörning med integriner, som specifikt binder laminin α7β1D i tvärstrimmiga muskelceller.
Insertioner och deletioner är ansvariga för ett stort antal mutationer i DMD, där 72 % av mutationerna orsakas av sådana mutationer19.Kliniskt uppträder DMD i spädbarnsåldern (≤5 år) med hypotoni, positiva Gowers tecken, försenad progression av åldersrelaterade förändringar, mental retardation och skelettmuskelatrofi.Andnöd har historiskt sett varit den vanligaste dödsorsaken hos DMD-patienter, men förbättrad stödbehandling (kortikosteroider, kontinuerligt positivt luftvägstryck) har ökat den förväntade livslängden hos dessa patienter, och medianåldern för DMD-patienter födda efter 1990 är 28,1 år 20 ,21 ..Men när patientens överlevnad ökar är prognosen för progressiv DCM betydligt sämre jämfört med andra kardiomyopatier16, vilket leder till hjärtsvikt i slutstadiet, som för närvarande är den vanligaste dödsorsaken och står för cirka 50 % av DMD-dödsfall17,18.
Progressiv DCM kännetecknas av ökad vänsterkammardilatation och följsamhet, kammaruttunning, ökad fibrofettinfiltration, minskad systolisk funktion och ökad frekvens av arytmier.Graden av DCM hos patienter med DMD är nästan universell i sena tonåren (90 % till 18 års ålder), men finns hos cirka 59 % av patienterna vid 10 års ålder8,22.Att ta itu med detta problem är kritiskt eftersom vänsterkammars ejektionsfraktion stadigt har minskat med en hastighet av 1,6 % per år23.
Hjärtarytmier är vanliga hos patienter med DMD, särskilt sinustakykardi och ventrikulär takykardi, och är orsaken till plötslig hjärtdöd22.Arytmier är resultatet av fibrofettinfiltration, särskilt i den subbasala vänstra ventrikeln, vilket försämrar returkretsen såväl som [Ca2+]i-bearbetningsdysfunktion och jonkanaldysfunktion24,25.Erkännande av den kliniska hjärtpresentationen är avgörande, eftersom tidiga behandlingsstrategier kan fördröja uppkomsten av allvarlig DCM.
Vikten av att behandla hjärtdysfunktion och skelettmuskelsjuklighet visas i en intressant studie som använde en musmodell av DMD som heter mdx26 för att studera effekterna av att förbättra skelettmuskelvävnad utan att ta itu med de underliggande hjärtproblem som finns vid DMD.Här visade författarna en paradoxal 5-faldig ökning av hjärtdysfunktion efter förbättring av skelettmuskulaturen, och möss hade en signifikant minskning av ejektionsfraktion26.Förbättrad skelettmuskelfunktion tillåter högre fysisk aktivitet för att belasta myokardiet mer, vilket gör det mer mottagligt för allmän dysfunktion.Detta understryker vikten av att behandla DMD-patienter i allmänhet och varnar för enbart skelettmuskelterapi.
DGC:er utför flera ytterligare funktioner, nämligen att tillhandahålla strukturell stabilitet till sarkolemma, blir en molekylär ställning som fungerar som en signallänk, reglerar mekanokänsliga jonkanaler, kärnan i costal mekanotransduktion och deltar i överföringen av sidokrafter i regionen av revben (fig. Ib)..Dystrofin spelar en central roll i denna förmåga, och på grund av närvaron av många interna promotorer finns det flera olika isoformer, som var och en spelar olika roll i olika vävnader.Differentiellt vävnadsuttryck av olika dystrofinisoformer stöder uppfattningen att varje isoform spelar en annan roll.Till exempel uttrycker hjärtvävnad hela längden (Dp427m) såväl som den kortare Dp71m isoformen av dystrofin, medan skelettvävnad endast uttrycker den första av de två.Observation av rollen för varje subtyp kan avslöja inte bara dess fysiologiska funktion, utan också patogenesen av muskeldystrofi.
Schematisk representation av fullängdsdystrofinet (Dp427m) och den mindre, trunkerade Dp71-isoformen.Dystrofin har 24 spektrinrepetitioner åtskilda av fyra slingor, såväl som en aktinbindande domän (ABD), en cysteinrik (CR) domän och en C-terminal (CT).Nyckelbindningspartners har identifierats, inklusive mikrotubuli (MT) och sarcolemma.Det finns många isoformer av Dp71, Dp71m hänvisar till muskelvävnaden och Dp71b hänvisar till nervvävnadens isoform.I synnerhet hänvisar Dp71f till den cytoplasmatiska isoformen av neuroner.b Dystrofin-glykoproteinkomplexet (DHA) finns i sarkolemma som helhet.Biomekaniska krafter växlar mellan ECM och F-aktin.Notera potentiell överhörning mellan DGC och integrinadhesion, Dp71 kan spela en roll i fokala adhesioner.Skapad med Biorender.com.
DMD är den vanligaste muskeldystrofin och orsakas av mutationer i DMD.Men för att fullt ut uppskatta vår nuvarande förståelse av rollen av anti-dystrofin, är det viktigt att placera det i sammanhanget för DGC som helhet.Således kommer de andra ingående proteinerna att beskrivas kort.Proteinsammansättningen av DGC började studeras i slutet av 1980-talet, med särskild uppmärksamhet på dystrofin.Koenig27,28, Hoffman29 och Ervasti30 gjorde en viktig upptäckt genom att identifiera dystrofin, ett 427 kDa protein i tvärstrimmig muskel31.
Därefter visades andra subkomplex vara associerade med dystrofin, inklusive sarkoglykan, dystrofintransmembransubkomplexet, dysbrevin och syntrofiner8, som tillsammans utgör den nuvarande DGC-modellen.Detta avsnitt kommer först att sprida bevisen för DGC:s roll i mekanosensorisk perception samtidigt som de individuella komponenterna undersöks i detalj.
Den fullängds dystrofinisoform som finns i tvärstrimmig muskelvävnad är Dp427m (t.ex. "m" för muskler för att skilja den från hjärnan) och är ett stort stavformat protein med fyra funktionella domäner belägna under kardiomyocyt-sarkolemma, särskilt i kustregionen 29, 32. Dp427m, kodad av DMD-genen på Xp21.1, består av 79 exoner genererade vid 2,2 megabaser och är därmed den största genen i vårt genom8.
Flera interna promotorer i DMD producerar flera trunkerade dystrofinisoformer, av vilka några är vävnadsspecifika.Jämfört med Dp427m är Dp71m signifikant trunkerad och saknar en spektrinupprepningsdomän eller en N-terminal ABD-domän.Dp71m behåller emellertid den C-terminala bindningsstrukturen.I kardiomyocyter är rollen för Dp71m oklar, men det har visats lokaliseras i T-tubuli, vilket tyder på att det kan hjälpa till att reglera excitations-kontraktionskopplingen 33,34,35.Såvitt vi vet har den senaste upptäckten av Dp71m i hjärtvävnad fått lite uppmärksamhet, men vissa studier tyder på att det är associerat med sträckaktiverade jonkanaler, och Masubuchi föreslog att det kan spela en roll i regleringen av nNOS33., 36. Därmed har Dp71 fått stor uppmärksamhet inom neurofysiologi och trombocytforskning, områden som kan ge insikt om en roll i kardiomyocyter37,38,39.
I nervvävnad uttrycks Dp71b-isoformen övervägande, med 14 isoformer rapporterade38.Borttagning av Dp71b, en viktig regulator av aquaporin 4 och Kir4.1 kaliumkanaler i centrala nervsystemet, har visat sig förändra blod-hjärnbarriärpermeabiliteten40.Med tanke på rollen av Dp71b i jonkanalreglering kan Dp71m spela en liknande roll i kardiomyocyter.
Närvaron av DGC i costalganglierna indikerar omedelbart en roll i mekanotransduktion, och det har faktiskt visat sig samlokaliseras med integrin-talin-vinkulinkomplex 41 .Dessutom, med tanke på att kostnadssegmentet är i fokus för tvärgående mekanotransduktion, belyser lokaliseringen av Dp427m här dess roll för att skydda celler från kontraktionsinducerad skada.Vidare interagerar Dp427m med aktin och mikrotubuli-cytoskelettet och fullbordar därigenom kopplingen mellan den intracellulära miljön och den extracellulära matrisen.
Den N-terminala innehållande aktinbindande domän 1 (ABD1) består av två kalmodulinhomologidomäner (CH) som krävs för interaktion med F-aktin och förankring av y-aktinisoformen till sarcolemma42,43.Dystrofin kan bidra till den totala viskoelasticiteten hos kardiomyocyter genom att fästa till det subsarkolemmala cytoskelettet, och dess lokalisering i costalganglierna stöder dess inblandning i mekanotransduktion såväl som mekanoskydd44,45.
Den centrala kärndomänen består av 24 spektrinliknande repeterande proteiner, som var och en är ungefär 100 aminosyrarester långa.Spektrinupprepningarna är varvas med fyra gångjärnsdomäner, vilket ger proteinet flexibilitet och en hög grad av töjbarhet.Dystrofinspektrinupprepningar kan utvecklas inom ett fysiologiskt område av krafter (15-30 pN) som sträcker sig från 21 nm till 84 nm, krafter som kan uppnås för myosinkontraktion 46 .Dessa egenskaper hos spektrinupprepningsdomänen tillåter dystrofin att fungera som en molekylär stötdämpare.
Den centrala staven på Dp427m säkerställer dess lokalisering i sarcolemma, i synnerhet genom hydrofoba och elektrostatiska interaktioner med fosfatidylserin 47,48.Intressant nog interagerar den centrala kärnan av dystrofin på olika sätt med sarcolemma-fosfolipider i skelett- och hjärtvävnader, vilket möjligen återspeglar olika fjädermönster.kritisk, medan skelettmuskler också är associerade med R10-R1249.
Bindning till γ-aktincytoskelettet kräver ABD2-spektrinupprepningen 11–17-regionen, som består av basiska aminosyrarester och skiljer sig från den F-aktinbindande CH-domänen.Mikrotubuli interagerar direkt med kärndomänen av dystrofin, denna interaktion kräver rester av spektrinupprepningar 4-15 och 20-23, och närvaron av ankyrin B krävs för att förhindra bildandet av mikrotubuli på denna plats.Rör saknas 50,51,52.Ett gap mellan mikrotubuli och dystrofin har visat sig förvärra DMD-patologin genom att öka reaktiva syrearter (X-ROS).
CR-domänen via ankyrin B är ett annat ankare för sarkolemmala fosfolipider52.Ankyrin-B och ankyrin-G krävs för revbenslokalisering av dystrofin/DGC, och deras frånvaro resulterar i ett diffust sarkolemmalt mönster av DGC52.
CR-domänen innehåller en WW-bindande domän som interagerar direkt med PPxY-bindningsmotivet för β-DG.Genom att binda till dystrofin-glykan-komplexet fullbordar dystrofin länken mellan insidan och utsidan av cellen54.Denna koppling är kritisk för tvärstrimmig muskel, vilket framgår av det faktum att avbrott i kopplingen mellan ECM och det inre av cellen leder till livsbegränsande muskeldystrofi.
Slutligen är CT-domänen en mycket konserverad region som bildar en spiralformad helix och är kritisk för bindning till α-dystrobrevin och α1-,β1-syntrofiner55,56.α-dystrobrevin binder till CT-domänen av dystrofin och ger ytterligare resistens mot dystrofin i sarcolemma57.
Under embryonal och fosterutveckling uttrycks Utrofin brett i olika vävnader, inklusive endotelceller, nervvävnad och tvärstrimmig muskelvävnad58.Utrofin uttrycks av UTRN lokaliserat på kromosom 6q och är en dystrofinautolog med 80 % proteinhomologi.Under utvecklingen är utrofin lokaliserad i sarcolemma men dämpas markant i postnatal tvärstrimmig muskelvävnad, där det ersätts av dystrofin.Efter födseln är lokaliseringen av utrofin begränsad till senor och neuromuskulära knutpunkter i skelettmuskler58,59.
Utrofinbindningspartners liknar i stort sett de för dystrofiner, även om några viktiga skillnader har beskrivits.Till exempel interagerar dystrofin med β-DG genom dess WW-domän, som stabiliseras av ZZ-domänen (uppkallad efter dess förmåga att binda två zinkjoner) inom dess CT-region, där cysteinsyrarester 3307-3354 är särskilt viktiga för denna interaktion60 ., 61. Utrofin binder också till β-DG via WW/ZZ-domänen, men de exakta resterna som stöder denna interaktion skiljer sig från dystrofinrester (3307–3345 i dystrofin och 3064–3102 i utrofin) 60,61.Viktigt är att utrofins bindning till β-DG var ungefär två gånger lägre jämfört med dystrofin 61. Dystrofin har rapporterats binda till F-aktin via spektrinupprepningar 11–17, medan liknande platser i utrofin inte kan binda till F-aktin, även vid kl. höga koncentrationer, men kan interagera genom sina CH-domäner.Åtgärd 62,63,64.Slutligen, till skillnad från dystrofin, kan utrofin inte binda till mikrotubuli51.
Biomekaniskt har utrofinspektrinupprepningar ett distinkt utvecklingsmönster jämfört med dystrofin65.Utrofin-spektrin upprepar utplaceringen vid högre krafter, liknande titin men inte dystrofin65.Detta är förenligt med dess lokalisering och roll i överföringen av stel elastisk kraft vid senor, men kan göra utrofin mindre lämplig att fungera som en molekylär fjäder i buffrande krafter inducerade av kontraktion 65 .Sammantaget tyder dessa data på att mekanotransduktion och mekanobuffringsförmåga kan förändras i närvaro av utrofinöveruttryck, särskilt med tanke på olika bindningspartners/mekanismer, men detta kräver ytterligare experimentell studie.
Ur en funktionell synvinkel gör det faktum att utrofin tros ha liknande effekter som dystrofin det till ett potentiellt behandlingsmål för DMD66,67.Faktum är att vissa DMD-patienter har visat sig överuttrycka utrofin, möjligen som en kompensationsmekanism, och fenotypen har framgångsrikt återställts i en musmodell med utrofinöveruttryck 68 .Även om uppreglering av utrofin är en trolig terapeutisk strategi, gör övervägande av den formella och funktionella skillnaden mellan utrofin och dystrofin och användbarheten av att inducera detta överuttryck med korrekt lokalisering längs sarkolemma den långsiktiga strategin för utrofin fortfarande otydlig.Noterbart visar kvinnliga bärare ett mosaikmönster av utrofinuttryck, och förhållandet mellan dystrofin och utrofin kan påverka graden av dilaterad kardiomyopati hos dessa patienter,69 även om murina modeller av bärare har visat..
Dystroglykansubkomplexet består av två proteiner, α- och β-dystroglykan (α-, β-DG), båda transkriberade från DAG1-genen och sedan post-translationellt klyvda till två komponentproteiner 71 .α-DG är starkt glykosylerat i den extracellulära aspekten av DGC och interagerar direkt med prolinrester i laminin α2 såväl som med agrin72 och picaculin73 och CT/CR-regionen av dystrofin73,74,75,76.O-kopplad glykosylering, särskilt av serinrester, krävs för dess interaktion med ECM.Glykosyleringsvägen inkluderar många enzymer vars mutationer leder till muskeldystrofi (se även tabell 1).Dessa inkluderar O-mannosyltransferaset POMT2, fucutin och fucutin-relaterat protein (FKRP), två ribitolfosfotransferaser som tillför tandemribitolfosfater till kärnglykanen och LARGE1-proteinet som tillför xylos och glukos.Linjär uronsyrapolysackarid, även känd som matrisglykanen i slutet av glykanen77.FKRP är också involverat i utvecklingen och underhållet av ECM, och mutationer i det leder till minskat uttryck av laminin α2 och α-DG77,78,79.Dessutom kan FKRP också styra bildningen av basala lamina och den extracellulära hjärtmatrisen genom glykosylerat fibronektin 80.
β-DG innehåller ett PPxY-bindande motiv som direkt lokaliserar och sekvestrar YAP12.Detta är ett intressant fynd eftersom det antyder att DGC reglerar kardiomyocytcellcykeln.α-DH i neonatala kardiomyocyter interagerar med agrin, vilket främjar hjärtregenerering och DGC76-lys på grund av cellmognad.När kardiomyocyter mognar minskar aggrinuttrycket till förmån för laminin, vilket tros bidra till cellcykelstopp76.Morikawa12 visade att dubbel nedbrytning av dystrofin och salvador, en negativ regulator av YAP, leder till hyperproliferation av kardiomyocyter i den infarktorsakande vommen.Detta ledde till den spännande idén att YAP-manipulation kan vara av kliniskt värde för att förhindra vävnadsförlust efter hjärtinfarkt.Således kan agrin-inducerad DGC-lys representera en axel som möjliggör YAP-aktivering och är en potentiell väg för hjärtregenerering.
Mekaniskt krävs α- och β-DG för att upprätthålla interaktion mellan sarkolemma och basalskiktet 81 .Både α-DG och α7 integriner bidrar till kraftgenerering i costal gangliet, och förlust av α-DG orsakar separation av sarcolemma från basala lamina, vilket gör skelettmuskelvävnad känslig för kontraktionsinducerad skada.Som tidigare beskrivits reglerar dystroglykankomplexet den totala omsättningen av DGC, där bindning till besläktad ligandlaminin resulterar i tyrosinfosforylering av det PPPY-bindande motivet av β-DG892.Tyrosinfosforylering här främjar demontering av dystrofin, vilket vänder på DGC-komplexet.Fysiologiskt är denna process mycket reglerad, vilket saknas vid muskeldystrofi82, även om de underliggande mekanismerna som styr denna process inte är helt klarlagda.
Cyklisk stretch har visat sig aktivera ERK1/2- och AMPK-vägarna genom dystrofinkomplexet och relaterat protein plectin83.Tillsammans krävs pektin och dystroglykan inte bara för att fungera som en ställning, utan också för att delta i mekanotransduktion, och nedbrytning av pektin leder till en minskning av aktiviteten av ERK1/2 och AMPK83.Plektin binder också till cytoskeletala intermediära filament-desmin, och desmin-överuttryck har visat sig förbättra sjukdomsfenotypen hos mdx:desmin- och mdx-möss, en DMD84 dubbel knockout-musmodell.Genom att interagera med β-DG binder pektin DGC indirekt till denna komponent i cytoskelettet.Dessutom interagerar dystroglykan med tillväxtfaktorreceptorbindande protein 2 (Grb2), som är känt för att vara involverat i cytoskelettomläggningar85.Ras-aktivering av integrin har visats förmedlas genom Grb2, vilket kan ge en potentiell väg för överhörning mellan integriner och DGC86.
Mutationer i generna som är involverade i α-DH-glykosylering leder till den så kallade muskeldystrofin.Dystroglykanopatier visar klinisk heterogenitet men orsakas huvudsakligen av en störning i interaktionen mellan α-DG och laminin α277.Dystrofiglikanoser orsakade av primära mutationer i DAG1 är i allmänhet extremt sällsynta, förmodligen för att de är embryonala dödliga87, vilket bekräftar behovet av cellulär association med ECM.Detta innebär att de flesta dystrofiska glykansjukdomar orsakas av sekundära proteinmutationer associerade med glykosylering.Till exempel orsakar mutationer i POMT1 det extremt svåra Walker-Warburgs syndrom, som kännetecknas av anencefali och markant förkortad livslängd (mindre än 3 år)88.FKRP-mutationer manifesterar sig dock huvudsakligen som muskeldystrofi i lem-gördel (LGMD), som vanligtvis (men inte alltid) är relativt mild.Emellertid har mutationer i FKRP visat sig vara en sällsynt orsak till WWS89.Många mutationer har identifierats i FKRP, varav grundmutationen (c.826>A) oftast orsakar LGMD2I90.
LGMD2I är en relativt mild muskeldystrofi vars patogenes är baserad på störningar av kopplingen mellan den extracellulära matrisen och det intracellulära cytoskelettet.Mindre tydligt är förhållandet mellan genotyp och fenotyp hos patienter med mutationer i dessa gener, och detta koncept är faktiskt tillämpligt på andra DSC-proteiner.Varför visar vissa patienter med FKRP-mutationer en sjukdomsfenotyp som överensstämmer med WWS medan andra har LGMD2I?Svaret på denna fråga kan ligga i i) vilket steg av glykosyleringsvägen som påverkas av mutationen, eller ii) graden av hypoglykosylering vid ett givet steg.Hypoglykosylering av α-DG kan fortfarande tillåta en viss grad av interaktion med ECM vilket resulterar i en mildare övergripande fenotyp, medan dissociation från basalmembranet ökar svårighetsgraden av sjukdomsfenotypen.Patienter med LGMD2I utvecklar också DCM, även om detta är mindre dokumenterat än DMD, vilket motiverar behovet av att förstå dessa mutationer i samband med kardiomyocyter.
Subkomplexet sarcospan-sarcoglycan främjar bildandet av DHA och interagerar direkt med β-DH.Det finns fyra enkelriktade sarkoglykaner i hjärtvävnaden: α, β, γ och δ91.Det har nyligen beskrivits att en c.218C>T missense-mutation i exon 3 av SGCA-genen och en partiell heterozygot deletion i exon 7–8 orsakar LGMD2D92.Men i det här fallet utvärderade författarna inte hjärtfenotypen.
Andra grupper har funnit att SGCD i porcine93- och mouse94-modeller resulterar i minskat proteinuttryck i sarkoglykansubkomplexet, vilket stör den övergripande strukturen hos DGC och leder till DCM.Dessutom rapporterades 19 % av alla patienter med SGCA-, SGCB- eller SGCG-mutationer ha dilaterad kardiomyopati, och 25 % av alla patienter behövde också andningsstöd95.
Recessiva mutationer i sarkoglykan (SG) δ resulterar i en minskning eller fullständig frånvaro av sarkoglykankomplex och därmed DGC i hjärtvävnad och är ansvariga för LGMD och dess associerade DCM96.Intressant nog är dominant-negativa mutationer i SG-δ specifika för det kardiovaskulära systemet och är orsaken till familjär dilaterad kardiomyopati97.SG-δ R97Q och R71T dominant-negativa mutationer har visats vara stabilt uttryckta i råttkardiomyocyter utan signifikant försämring av total DGC98.Men hjärtceller som bär dessa mutationer är mer mottagliga för sarkolemmaskador, permeabilitet och mekanisk dysfunktion under mekanisk stress, i överensstämmelse med DCM98-fenotypen.
Sarcospan (SSPN) är ett 25 kDa tetraspanin lokaliserat i sarkoglykansubkomplexet och tros fungera som en proteinställning99.100.Som en proteinställning stabiliserar SSPN lokaliseringen och glykosyleringen av α-DG99,101.Överuttryck av SSPN i musmodeller har visat sig öka bindningen mellan muskel och laminin 102 .Dessutom har SSPN visats interagera med integriner, vilket tyder på graden av överhörning mellan de två revbenskommissurerna, DGC, och integrin-talin-vinkulin-glykoproteinstrukturen100,101,102.Nedbrytning av SSPN resulterade också i en ökning av α7β1 i musskelettmuskel.
En nyligen genomförd studie visade att sarcospan-överuttryck förbättrar mognad och glykosylering av α-DG i hjärtvävnad oberoende av galaktosylaminotransferas 2 (Galgt2) knockdown i en mdx-musmodell av DMD, och därigenom lindra sjukdomsfenotyp 101. Ökad dystroglykosylering kan öka interglykosyleringen. ECM, och därigenom mildrar sjukdomen mest.Dessutom har de visat att sarcospan-överuttryck minskar interaktionen av β1D-integrin med DGC, vilket lyfter fram en möjlig roll för sarcospan i regleringen av integrinkomplex101.
Syntrofiner är en familj av små (58 kDa) proteiner som lokaliseras till DGCs, inte själva har inre enzymatisk aktivitet och fungerar som molekylära adaptrar103,104.Fem isoformer (α-1, β-1, β-2, γ-1 och γ-2) har identifierats som visar vävnadsspecifikt uttryck, varvid α-1-isoformen övervägande uttrycks i tvärstrimmig muskelvävnad 105 .Syntrofiner är viktiga adapterproteiner som underlättar kommunikationen mellan dystrofin och signalmolekyler, inklusive neuronalt kväveoxidsyntas (nNOS) i skelettmuskulaturen106.α-syntrofin interagerar direkt med dystrofin 16-17 spektrinupprepningsdomänen, som i sin tur binder till det nNOS106,107 PDZ-bindande motivet.
Syntrofiner interagerar också med dystrobrevin via PH2- och SU-bindande domäner, och de interagerar också med aktincytoskelettet 108 .Faktum är att syntrofiner verkar spela en särskilt viktig roll i regleringen av cytoskelettdynamiken, och α- och β-isoformerna kan direkt interagera med F-aktin 108 och spelar därför sannolikt en roll i regleringen av tensegrity och cellulära biomekanik. effekt.Dessutom har syntrofiner visat sig reglera cytoskelettet genom Rac1109.
Modulerande syntrofinnivåer kan återställa funktionen, och en nyligen genomförd studie med mini-dystrofin visade att ΔR4-R23/ΔCT-konstruktionen kunde återställa α-syntrofin såväl som andra DGC-proteiner till nivåer jämförbara med WT mdx-kardiomyocyter.
Förutom sin roll i regleringen av cytoskelettet är syntrofiner också väl dokumenterade i regleringen av jonkanaler 111,112,113.Det PDZ-bindande motivet av syntrofiner reglerar den hjärtspänningsberoende Nav1.5111-kanalen, som spelar en nyckelroll för att etablera hjärtexcitabilitet och ledning.Intressant nog, i mdx-musmodellen visade sig Nav1.5-kanaler vara nedreglerade och hjärtarytmier hittades hos djuren 111 .Dessutom har en familj av mekanokänsliga jonkanaler, den transienta receptorpotentialkanalen (TRPC), visats regleras av α1-syntrofin i hjärtvävnad 113 och TRPC6-hämning har visats förbättra arytmier i DMD112-musmodellen.Ökad TRPC6-aktivitet vid DMD har rapporterats resultera i hjärtarytmier, som lindras när de kombineras med PKG 112 .Mekaniskt främjar dystrofinutarmning ett sträckinducerat inflöde av [Ca2+]i som verkar uppströms om TRPC6 för att aktivera det, vilket visas i kardiomyocyter och vaskulära glatta muskelceller112,114.Hyperaktivering av TRPC6 för att sträcka gör den till en viktig mekanosensor och potentiellt terapeutiskt mål i DMD112,114.
Förlust av dystrofin leder till lys eller markant undertryckande av hela DGC-komplexet, med efterföljande förlust av många mekanoprotektiva och mekanotransduktionsfunktioner, vilket resulterar i den katastrofala fenotypen som ses i tvärstrimmig muskelvävnad vid DMD.Därför kan det vara rimligt att anse att RSK:er fungerar tillsammans och att enskilda komponenter är beroende av närvaron och funktionen hos andra komponenter.Detta gäller särskilt för dystrofin, som verkar krävas för montering och lokalisering av sarkolemmakomplexet i kardiomyocyter.Varje komponent spelar en unik roll i att bidra till övergripande stabilisering av sarkolemma, lokalisering av viktiga accessoriska proteiner, reglering av jonkanaler och genuttryck, och förlusten av ett enda protein i DGC leder till dysreglering av hela myokardiet.
Som visas ovan är många DGC-proteiner involverade i mekanotransduktion och signalering, och dystrofin är särskilt lämpat för denna roll.Om DGC finns i revbenen, bekräftar detta åsikten att den deltar i mekanotransduktion tillsammans med integriner.Således genomgår DGC:er fysiskt anisotropisk kraftöverföring och deltar i mekanosensorisk och cytoskelettomordning av den intracellulära mikromiljön, i överensstämmelse med tensegrity-modellen.Dessutom buffrar Dp427m inkommande biomekaniska krafter genom att expandera spektrinupprepningar inom dess centrala kärndomän, och fungerar därigenom som en mekanoprotektor genom att upprätthålla en 25 pN avlindningskraft över ett utökat 800 nm-intervall.Genom att splittras kan dystrofin "buffra" kraften av kontraktionsavslappning som produceras av kardiomyocyter10.Med tanke på mångfalden av proteiner och fosfolipider som interagerar med spektrinupprepningsdomäner, är det intressant att spekulera i om avveckling av spektrinupprepning förändrar bindningskinetiken för mekanokänsliga proteiner på ett sätt som liknar det för talin116,117,118.Detta är dock ännu inte fastställt och ytterligare utredning krävs.