Διερεύνηση του ρόλου της περιοχής κεφαλή της δεσμίνης στην παθοφυσιολογία του μυοκαρδιοκυττάρου

Abstract

Arrhythmogenic cardiomyopathy (ACM) is an electrical and structural disease of the right and/ or left ventricular myocardium characterized by ventricular arrhythmias, heart failure and sudden death. Desmin is a muscle-specific intermediate filament protein of the cytoskeleton, which in addition to structural support plays a key role in the transmission of electromechanical signals. Its structure, like all intermediate filament proteins, is tripartite and consists of a central α-helical rod domain, surrounded by the non-helical domains, head and tail. The incidence of desmin mutation in ACM patients is approximately 2%. For example, one of the mutations, S13F, which is located in desmin head domain, has been associated with desminopathy, restrictive cardiomyopathy and arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy. The structural role of the head domain seems to lie on the correct assembly of the finally formed intermediate filaments and consequently at the structural integrity and function of the cardiomyocyte itself. Therefore, the purpose of the present study is to investigate the role of desmin head domain in the pathophysiology of cardiomyocytes, through the characterization of a transgenic animal model that carries only the desmin with the S13F point mutation and it’ll be used as a model of ACM. Indeed, Des-/-TgS13F transgenic mice bear most of the features of arrhythmogenic cardiomyopathy with subsequent heart failure, such as cardiac dilation and extended fibrosis, apoptotic cardiomyocyte death, reduced fraction shortening and generally various structural abnormalities. Moreover, we observed that desmin p.S13F cleaved at head domain and aggregates in cytoplasm, such as has been observed in patients with the same mutation. Disruptions of the cytoskeletal network of desmin filaments, as well as that desmin loses its localization from z-discs and also the subsequent disorganization of main cellular structures (like sarcomeres, T-tubules & sarcoplasmic reticulum, intercalated discs), all these seem to contribute to the progression of desminS13F arrhythmogenic cardiomyopathy, affecting contractility, myocardium coherence and electromechanical signal transduction. At the same time, we indicated by GST pull-down assay that the head domain of desmin is necessary for the interaction with NDUFS2, a mitochondrial protein, and with saposinD, a lysosomal protein. Perhaps in this way desmin participates to proper protein sorting and to the assembly of the various protein complexes involved. The reduction of proteolytic cleavage and cytoplasmic aggregation of desmin due to S13F mutation or the possible affected phosphorylation pattern could be future therapeutic targets as long as we better understand the mechanisms of the development behind these deleterious effects.

Η αρρυθμιογενής μυοκαρδιοπάθεια (ACM) είναι μια ηλεκτρική και δομική νόσος του μυοκαρδίου της δεξιάς ή/και αριστερής κοιλίας που χαρακτηρίζεται από κοιλιακές αρρυθμίες, καρδιακή ανεπάρκεια και αιφνίδιο καρδιακό θάνατο. Η δεσμίνη είναι μια μυο-ειδική πρωτεΐνη των ενδιάμεσων ινιδίων του κυτταροσκελετού, η οποία πέραν της δομικής υποστήριξης παίζει καθοριστικό ρόλο στη μετάδοση ηλεκτρομηχανικών ερεθισμάτων. Η δομή της, όπως όλων των πρωτεϊνών ενδιάμεσων ινιδίων, είναι τριμερής. Διαθέτει, δηλαδή, μια κεντρική α-ελικοειδή ραβδοειδή περιοχή, περικλειόμενη από τις μη-ελικοειδείς περιοχές, κεφαλή και ουρά. Η συχνότητα εμφάνισης μετάλλαξης στη δεσμίνη σε ασθενείς με ACM είναι περίπου 2%. Μία εκ των μεταλλάξεων, η S13F, εντοπίζεται στην περιοχή κεφαλή της δεσμίνης και έχει συσχετισθεί με δεσμινοπάθεια, περιοριστική μυοκαρδιοπάθεια και αρρυθμιογενή μυοκαρδιοπάθεια δεξιάς κοιλίας. Ο δομικός ρόλος της κεφαλής, φαίνεται να έγκειται στη σωστή συναρμολόγηση και δημιουργία των τελικά σχηματιζόμενων ενδιάμεσων ινιδίων και κατ’ επέκταση της δομικής οργάνωσης και λειτουργίας του ίδιου του μυοκαρδιοκυττάρου. Σκοπός, λοιπόν, της παρούσας μελέτης είναι η διερεύνηση του ρόλου της περιοχής κεφαλή της δεσμίνης στην παθοφυσιολογία του μυοκαρδιοκυττάρου, μέσω του χαρακτηρισμού του διαγονιδιακού ζωικού προτύπου που φέρει μόνο τη δεσμίνη με τη σημειακή μετάλλαξη S13F στην περιοχή κεφαλή της δεσμίνης και αποτελεί μοντέλο της ACM. Πράγματι τα διαγονιδιακά ποντίκια Des-/-TgS13F φέρουν τα περισσότερα γνωρίσματα της αρρυθμιογενούς μυοκαρδιοπάθειας με επακόλουθη καρδιακή ανεπάρκεια, όπως διάταση και εκτεταμένη ίνωση, αποπτωτικό μυοκαρδιοκυτταρικό θάνατο, μειωμένο κλάσμα εξώθησης και καρδιακή δυσλειτουργία, καθώς και ποικίλες δομικές ανωμαλίες. Επίσης, παρατηρείται πρωτεολυτική διάσπαση της μεταλλαγμένης δεσμίνης S13F στην περιοχή κεφαλή και κυτταροπλασματική συσσώρευση της δεσμίνης, όπως έχει παρατηρηθεί και στους ασθενείς με την ίδια μετάλλαξη, αλλά και όχι μόνο. Οι διαταραχές του κυτταροσκελετικού δικτύου των ινιδίων δεσμίνης, καθώς και ότι η δεσμίνη χάνει τον εντοπισμό της από τους z-δίσκους, με την επακόλουθη αποδιοργάνωση βασικών δομών του μυοκαρδιοκυττάρου (σαρκομερή, T- tubules και σαρκοπλασματικό δίκτυο, εμβόλιμοι δίσκοι) φαίνεται πως συμβάλουν στην εξέλιξη της desminS13F αρρυθμιογενούς μυοκαρδιοπάθειας, επηρεάζοντας τη συσταλτικότητα, τη συνοχή και τη μεταγωγή μηχανικών και ηλεκτρικών σημάτων. Επιπλέον, παρατηρούνται εκτεταμένες διαταραχές στα μιτοχόνδρια και δομικές μεταβολές στην πυρηνική μεμβράνη των μυοκαρδιοκυττάρων. Παράλληλα, με τη μέθοδο GST pull-down υποδεικνύεται ότι η περιοχή κεφαλή της δεσμίνης είναι απαραίτητη για την αλληλεπίδραση με πρωτεΐνες των μιτοχονδρίων και των λυσοσωμάτων, τις NDUFS2 και saposinD αντίστοιχα και πιθανόν με αυτό τον τρόπο επιδρά στο επίπεδο της σωστής μεταφοράς των πρωτεϊνών και στη συγκρότηση των διαφόρων εμπλεκόμενων πρωτεϊνικών συμπλόκων. Ο περιορισμός της πρωτεολυτικής διάσπασης και της κυτταροπλασματικής συσσώρευσης της δεσμίνης λόγω της μετάλλαξης S13F ή του προτύπου φωσφορυλίωσης που μπορεί να επηρεάζεται, θα μπορούσαν να αποτελέσουν μελλοντικούς θεραπευτικούς στόχους, εφόσον μελετηθεί περαιτέρω ο μηχανισμός ανάπτυξης των επιβλαβών φαινομένων.