310 Chemická součást kapilární spirálové trubice z nerezové oceli, Úloha dystrofinových glykoproteinových komplexů v mechanotransdukci svalových buněk

Děkujeme, že jste navštívili Nature.com.Používáte verzi prohlížeče s omezenou podporou CSS.Chcete-li dosáhnout nejlepšího výsledku, doporučujeme použít aktualizovaný prohlížeč (nebo vypnout režim kompatibility v aplikaci Internet Explorer).Abychom zajistili trvalou podporu, zobrazujeme web bez stylů a JavaScriptu.
Posuvníky zobrazující tři články na snímku.Pro pohyb mezi snímky použijte tlačítka zpět a další, pro pohyb po jednotlivých snímcích použijte tlačítka posuvného ovladače na konci.

310 dodavatelů kapilárních hadic z nerezové oceli

Dystrofin je hlavní protein dystrofin-glykoproteinového komplexu (DGC) v kosterním svalstvu a kardiomyocytech.Dystrofin váže aktinový cytoskelet na extracelulární matrix (ECM).Přerušení spojení mezi extracelulární matrix a intracelulárním cytoskeletem může mít devastující důsledky pro homeostázu buněk kosterního svalstva, což vede k řadě svalových dystrofií.Kromě toho ztráta funkčních DGC vede k progresivní dilatační kardiomyopatii a předčasné smrti.Dystrofin působí jako molekulární pružina a DHA hraje klíčovou roli při udržování integrity sarkolemy.Navíc se hromadí důkazy, které spojují DGC s mechanickou signalizací, ačkoli tato role zůstává nedostatečně pochopena.Tento přehledový článek si klade za cíl poskytnout moderní pohled na DGC a jejich roli v mechanotransdukci.Nejprve diskutujeme o komplexním vztahu mezi mechanikou a funkcí svalových buněk a poté přezkoumáme nedávný výzkum úlohy dystrofinového glykoproteinového komplexu v mechanotransdukci a udržování biomechanické integrity svalových buněk.Nakonec přezkoumáme současnou literaturu, abychom pochopili, jak se signalizace DGC protíná s mechanosignalizačními cestami, abychom zdůraznili potenciální budoucí intervenční body, se zvláštním zaměřením na kardiomyopatii.
Buňky jsou v neustálé komunikaci se svým mikroprostředím a pro interpretaci a integraci biomechanických informací je mezi nimi nezbytný obousměrný dialog.Biomechanika řídí klíčové následné události (např. cytoskeletální přestavby) řízením celkového buněčného fenotypu v prostoru a čase.Ústředním bodem tohoto procesu v kardiomyocytech je pobřežní oblast, oblast, kde se sarkolema spojuje se sarkomerou složenou z komplexů integrin-talin-vinkulin a dystrofin-glykoprotein (DGC).Tyto diskrétní fokální adheze (FA) připojené k intracelulárnímu cytoskeletu šíří kaskádu biomechanických a biochemických buněčných změn, které řídí diferenciaci, proliferaci, organogenezi, migraci, progresi onemocnění a další.Přeměna biomechanických sil na biochemické a/nebo (epi)genetické změny je známá jako mechanotransdukce1.
O integrinovém transmembránovém receptoru 2 je již dlouho známo, že ukotvuje extracelulární matrici v buňkách a zprostředkovává vnitřní i vnější signalizaci.Paralelně s integriny vážou DGC ECM k cytoskeletu a vytvářejí kritické spojení mezi vnějškem a vnitřkem buňky3.Dystrofin plné délky (Dp427) je primárně exprimován v srdečním a kosterním svalu, ale je také pozorován v tkáních centrálního nervového systému, včetně sítnice a Purkyňovy tkáně4.Mutace integrinů a DGC jsou považovány za příčiny svalové dystrofie a progresivní dilatační kardiomyopatie (DCM) (tab. 1)5,6.Zejména mutace DMD kódující centrální dystrofinový protein DGC způsobují Duchennovu svalovou dystrofii (DMD)7.DGC se skládá z několika subkomplexů včetně α- a β-dystroglykanu (α/β-DG), sarkoglykan-sarkospanu, syntrofinu a dystrofinu8.
Dystrofin je cytoskeletální protein kódovaný DMD (Xp21.1-Xp22), který hraje ústřední roli při udržování DGC.DGC udržuje integritu sarkolemy, plazmatické membrány příčně pruhované svalové tkáně.Dystrophin dále zmírňuje poškození způsobené kontrakcí tím, že působí jako molekulární pružina a molekulární lešení9,10.Dystrofin plné délky má molekulovou hmotnost 427 kDa, avšak kvůli mnoha vnitřním promotorům v DMD existuje několik přirozeně se vyskytujících zkrácených izoforem, včetně Dp7111.
Ukázalo se, že pomocné proteiny jsou lokalizovány v dystrofinu, včetně skutečných mechanopřevodníků, jako je neuronální syntáza oxidu dusnatého (nNOS), protein spojený s Yes (YAP) a kaveolin-3, takže představují důležité složky buněčné signalizace.Sloučeniny 12, 13, 14. Kromě adheze, buněčného mechanismu spojeného s interakcemi mezi buňkami a matricí, tvořené integriny a jejich downstream cíli, tyto dva komplexy představují rozhraní mezi „vnitřkem“ a „vnějškem“ buňky. .Ochrana těchto fokálních adhezí před abnormální destrukcí je zásadní pro chování a přežití buněk.Data navíc podporují, že dystrofin je modulátorem mechanosenzitivních iontových kanálů, včetně natažením aktivovaných kanálů, zejména Ca2+ kanálů typu L a kanálů TRPC 15.
Přestože je dystrofin důležitý pro homeostatickou funkci buněk příčně pruhovaného svalstva, přesné podpůrné mechanismy jsou méně jasné, zejména úloha dystrofinu a jeho schopnost působit jako mechanosensor a mechanická ochrana.Kvůli ztrátě dystrofinu vyvstalo několik nezodpovězených otázek, včetně: jsou mechanosenzitivní proteiny jako YAP a AMPK nesprávně lokalizovány do sarkolemy;Existují přeslechy s integriny, okolnosti, které mohou vést k abnormální mechanotransdukci?Všechny tyto vlastnosti mohou přispívat k závažnému fenotypu DCM pozorovanému u pacientů s DMD.
Kromě toho má asociace změn v buněčné biomechanice s celkovým fenotypem DMD důležité klinické důsledky.DMD je X-vázaná svalová dystrofie postihující 1:3500–5000 mužů, charakterizovaná časnou ztrátou pohyblivosti (<5 let) a progresivní DCM s významně horší prognózou než DCM jiné etiologie16,17,18.
Biomechanika ztráty dystrofinu nebyla plně popsána a zde uvádíme důkazy podporující názor, že dystrofin skutečně hraje mechanoprotektivní roli, tj. udržuje integritu sarkolemy, a je kritický v mechanotransdukci.Kromě toho jsme přezkoumali důkazy naznačující důležité přeslechy s integriny, specificky vázajícími laminin α7β1D v buňkách příčně pruhovaného svalstva.
Inzerce a delece jsou zodpovědné za velký počet mutací u DMD, přičemž 72 % mutací je způsobeno takovými mutacemi19.Klinicky se DMD projevuje v kojeneckém věku (≤ 5 let) hypotenzí, pozitivním Gowerovým příznakem, opožděnou progresí změn souvisejících s věkem, mentální retardací a atrofií kosterního svalstva.Respirační obtíže byly historicky hlavní příčinou úmrtí u pacientů s DMD, ale zlepšená podpůrná péče (kortikosteroidy, nepřetržitý pozitivní tlak v dýchacích cestách) prodloužila očekávanou délku života u těchto pacientů a střední věk pacientů s DMD narozených po roce 1990 je 28,1 let20,21 ..S prodlužujícím se přežitím pacientů je však prognóza progresivní DCM výrazně horší ve srovnání s jinými kardiomyopatiemi16, což vede k terminálnímu srdečnímu selhání, které je v současnosti hlavní příčinou úmrtí a představuje přibližně 50 % úmrtí na DMD17,18.
Progresivní DCM je charakterizována zvýšenou dilatací a poddajností levé komory, ztenčením komory, zvýšenou infiltrací fibrotuků, sníženou systolickou funkcí a zvýšenou frekvencí arytmií.Stupeň DCM u pacientů s DMD je téměř univerzální v pozdní adolescenci (90 % až 18 let), ale je přítomen u přibližně 59 % pacientů do 10 let8,22.Řešení tohoto problému je zásadní, protože ejekční frakce levé komory neustále klesá rychlostí 1,6 % ročně23.
Srdeční arytmie jsou u pacientů s DMD časté, zejména sinusová tachykardie a ventrikulární tachykardie, a jsou příčinou náhlé srdeční smrti22.Arytmie jsou důsledkem tukové infiltrace, zejména v subbazální levé komoře, která narušuje návratový okruh a také dysfunkci zpracování [Ca2+]i a dysfunkci iontových kanálů24,25.Rozpoznání klinického kardiálního projevu je kritické, protože včasné léčebné strategie mohou oddálit nástup těžké DCM.
Důležitost léčby srdeční dysfunkce a morbidity kosterního svalstva ukazuje zajímavá studie, která použila myší model DMD nazvaný mdx26 ke studiu účinků zlepšení tkáně kosterního svalstva, aniž by se zabývaly základními srdečními problémy přítomnými u DMD.Zde autoři prokázali paradoxní 5násobné zvýšení srdeční dysfunkce po zlepšení kosterního svalstva a u myší došlo k významnému snížení ejekční frakce26.Zlepšená funkce kosterního svalstva umožňuje vyšší fyzickou aktivitou více zatěžovat myokard, čímž je náchylnější k celkové dysfunkci.To zdůrazňuje důležitost léčby pacientů s DMD obecně a varuje před samotnou terapií kosterního svalstva.
DGC plní několik dalších funkcí, konkrétně zajišťují strukturální stabilitu sarkolemy, stávají se molekulárním lešením, které funguje jako signální spojení, regulují mechanosenzitivní iontové kanály, jádro pobřežní mechanotransdukce a podílejí se na přenosu laterální síly v oblasti žebra (obr. 1b)..Dystrofin hraje v této schopnosti ústřední roli a díky přítomnosti mnoha vnitřních promotorů existuje několik různých izoforem, z nichž každá hraje v různých tkáních jinou roli.Diferenciální tkáňová exprese různých izoforem dystrofinu podporuje názor, že každá izoforma hraje jinou roli.Například srdeční tkáň exprimuje plnou délku (Dp427m) i kratší izoformu Dp71m dystrofinu, zatímco kosterní tkáň exprimuje pouze první z těchto dvou.Pozorování role každého podtypu může odhalit nejen jeho fyziologickou funkci, ale také patogenezi svalové dystrofie.
Schematické znázornění dystrofinu plné délky (Dp427m) a menší, zkrácené izoformy Dp71.Dystrophin má 24 spektrinových repetic oddělených čtyřmi smyčkami, stejně jako doménu vázající aktin (ABD), doménu bohatou na cystein (CR) a C-konec (CT).Byli identifikováni klíčoví vazební partneři, včetně mikrotubulů (MT) a sarkolemy.Existuje mnoho izoforem Dp71, Dp71m označuje svalovou tkáň a Dp71b označuje izoformu nervové tkáně.Konkrétně Dp71f označuje cytoplazmatickou izoformu neuronů.b Komplex dystrofin-glykoprotein (DHA) se nachází v sarkolemě jako celku.Biomechanické síly přepínají mezi ECM a F-aktinem.Všimněte si potenciálního přeslechu mezi DGC a adhezí integrinu, Dp71 může hrát roli v fokálních adhezích.Vytvořeno pomocí Biorender.com.
DMD je nejčastější svalová dystrofie a je způsobena mutacemi v DMD.Abychom však plně ocenili naše současné chápání role anti-dystrofinu, je důležité zařadit jej do kontextu DGC jako celku.Proto budou stručně popsány ostatní proteiny.Proteinové složení DGC se začalo studovat koncem 80. let 20. století se zvláštní pozorností na dystrofin.Koenig27,28, Hoffman29 a Ervasti30 učinili důležitý objev identifikací dystrofinu, 427 kDa proteinu v příčně pruhovaném svalu31.
Následně se ukázalo, že další subkomplexy jsou spojeny s dystrofinem, včetně sarkoglykanu, transsynu, dystrofinového subkomplexu, dysbrevinu a syntrofinů8, které společně tvoří současný model DGC.Tato část bude nejprve šířit důkazy o úloze DGC v mechanosensorickém vnímání a zároveň podrobně zkoumat jednotlivé složky.
Izoforma dystrofinu plné délky přítomná v příčně pruhované svalové tkáni je Dp427m (např. „m“ pro sval, aby se odlišil od mozku) a je to velký protein ve tvaru tyčinky se čtyřmi funkčními doménami umístěnými pod sarkolemou kardiomyocytů, zejména v pobřežní oblasti 29, 32. Dp427m, kódovaný genem DMD na Xp21.1, sestává ze 79 exonů generovaných na 2,2 megabázích a je tak největším genem v našem genomu8.
Několik vnitřních promotorů v DMD produkuje mnohočetné zkrácené izoformy dystrofinu, z nichž některé jsou tkáňově specifické.Ve srovnání s Dp427m je Dp71m výrazně zkrácený a postrádá doménu opakování spektrinu nebo N-terminální doménu ABD.Dp71m si však zachovává C-terminální vazebnou strukturu.V kardiomyocytech je úloha Dp71m nejasná, ale bylo prokázáno, že se lokalizuje v T tubulech, což naznačuje, že může pomoci regulovat vazbu excitace-kontrakce 33,34,35.Pokud je nám známo, nedávný objev Dp71m v srdeční tkáni získal malou pozornost, ale některé studie naznačují, že je spojen s iontovými kanály aktivovanými natažením, a Masubuchi navrhl, že může hrát roli v regulaci nNOS33., 36. Přitom Dp71 získal významnou pozornost v neurofyziologii a výzkumu krevních destiček, což jsou oblasti, které mohou poskytnout pohled na roli v kardiomyocytech37,38,39.
V nervové tkáni je převážně exprimována izoforma Dp71b, přičemž bylo hlášeno 14 izoforem38.Bylo prokázáno, že delece Dp71b, důležitého regulátoru aquaporin 4 a Kir4.1 draslíkových kanálů v centrálním nervovém systému, mění permeabilitu hematoencefalické bariéry40.Vzhledem k úloze Dp71b v regulaci iontových kanálů může Dp71m hrát podobnou roli v kardiomyocytech.
Přítomnost DGC v pobřežních gangliích okamžitě ukazuje na roli v mechanotransdukci a skutečně se ukázalo, že se ko-lokalizuje s komplexy integrin-talin-vinkulin41.Navíc, vzhledem k tomu, že pobřežní segment je zaměřen na příčnou mechanotransdukci, lokalizace Dp427m zde zdůrazňuje jeho roli při ochraně buněk před poškozením způsobeným kontrakcí.Dále Dp427m interaguje s aktinem a cytoskeletem mikrotubulů, čímž dokončuje spojení mezi intracelulárním prostředím a extracelulární matrix.
N-konec obsahující aktin-vazebnou doménu 1 (ABD1) sestává ze dvou kalmodulinových homologních domén (CH), které jsou nutné pro interakci s F-aktinem a ukotvení izoformy y-aktinu k sarkolemě42,43.Dystrofin může přispívat k celkové viskoelasticitě kardiomyocytů připojením k subsarkolemálnímu cytoskeletu a jeho lokalizace v pobřežních gangliích podporuje jeho zapojení do mechanotransdukce i mechanoprotekce44,45.
Centrální doména jádra se skládá z 24 opakujících se proteinů podobných spektrinu, z nichž každý má délku přibližně 100 aminokyselinových zbytků.Repetice spektrinu jsou rozptýleny čtyřmi pantovými doménami, což proteinu dodává flexibilitu a vysoký stupeň roztažitelnosti.Dystrofinové spektrinové repetice se mohou rozvinout ve fyziologickém rozsahu sil (15-30 pN) od 21 nm do 84 nm, sil dosažitelných pro kontrakci myosinu46.Tyto vlastnosti spektrinové repetitivní domény umožňují dystrofinu působit jako molekulární tlumič nárazů.
Centrální tyč Dp427m zajišťuje jeho lokalizaci v sarkolemě, zejména prostřednictvím hydrofobních a elektrostatických interakcí s fosfatidylserinem 47,48.Je zajímavé, že centrální jádro dystrofinu interaguje odlišně s fosfolipidy sarkolemy v kosterních a srdečních tkáních, což možná odráží různé jarní vzorce.kritické, zatímco kosterní svaly jsou také spojeny s R10-R1249.
Vazba na cytoskelet γ-aktinu vyžaduje oblast repetice spektrinu ABD2 11–17, která se skládá ze zbytků bazických aminokyselin a liší se od domény CH vázající F-aktin.Mikrotubuly interagují přímo s jádrovou doménou dystrofinu, tato interakce vyžaduje zbytky spektrinových repetic 4-15 a 20-23 a přítomnost ankyrinu B je nutná k prevenci tvorby mikrotubulů v tomto místě.Trubky chybí 50,51,52.Bylo prokázáno, že mezera mezi mikrotubuly a dystrofinem zhoršuje patologii DMD zvýšením reaktivních forem kyslíku (X-ROS).
CR doména prostřednictvím ankyrinu B je další kotvou pro sarkolemální fosfolipidy52.Ankyrin-B a ankyrin-G jsou vyžadovány pro lokalizaci dystrofinu/DGC v žebrech a jejich nepřítomnost vede k difuznímu sarkolemálnímu vzoru DGC52.
CR doména obsahuje WW vazebnou doménu, která interaguje přímo s PPxY vazebným motivem β-DG.Tím, že se dystrofin naváže na komplex dystrofin-glykan, dokončuje spojení mezi vnitřkem a vnějškem buňky54.Toto spojení je pro příčně pruhovaný sval kritické, o čemž svědčí fakt, že narušení spojení mezi ECM a vnitřkem buňky vede k život limitující svalové dystrofii.
Konečně CT doména je vysoce konzervovaná oblast, která tvoří stočenou šroubovici a je kritická pro vazbu na α-dystrobrevin a α1-,β1-syntrofiny55,56.α-dystrobrevin se váže na CT doménu dystrofinu a poskytuje další rezistenci vůči dystrofinu v sarkolemě57.
Během embryonálního a fetálního vývoje je utrofin široce exprimován v různých tkáních, včetně endoteliálních buněk, nervové tkáně a příčně pruhované svalové tkáně58.Utrofin je exprimován UTRN lokalizovaným na chromozomu 6q a je autologem dystrofinu s 80% proteinovou homologií.Během vývoje je utrofin lokalizován v sarkolemě, ale je výrazně potlačován v postnatální příčně pruhované svalové tkáni, kde je nahrazen dystrofinem.Po narození je lokalizace utrofinu omezena na šlachy a nervosvalová spojení kosterních svalů58,59.
Partneři vázající utrofin jsou v podstatě podobní partnerům dystrofinů, i když byly popsány některé klíčové rozdíly.Například dystrofin interaguje s β-DG prostřednictvím své WW domény, která je stabilizována doménou ZZ (pojmenovanou pro svou schopnost vázat dva ionty zinku) v oblasti CT, kde jsou pro tuto interakci zvláště důležité zbytky kyseliny cysteové 60 ., 61. Utrofin se také váže na β-DG prostřednictvím domény WW/ZZ, ale přesné zbytky podporující tuto interakci se liší od zbytků dystrofinu (3307–3345 u dystrofinu a 3064–3102 u utrofinu) 60,61.Důležité je, že vazba utrofinu na β-DG byla přibližně 2krát nižší ve srovnání s dystrofinem 61. Bylo hlášeno, že se dystrofin váže na F-aktin prostřednictvím spektrinových repetic 11–17, zatímco podobná místa v utrofinu se nemohou vázat na F-aktin, a to ani při vysoké koncentrace, ale mohou interagovat prostřednictvím svých domén CH.Akce 62,63,64.Konečně, na rozdíl od dystrofinu se utrofin nemůže vázat na mikrotubuly51.
Biomechanicky mají repetice spektrinu utrofinu ve srovnání s dystrofinem zřetelný vzorec rozvíjení65.Utrofin-spektrin opakuje nasazení při vyšších silách, podobně jako titin, ale ne dystrofin65.To je v souladu s jeho lokalizací a úlohou při přenosu tuhé elastické síly ve spojeních šlach, ale může to způsobit, že utrofin bude méně vhodný pro působení jako molekulární pružina při tlumení sil vyvolaných kontrakcí65.Celkově vzato tato data naznačují, že schopnosti mechanotransdukce a mechanobuferování mohou být změněny v přítomnosti nadměrné exprese utrofinu, zejména s ohledem na různé vazebné partnery/mechanismy, což však vyžaduje další experimentální studii.
Z funkčního hlediska skutečnost, že se předpokládá, že utrofin má podobné účinky jako dystrofin, z něj činí potenciální cíl léčby DMD66,67.Ve skutečnosti bylo prokázáno, že někteří pacienti s DMD nadměrně exprimují utrofin, pravděpodobně jako kompenzační mechanismus, a fenotyp byl úspěšně obnoven na myším modelu s nadměrnou expresí utrofinu68.Zatímco upregulace utrofinu je pravděpodobnou terapeutickou strategií, zvážení formálního a funkčního rozdílu mezi utrofinem a dystrofinem a užitečnosti indukce této nadměrné exprese se správnou lokalizací podél sarkolemy činí dlouhodobou strategii utrofinu stále nejasnou.Je pozoruhodné, že ženy přenašečky vykazují mozaikový vzor exprese utrofinu a poměr mezi dystrofinem a utrofinem může u těchto pacientů ovlivnit stupeň dilatační kardiomyopatie,69 i když to ukázaly myší modely přenašečů..
Dystroglykanový subkomplex se skládá ze dvou proteinů, α- a β-dystroglykanu (α-, β-DG), oba transkribované z genu DAG1 a poté posttranslačně štěpené na dvousložkové proteiny71.α-DG je vysoce glykosylovaný v extracelulárním aspektu DGC a interaguje přímo s prolinovými zbytky v lamininu α2, stejně jako s agrinem72 a picaculinem73 a CT/CR oblastí dystrofinu73,74,75,76.O-vázaná glykosylace, zejména serinových zbytků, je nutná pro jeho interakci s ECM.Glykosylační dráha zahrnuje mnoho enzymů, jejichž mutace vedou ke svalové dystrofii (viz také Tabulka 1).Patří mezi ně O-manosyltransferáza POMT2, fukutin a protein příbuzný fukutinu (FKRP), dvě ribitolfosfotransferázy, které přidávají tandemové ribitolfosfáty k jádru glykanu, a protein LARGE1, který přidává xylózu a glukózu.Lineární polysacharid uronové kyseliny, také známý jako matricový glykan na konci glykanu77.FKRP se také podílí na vývoji a udržování ECM a mutace v něm vedou ke snížené expresi lamininu α2 a α-DG77,78,79.Kromě toho může FKRP také řídit tvorbu bazální laminy a srdeční extracelulární matrix prostřednictvím glykosylovaného fibronektinu 80.
β-DG obsahuje vazebný motiv PPxY, který přímo lokalizuje a sekvestruje YAP12.To je zajímavé zjištění, protože to znamená, že DGC reguluje buněčný cyklus kardiomyocytů.α-DH v neonatálních kardiomyocytech interaguje s agrinem, což podporuje regeneraci srdce a lýzu DGC76 v důsledku zrání buněk.Jak kardiomyocyty dozrávají, exprese aggrinu klesá ve prospěch lamininu, o kterém se předpokládá, že přispívá k zástavě buněčného cyklu76.Morikawa12 ukázal, že dvojitý knockdown dystrofinu a salvadoru, negativního regulátoru YAP, vede k hyperproliferaci kardiomyocytů v bachoru způsobujícím infarkt.To vedlo ke vzrušující myšlence, že manipulace s YAP by mohla mít klinickou hodnotu při prevenci ztráty tkáně po infarktu myokardu.Lýza DGC indukovaná agrinem by tedy mohla představovat osu, která umožňuje aktivaci YAP a je potenciální cestou pro regeneraci srdce.
Mechanicky jsou a- a p-DG nutné k udržení interakce mezi sarkolemou a bazální vrstvou 81 .Jak a-DG, tak a7 integriny přispívají k vytváření síly v pobřežním ganglionu a ztráta a-DG způsobuje oddělení sarkolemy od bazální laminy, takže tkáň kosterního svalstva je zranitelná vůči poškození vyvolanému kontrakcí.Jak bylo popsáno dříve, dystroglykanový komplex reguluje celkový obrat DGC, kde vazba na příbuzný ligand laminin vede k fosforylaci tyrosinu PPPY-vazebného motivu p-DG892.Fosforylace tyrosinu zde podporuje rozklad dystrofinu, který převrací komplex DGC.Fyziologicky je tento proces vysoce regulován, což u svalové dystrofie chybí82, i když základní mechanismy, které tento proces řídí, nejsou zcela pochopeny.
Ukázalo se, že cyklický úsek aktivuje dráhy ERK1/2 a AMPK prostřednictvím dystrofinového komplexu a souvisejícího proteinového plektinu83.Společně jsou plektin a dystroglykan nutné nejen k tomu, aby působily jako lešení, ale také aby se účastnily mechanotransdukce, a knockdown plektinu vede ke snížení aktivity ERK1/2 a AMPK83.Plektin se také váže na desmin cytoskeletálního intermediárního filamenta a ukázalo se, že nadměrná exprese desminu zlepšuje fenotyp onemocnění u myší mdx:desmin a mdx, což je myší model s dvojitým knockoutem DMD84.Interakcí s β-DG plektin nepřímo váže DGC na tuto složku cytoskeletu.Kromě toho dystroglykan interaguje s proteinem 2 vázajícím receptor růstového faktoru (Grb2), o kterém je známo, že se podílí na přestavbách cytoskeletu85.Ukázalo se, že aktivace Ras integrinem je zprostředkována prostřednictvím Grb2, což může poskytnout potenciální cestu pro přeslech mezi integriny a DGC86.
Mutace v genech podílejících se na α-DH glykosylaci vedou k tzv. svalové dystrofii.Dystroglykanopatie vykazují klinickou heterogenitu, ale jsou způsobeny hlavně narušením interakce mezi α-DG a lamininem α277.Dystrofiglikanózy způsobené primárními mutacemi v DAG1 jsou obecně extrémně vzácné, pravděpodobně proto, že jsou embryonální letální87, což potvrzuje potřebu buněčné asociace s ECM.To znamená, že většina dystrofických glykanových onemocnění je způsobena sekundárními proteinovými mutacemi spojenými s glykosylací.Například mutace v POMT1 způsobují extrémně těžký Walker-Warburgův syndrom, který se vyznačuje anencefalií a výrazně zkrácenou očekávanou délkou života (méně než 3 roky)88.Mutace FKRP se však převážně manifestují jako svalová dystrofie končetin a pletence (LGMD), která je obvykle (ale ne vždy) relativně mírná.Ukázalo se však, že mutace v FKRP jsou vzácnou příčinou WWS89.V FKRP bylo identifikováno mnoho mutací, z nichž zakladatelská mutace (c.826>A) nejčastěji způsobuje LGMD2I90.
LGMD2I je relativně lehká svalová dystrofie, jejíž patogeneze je založena na narušení spojení mezi extracelulární matrix a intracelulárním cytoskeletem.Méně jasný je vztah mezi genotypem a fenotypem u pacientů s mutacemi v těchto genech a skutečně je tento koncept aplikovatelný i na jiné DSC proteiny.Proč někteří pacienti s mutacemi FKRP vykazují fenotyp onemocnění konzistentní s WWS, zatímco jiní mají LGMD2I?Odpověď na tuto otázku může spočívat v i) který krok glykosylační dráhy je ovlivněn mutací, nebo ii) stupni hypoglykosylace v kterémkoli daném kroku.Hypoglykosylace a-DG může stále umožnit určitý stupeň interakce s ECM, což vede k mírnějšímu celkovému fenotypu, zatímco disociace od bazální membrány zvyšuje závažnost fenotypu onemocnění.U pacientů s LGMD2I se také rozvine DCM, i když je to méně zdokumentováno než DMD, což motivuje naléhavost pochopení těchto mutací v kontextu kardiomyocytů.
Subkomplex sarkospan-sarkoglykan podporuje tvorbu DHA a přímo interaguje s β-DH.V srdeční tkáni jsou čtyři jednosměrné sarkoglykany: α, β, γ a δ91.Nedávno bylo popsáno, že mutace c.218C>T missense v exonu 3 genu SGCA a částečná heterozygotní delece v exonech 7–8 způsobují LGMD2D92.V tomto případě však autoři nehodnotili srdeční fenotyp.
Jiné skupiny zjistily, že SGCD u prasečích93 a myších94 modelů vede ke snížené expresi proteinu v sarkoglykanovém subkomplexu, narušuje celkovou strukturu DGC a vede k DCM.Navíc u 19 % všech pacientů s mutacemi SGCA, SGCB nebo SGCG bylo hlášeno, že má dilatační kardiomyopatii a 25 % všech pacientů také vyžadovalo respirační podporu95.
Recesivní mutace v sarkoglykanu (SG) δ vedou ke snížení nebo úplné absenci sarkoglykanových komplexů a tím i DGC v srdeční tkáni a jsou zodpovědné za LGMD as ním spojený DCM96.Je zajímavé, že dominantně-negativní mutace v SG-δ jsou specifické pro kardiovaskulární systém a jsou příčinou familiární dilatační kardiomyopatie97.Ukázalo se, že dominantně negativní mutace SG-δ R97Q a R71T jsou stabilně exprimovány v potkaních kardiomyocytech bez významného poškození celkového DGC98.Srdeční buňky nesoucí tyto mutace jsou však náchylnější k poškození sarkolemou, permeabilitě a mechanické dysfunkci při mechanické zátěži, což je v souladu s fenotypem DCM98.
Sarcospan (SSPN) je 25 kDa tetraspanin lokalizovaný v sarkoglykanovém subkomplexu a má se za to, že slouží jako proteinová kostra99,100.Jako proteinový skafold stabilizuje SSPN lokalizaci a glykosylaci a-DG99,101.Bylo zjištěno, že nadměrná exprese SSPN v myších modelech zvyšuje vazbu mezi svalem a lamininem102.Navíc se ukázalo, že SSPN interaguje s integriny, což naznačuje stupeň přeslechu mezi dvěma žebrovými komisurami, DGC, a integrin-talin-vinkulinovou glykoproteinovou strukturou100,101,102.Knockdown SSPN také vedl ke zvýšení a7β1 v myším kosterním svalu.
Nedávná studie ukázala, že nadměrná exprese sarkospanu zvyšuje zrání a glykosylaci α-DG v srdeční tkáni nezávisle na knockdownu galaktosylaminotransferázy 2 (Galgt2) v mdx myším modelu DMD, čímž zmírňuje fenotyp onemocnění 101. Zvýšená glykosylace dystroglykanového komplexu může zvýšit interakci ECM, čímž se nemoc nejvíce zmírní.Navíc ukázali, že nadměrná exprese sarkospanu snižuje interakci β1D integrinu s DGC, což zdůrazňuje možnou roli sarkospanu v regulaci integrinových komplexů101.
Syntrofiny jsou rodinou malých (58 kDa) proteinů, které se lokalizují v DGC, samy o sobě nemají vnitřní enzymatickou aktivitu a slouží jako molekulární adaptéry103,104.Bylo identifikováno pět izoforem (α-1, β-1, β-2, γ-1 a γ-2) vykazujících tkáňově specifickou expresi, přičemž izoforma a-1 je převážně exprimována v příčně pruhované svalové tkáni105.Syntrofiny jsou důležité adaptorové proteiny, které usnadňují komunikaci mezi dystrofinem a signálními molekulami, včetně neuronální syntázy oxidu dusnatého (nNOS) v kosterním svalu106.a-syntrofin interaguje přímo s opakující se doménou spektrinu 16-17 dystrofinu, která se zase váže na nNOS106,107 PDZ-vazebný motiv.
Syntrofiny také interagují s dystrobrevinem prostřednictvím vazebných domén PH2 a SU a také interagují s aktinovým cytoskeletem108.Zdá se, že syntrofiny hrají zvláště důležitou roli v regulaci dynamiky cytoskeletu a izoformy α a β jsou schopny přímo interagovat s F-aktinem 108, a tak pravděpodobně hrají roli v regulaci tensegrity a biomechanice buněčné účinek.Navíc bylo prokázáno, že syntrofiny regulují cytoskelet prostřednictvím Rac1109.
Modulace hladin syntrofinu může obnovit funkci a nedávná studie s použitím mini-dystrofinu ukázala, že konstrukt AR4-R23/ACTT byl schopen obnovit a-syntrofin stejně jako další DGC proteiny na hladiny srovnatelné s WT mdx kardiomyocyty.
Kromě své role v regulaci cytoskeletu jsou syntrofiny také dobře zdokumentovány v regulaci iontových kanálů 111,112,113.PDZ-vazebný motiv syntrofinů reguluje srdeční napěťově závislý kanál Nav1.5111, který hraje klíčovou roli při vytváření srdeční excitability a vedení.Zajímavé je, že v mdx myším modelu bylo zjištěno, že kanály Nav1.5 jsou downregulované a u zvířat byly zjištěny srdeční arytmie111.Kromě toho se ukázalo, že rodina mechanosenzitivních iontových kanálů, přechodný receptorový potenciální kanál (TRPC), je regulována a1-syntrofinem v srdeční tkáni 113 a inhibice TRPC6 zlepšuje arytmie na myším modelu DMD112.Bylo hlášeno, že zvýšená aktivita TRPC6 u DMD vede k srdečním arytmiím, které se zmírňují při kombinaci s PKG112.Mechanicky deplece dystrofinu podporuje natažením indukovaný přítok [Ca2+]i, který působí proti proudu TRPC6, aby jej aktivoval, jak je ukázáno na kardiomyocytech a buňkách hladkého svalstva cév112,114.Hyperaktivace TRPC6 k protažení z něj dělá hlavní mechanosensor a potenciální terapeutický cíl v DMD112,114.
Ztráta dystrofinu vede k lýze nebo výraznému potlačení celého DGC komplexu s následnou ztrátou mnoha mechanoprotektivních a mechanotransdukčních funkcí, což vede ke katastrofickému fenotypu pozorovanému v příčně pruhované svalové tkáni u DMD.Proto může být rozumné uvažovat o tom, že RSK fungují ve shodě a že jednotlivé komponenty jsou závislé na přítomnosti a fungování jiných komponent.To platí zejména pro dystrofin, který se zdá být nezbytný pro sestavení a lokalizaci sarkolemového komplexu v kardiomyocytech.Každá složka hraje jedinečnou roli v přispívání k celkové stabilizaci sarkolemy, lokalizaci klíčových přídatných proteinů, regulaci iontových kanálů a genové expresi a ztráta jednoho proteinu v DGC vede k dysregulaci celého myokardu.
Jak je ukázáno výše, mnoho DGC proteinů se účastní mechanotransdukce a signalizace a dystrofin je pro tuto roli zvláště vhodný.Pokud se DGC nachází v žebrech, potvrzuje to názor, že se spolu s integriny účastní mechanotransdukce.DGC tedy fyzicky podléhají anizotropnímu přenosu síly a účastní se mechanosensorického a cytoskeletálního přeskupení intracelulárního mikroprostředí v souladu s modelem tensegrity.Kromě toho Dp427m tlumí příchozí biomechanické síly rozšiřováním spektrinových repetic v rámci své centrální domény jádra, čímž působí jako mechanoprotektor udržováním odvíjecí síly 25 pN v rozšířeném rozsahu 800 nm.Rozštěpením je dystrofin schopen „utlumit“ sílu kontrakce-relaxace produkovanou kardiomyocyty10.Vzhledem k rozmanitosti proteinů a fosfolipidů, které interagují s doménami repetice spektrinu, je zajímavé spekulovat, zda odvíjení repetice spektrinu mění kinetiku vazby mechanosenzitivních proteinů podobným způsobem jako talin116,117,118.To však zatím není stanoveno a je nutné další vyšetřování.