Химически компонент на капилярна намотка от неръждаема стомана 310, Ролята на дистрофин гликопротеиновите комплекси в механотрансдукцията на мускулните клетки

Благодарим ви, че посетихте Nature.com.Използвате версия на браузър с ограничена поддръжка на CSS.За най-добро изживяване ви препоръчваме да използвате актуализиран браузър (или да деактивирате режима на съвместимост в Internet Explorer).Освен това, за да осигурим постоянна поддръжка, показваме сайта без стилове и JavaScript.
Плъзгачи, показващи три статии на слайд.Използвайте бутоните за връщане назад и напред, за да се движите през слайдовете, или бутоните за управление на плъзгачите в края, за да се движите през всеки слайд.

310 Доставчици на капилярни серпентини от неръждаема стомана

Дистрофинът е основният протеин на дистрофин-гликопротеиновия комплекс (DGC) в скелетните мускули и кардиомиоцитите.Дистрофинът свързва актиновия цитоскелет с извънклетъчния матрикс (ECM).Разкъсването на връзката между извънклетъчния матрикс и вътреклетъчния цитоскелет може да има опустошителни последици за хомеостазата на клетките на скелетните мускули, което води до редица мускулни дистрофии.В допълнение, загубата на функционални DGCs води до прогресивна дилатативна кардиомиопатия и преждевременна смърт.Дистрофинът действа като молекулярна пружина и DHA играе ключова роля в поддържането на целостта на сарколемата.Освен това се натрупват доказателства, свързващи DGC с механичното сигнализиране, въпреки че тази роля остава слабо разбрана.Тази обзорна статия има за цел да предостави модерен поглед върху DGC и тяхната роля в механотрансдукцията.Първо обсъждаме сложната връзка между механиката и функцията на мускулните клетки и след това правим преглед на последните изследвания за ролята на дистрофиновия гликопротеинов комплекс в механотрансдукцията и поддържането на биомеханичната цялост на мускулните клетки.И накрая, ние преглеждаме текущата литература, за да разберем как сигнализирането на DGC се пресича с пътищата на механосигнализация, за да подчертаем потенциални точки за бъдеща интервенция, със специален фокус върху кардиомиопатията.
Клетките са в постоянна комуникация с тяхната микросреда и е необходим двупосочен диалог между тях за интерпретирането и интегрирането на биомеханичната информация.Биомеханиката контролира ключови последващи събития (напр. цитоскелетни пренареждания) чрез контролиране на цялостния клетъчен фенотип в пространството и времето.В центъра на този процес в кардиомиоцитите е ребрената област, областта, където сарколемата се свързва със саркомер, съставен от комплекси интегрин-талин-винкулин и дистрофин-гликопротеин (DGC).Прикрепени към вътреклетъчния цитоскелет, тези дискретни фокални адхезии (FAs) разпространяват каскада от биомеханични и биохимични клетъчни промени, които контролират диференциацията, пролиферацията, органогенезата, миграцията, прогресията на заболяването и др.Превръщането на биомеханичните сили в биохимични и/или (епи)генетични промени е известно като механотрансдукция1.
Отдавна е известно, че интегриновият трансмембранен рецептор 2 закотвя извънклетъчния матрикс в клетките и медиира вътрешното и външното сигнализиране.Паралелно с интегрините, DGCs свързват ECM с цитоскелета, установявайки критична връзка между външната и вътрешната част на клетката3.Дистрофинът с пълна дължина (Dp427) се експресира предимно в сърдечния и скелетния мускул, но се наблюдава и в тъканите на централната нервна система, включително ретината и тъканта на Purkinje4.Смята се, че мутациите в интегрините и DGC са причините за мускулна дистрофия и прогресивна дилатативна кардиомиопатия (DCM) (Таблица 1)5,6.По-специално, DMD мутациите, кодиращи DGCs на централния дистрофинов протеин, причиняват мускулна дистрофия на Дюшен (DMD)7.DGC се състои от няколко подкомплекса, включително α- и β-дистрогликан (α/β-DG), саркогликан-саркоспан, синтрофин и дистрофин8.
Дистрофинът е цитоскелетен протеин, кодиран от DMD (Xp21.1-Xp22), който играе централна роля в поддържането на DGC.DGC поддържа целостта на сарколемата, плазмената мембрана на набраздената мускулна тъкан.Дистрофинът допълнително намалява увреждането, причинено от свиването, като действа като молекулярна пружина и молекулярно скеле9,10.Дистрофинът с пълна дължина има молекулно тегло от 427 kDa, но поради многото вътрешни промотори в DMD, има няколко естествено срещащи се съкратени изоформи, включително Dp7111.
Показано е, че спомагателните протеини са локализирани към дистрофин, включително истински механотрансдуктори като невронна синтаза на азотен оксид (nNOS), свързан с Yes протеин (YAP) и кавеолин-3, като по този начин представляват важни компоненти на клетъчното сигнализиране.Съединения 12, 13, 14. В допълнение към адхезията, клетъчен механизъм, свързан с взаимодействията между клетките и матрицата, образуван от интегрини и техните цели надолу по веригата, тези два комплекса представляват интерфейса между „вътрешността“ и „външността“ на клетката .Защитата на тези фокални сраствания от необичайно разрушаване е от решаващо значение за поведението и оцеляването на клетките.В допълнение, данните подкрепят, че дистрофинът е модулатор на механочувствителни йонни канали, включително канали, активирани с разтягане, особено L-тип Ca2+ канали и TRPC 15 канали.
Въпреки че дистрофинът е важен за хомеостатичната функция на набраздените мускулни клетки, точните поддържащи механизми са по-малко ясни, особено ролята на дистрофина и способността му да действа като механосензор и механичен протектор.Поради загубата на дистрофин са възникнали няколко въпроса без отговор, включително: дали механочувствителните протеини като YAP и AMPK са неправилно локализирани в сарколемата;Има ли преслушване с интегрини, обстоятелства, които могат да доведат до анормална механотрансдукция?Всички тези характеристики могат да допринесат за тежкия DCM фенотип, наблюдаван при пациенти с DMD.
В допълнение, връзката на промените в клетъчната биомеханика с цялостния DMD фенотип има важни клинични последици.DMD е Х-свързана мускулна дистрофия, засягаща 1:3500–5000 мъже, характеризираща се с ранна загуба на подвижност (<5 години) и прогресираща DCM със значително по-лоша прогноза от DCM с друга етиология16,17,18.
Биомеханиката на загубата на дистрофин не е напълно описана и тук преглеждаме доказателствата, подкрепящи идеята, че дистрофинът наистина играе механопротективна роля, т.е. поддържа целостта на сарколемата и е критичен за механотрансдукцията.В допълнение, ние прегледахме доказателствата, предполагащи важно пресичане с интегрини, специфично свързващи ламинин α7β1D в набраздени мускулни клетки.
Инсерциите и делециите са отговорни за голям брой мутации в DMD, като 72% от мутациите са причинени от такива мутации19.Клинично DMD се проявява в ранна детска възраст (≤5 години) с хипотония, положителен симптом на Gower, забавена прогресия на свързаните с възрастта промени, умствена изостаналост и атрофия на скелетната мускулатура.Респираторният дистрес исторически е бил водещата причина за смърт при пациенти с ДМД, но подобрените поддържащи грижи (кортикостероиди, непрекъснато положително налягане на дихателните пътища) са увеличили продължителността на живота при тези пациенти, а средната възраст на пациентите с ДМД, родени след 1990 г., е 28,1 години 20,21 ..Въпреки това, тъй като преживяемостта на пациентите се увеличава, прогнозата на прогресиращ DCM е значително по-лоша в сравнение с други кардиомиопатии16, което води до краен стадий на сърдечна недостатъчност, която в момента е водещата причина за смърт, представляваща приблизително 50% от смъртните случаи на DMD17,18.
Прогресивната DCM се характеризира с увеличена левокамерна дилатация и комплайанс, камерно изтъняване, повишена фибромастна инфилтрация, намалена систолна функция и повишена честота на аритмии.Степента на DCM при пациенти с DMD е почти универсална в края на юношеството (90% до 18-годишна възраст), но присъства при приблизително 59% от пациентите до 10-годишна възраст8,22.Решаването на този проблем е критично, тъй като фракцията на изтласкване на лявата камера непрекъснато намалява със скорост от 1,6% на година23.
Сърдечните аритмии са чести при пациенти с ДМД, особено синусова тахикардия и камерна тахикардия, и са причина за внезапна сърдечна смърт22.Аритмиите са резултат от фибромастна инфилтрация, особено в суббазалната лява камера, което уврежда връщащата верига, както и дисфункция на обработката на [Ca2+]i и дисфункция на йонния канал24,25.Разпознаването на клиничното сърдечно представяне е от решаващо значение, тъй като ранните стратегии за лечение могат да забавят началото на тежка DCM.
Значението на лечението на сърдечната дисфункция и заболеваемостта на скелетните мускули е показано в интересно проучване, което използва миши модел на DMD, наречен mdx26, за да изследва ефектите от подобряване на скелетната мускулна тъкан, без да се обръща внимание на основните сърдечни проблеми, присъстващи при DMD.Тук авторите демонстрират парадоксално 5-кратно увеличение на сърдечната дисфункция след подобряване на скелетните мускули и мишките имат значително намаление на фракцията на изтласкване26.Подобрената функция на скелетните мускули позволява по-високата физическа активност да натовари повече миокарда, което го прави по-податлив на обща дисфункция.Това подчертава значението на лечението на пациенти с ДМД като цяло и предупреждава срещу терапията само на скелетните мускули.
DGC изпълняват няколко допълнителни функции, а именно осигуряват структурна стабилност на сарколемата, превръщат се в молекулярно скеле, което действа като сигнална връзка, регулира механочувствителните йонни канали, ядрото на косталната механотрансдукция и участва в предаването на страничната сила в областта на ребра (фиг. 1б)..Дистрофинът играе централна роля в тази способност и поради наличието на много вътрешни промотори, има няколко различни изоформи, всяка от които играе различна роля в различни тъкани.Диференциалната тъканна експресия на различни изоформи на дистрофин подкрепя идеята, че всяка изоформа играе различна роля.Например, сърдечната тъкан експресира пълната дължина (Dp427m), както и по-късата Dp71m изоформа на дистрофина, докато скелетната тъкан експресира само първата от двете.Наблюдението на ролята на всеки подтип може да разкрие не само неговата физиологична функция, но и патогенезата на мускулната дистрофия.
Схематично представяне на дистрофина с пълна дължина (Dp427m) и по-малката, пресечена Dp71 изоформа.Дистрофинът има 24 спектринови повторения, разделени от четири бримки, както и актин-свързващ домен (ABD), богат на цистеин (CR) домен и С-край (CT).Идентифицирани са ключови свързващи партньори, включително микротубули (МТ) и сарколема.Има много изоформи на Dp71, Dp71m се отнася до мускулната тъкан и Dp71b се отнася до изоформата на нервната тъкан.По-специално, Dp71f се отнася до цитоплазмената изоформа на невроните.b Дистрофин-гликопротеиновият комплекс (DHA) се намира в сарколемата като цяло.Биомеханичните сили превключват между ECM и F-актин.Обърнете внимание на потенциалното пресичане между DGCs и адхезията на интегрин, Dp71 може да играе роля във фокалните адхезии.Създаден с Biorender.com.
ДМД е най-често срещаната мускулна дистрофия и се причинява от мутации в ДМД.Въпреки това, за да оценим напълно сегашното ни разбиране за ролята на анти-дистрофина, е важно да го поставим в контекста на DGC като цяло.По този начин другите съставни протеини ще бъдат описани накратко.Протеиновият състав на DGC започва да се изучава в края на 80-те години, като се обръща особено внимание на дистрофина.Koenig27,28, Hoffman29 и Ervasti30 направиха важно откритие чрез идентифициране на дистрофин, протеин от 427 kDa в набраздения мускул31.
Впоследствие беше показано, че други подкомплекси са свързани с дистрофин, включително саркогликан, транссин, дистрофинов субкомплекс, дисбревин и синтрофини8, които заедно съставляват настоящия модел на DGC.Този раздел първо ще разпространи доказателствата за ролята на DGC в механосензорното възприятие, докато разглежда отделните компоненти в детайли.
Изоформата на дистрофин с пълна дължина, присъстваща в набраздената мускулна тъкан, е Dp427m (напр. „m“ за мускул, за да се разграничи от мозъка) и е голям пръчковиден протеин с четири функционални домена, разположени под кардиомиоцитната сарколема, особено в крайбрежната област 29, 32. Dp427m, кодиран от DMD гена на Xp21.1, се състои от 79 екзона, генерирани при 2,2 мегабази и по този начин е най-големият ген в нашия геном8.
Няколко вътрешни промотора в DMD произвеждат множество съкратени изоформи на дистрофин, някои от които са тъканно специфични.В сравнение с Dp427m, Dp71m е значително съкратен и му липсва домен за повторение на спектрин или N-терминален ABD домейн.Въпреки това, Dp71m запазва С-терминалната свързваща структура.В кардиомиоцитите ролята на Dp71m е неясна, но е доказано, че се локализира в Т тубули, което предполага, че може да помогне за регулиране на свързването на възбуждане-контракция 33,34,35.Доколкото ни е известно, скорошното откритие на Dp71m в сърдечната тъкан е получило малко внимание, но някои проучвания предполагат, че то е свързано с йонни канали, активирани от разтягане, и Масубучи предполага, че може да играе роля в регулирането на nNOS33., 36. По този начин, Dp71 получи значително внимание в неврофизиологията и изследването на тромбоцитите, области, които могат да дадат представа за ролята на кардиомиоцитите 37,38,39.
В нервната тъкан изоформата Dp71b се експресира предимно, като се съобщава за 14 изоформи38.Изтриването на Dp71b, важен регулатор на аквапорин 4 и Kir4.1 калиеви канали в централната нервна система, е доказано, че променя пропускливостта на кръвно-мозъчната бариера40.Като се има предвид ролята на Dp71b в регулирането на йонните канали, Dp71m може да играе подобна роля в кардиомиоцитите.
Наличието на DGC в крайбрежните ганглии веднага показва роля в механотрансдукцията и наистина е доказано, че се локализира съвместно с интегрин-талин-винкулин комплекси 41 .Освен това, като се има предвид, че крайбрежният сегмент е фокус за напречна механотрансдукция, локализирането на Dp427m тук подчертава неговата роля в защитата на клетките от увреждане, причинено от свиване.Освен това, Dp427m взаимодейства с актин и цитоскелета на микротубулите, като по този начин завършва връзката между вътреклетъчната среда и извънклетъчната матрица.
Актин-свързващият домен 1 (ABD1), съдържащ N-края, се състои от два хомологични домена на калмодулин (CH), които са необходими за взаимодействие с F-актин и закрепване на у-актиновата изоформа към сарколемата 42, 43.Дистрофинът може да допринесе за цялостната вискоеластичност на кардиомиоцитите чрез прикрепване към субсарколемалния цитоскелет и неговата локализация в крайбрежните ганглии подкрепя участието му в механотрансдукцията, както и в механозащитата 44, 45.
Централният сърцевинен домен се състои от 24 подобни на спектрин повтарящи се протеини, всеки от които е с дължина приблизително 100 аминокиселинни остатъка.Спектриновите повторения са осеяни с четири шарнирни домена, което придава на протеина гъвкавост и висока степен на разтегливост.Повторенията на дистрофин спектрин могат да се разгръщат във физиологичен диапазон от сили (15-30 pN), простиращи се от 21 nm до 84 nm, сили, постижими за свиване на миозина 46 .Тези характеристики на домена на повтарящия се спектрин позволяват на дистрофина да действа като молекулярен амортисьор.
Централният прът на Dp427m осигурява локализирането му в сарколемата, по-специално чрез хидрофобни и електростатични взаимодействия с фосфатидилсерин 47,48.Интересното е, че централното ядро ​​на дистрофина взаимодейства по различен начин с фосфолипидите на сарколема в скелетните и сърдечните тъкани, вероятно отразявайки различни пролетни модели.критичен, докато скелетните мускули също са свързани с R10-R1249.
Свързването към γ-актиновия цитоскелет изисква ABD2 спектринов повторен регион 11-17, който се състои от основни аминокиселинни остатъци и се различава от F-актин-свързващия CH домен.Микротубулите взаимодействат директно с основния домен на дистрофина, това взаимодействие изисква остатъци от повторения на спектрин 4-15 и 20-23, а присъствието на анкирин В е необходимо, за да се предотврати образуването на микротубули на това място.Липсват тръби 50,51,52.Доказано е, че разликата между микротубулите и дистрофина изостря патологията на DMD чрез увеличаване на реактивните кислородни видове (X-ROS).
CR домейнът чрез анкирин В е друга котва за сарколемални фосфолипиди52.Ankyrin-B и ankyrin-G са необходими за локализиране на дистрофин/DGC в ребрата и тяхното отсъствие води до дифузен сарколемален модел на DGC52.
CR домейнът съдържа WW свързващ домейн, който взаимодейства директно с PPxY свързващия мотив на β-DG.Като се прикрепя към комплекса дистрофин-гликан, дистрофинът завършва връзката между вътрешната и външната част на клетката54.Тази връзка е критична за набраздения мускул, както се вижда от факта, че прекъсването на връзката между ECM и вътрешността на клетката води до ограничаваща живота мускулна дистрофия.
И накрая, CT домейнът е силно запазен регион, който образува навита спирала и е критичен за свързване с α-дистробревин и α1-, β1-синтрофини 55, 56.α-дистробревин се свързва с CT домейна на дистрофина и осигурява допълнителна резистентност към дистрофин в сарколемата57.
По време на ембрионалното и феталното развитие Utrophin се експресира широко в различни тъкани, включително ендотелни клетки, нервна тъкан и набраздена мускулна тъкан58.Утрофинът се експресира от UTRN, разположен на хромозома 6q и е автолог на дистрофин с 80% протеинова хомология.По време на развитието утрофинът е локализиран в сарколемата, но е значително потиснат в постнаталната набраздена мускулна тъкан, където е заменен от дистрофин.След раждането локализацията на утрофина е ограничена до сухожилията и невромускулните връзки на скелетните мускули 58, 59.
Партньорите за свързване на утрофин са до голяма степен подобни на тези на дистрофините, въпреки че са описани някои ключови разлики.Например, дистрофинът взаимодейства с β-DG чрез своя WW домейн, който е стабилизиран от ZZ домейна (наречен заради способността му да свързва два цинкови йона) в рамките на неговия CT регион, където остатъците от цистеинова киселина 3307-3354 са особено важни за това взаимодействие60 ., 61. Утрофинът също се свързва с β-DG чрез домейна WW/ZZ, но точните остатъци, поддържащи това взаимодействие, се различават от остатъците на дистрофин (3307–3345 в дистрофин и 3064–3102 в утрофин) 60,61.Важно е, че свързването на утрофин с β-DG е приблизително 2 пъти по-ниско в сравнение с дистрофин 61. Съобщава се, че дистрофинът се свързва с F-актин чрез повторения на спектрин 11-17, докато подобни места в утрофина не могат да се свържат с F-актин, дори при високи концентрации, но могат да взаимодействат чрез техните CH-домейни.Действие 62,63,64.И накрая, за разлика от дистрофина, утрофинът не може да се свърже с микротубулите51.
Биомеханично повторенията на утрофин спектрин имат различен модел на разгръщане в сравнение с дистрофин65.Утрофин-спектринът повтаря разгръщането при по-високи сили, подобно на титин, но не и на дистрофин65.Това е в съответствие с неговата локализация и роля в предаването на твърда еластична сила при връзките на сухожилията, но може да направи утрофина по-малко подходящ да действа като молекулярна пружина в буферните сили, предизвикани от свиване 65 .Взети заедно, тези данни предполагат, че възможностите за механотрансдукция и механобуфериране могат да бъдат променени в присъствието на свръхекспресия на утрофин, особено като се имат предвид различни партньори/механизми на свързване, но това изисква допълнително експериментално изследване.
От функционална гледна точка фактът, че се смята, че утрофинът има подобни ефекти на дистрофина, го прави потенциална цел за лечение на DMD66,67.Всъщност е доказано, че някои пациенти с ДМД свръхекспресират утрофин, вероятно като компенсаторен механизъм, и фенотипът е успешно възстановен в миши модел със свръхекспресия на утрофин 68 .Докато регулирането нагоре на утрофина е вероятна терапевтична стратегия, разглеждането на формалната и функционална разлика между утрофин и дистрофин и ползата от предизвикване на тази свръхекспресия с правилно локализиране по сарколемата прави дългосрочната стратегия на утрофина все още неясна.Трябва да се отбележи, че женските носители показват мозаичен модел на експресия на утрофин и съотношението между дистрофин и утрофин може да повлияе на степента на разширена кардиомиопатия при тези пациенти,69 въпреки че миши модели на носители са показали..
Дистрогликановият субкомплекс се състои от два протеина, α- и β-дистрогликан (α-, β-DG), и двата транскрибирани от DAG1 гена и след това пост-транслационно разцепени на два компонентни протеина 71 .α-DG е силно гликозилиран в извънклетъчния аспект на DGCs и взаимодейства директно с пролиновите остатъци в ламинин α2, както и с агрин72 и пикакулин73 и CT/CR областта на дистрофин73,74,75,76.О-свързано гликозилиране, особено на серинови остатъци, е необходимо за неговото взаимодействие с ECM.Пътят на гликозилиране включва много ензими, чиито мутации водят до мускулна дистрофия (виж също таблица 1).Те включват O-манозилтрансфераза POMT2, фукутин и протеин, свързан с фукутин (FKRP), две рибитол фосфотрансферази, които добавят тандемни рибитол фосфати към основния гликан, и протеина LARGE1, който добавя ксилоза и глюкоза.Линеен полизахарид на уронова киселина, известен също като матричен гликан в края на гликана77.FKRP също участва в развитието и поддържането на ЕСМ и мутациите в него водят до намалена експресия на ламинин α2 и α-DG77,78,79.В допълнение, FKRP може също да насочва образуването на базалната ламина и сърдечната извънклетъчна матрица чрез гликозилиран фибронектин 80.
β-DG съдържа PPxY свързващ мотив, който директно локализира и изолира YAP12.Това е интересно откритие, тъй като предполага, че DGC регулира клетъчния цикъл на кардиомиоцитите.α-DH в неонаталните кардиомиоцити взаимодейства с агрин, което насърчава сърдечната регенерация и лизиране на DGC76 поради клетъчно съзряване.Тъй като кардиомиоцитите узряват, експресията на агрин намалява в полза на ламинин, за който се смята, че допринася за спирането на клетъчния цикъл76.Morikawa12 показа, че двойното нокдаун на дистрофин и салвадор, отрицателен регулатор на YAP, води до хиперпролиферация на кардиомиоцити в търбуха, причиняващ инфаркт.Това доведе до вълнуващата идея, че манипулацията с YAP може да има клинична стойност за предотвратяване на загуба на тъкан след миокарден инфаркт.По този начин, предизвиканият от агрин DGC лизис може да представлява ос, която позволява активиране на YAP и е потенциален път за сърдечна регенерация.
Механично, α- и β-DG са необходими за поддържане на взаимодействието между сарколемата и базалния слой 81 .Както α-DG, така и α7 интегрините допринасят за генерирането на сила в крайбрежния ганглий, а загубата на α-DG причинява отделяне на сарколемата от базалната ламина, оставяйки скелетната мускулна тъкан уязвима на увреждане, предизвикано от свиване.Както беше описано по-горе, дистрогликановият комплекс регулира цялостния оборот на DGCs, където свързването към родствения лиганд ламинин води до фосфорилиране на тирозин на PPPY-свързващия мотив на β-DG892.Фосфорилирането на тирозин тук насърчава разглобяването на дистрофин, което обръща DGC комплекса.Физиологично, този процес е силно регулиран, което липсва при мускулна дистрофия82, въпреки че основните механизми, които контролират този процес, не са напълно разбрани.
Доказано е, че цикличното разтягане активира ERK1/2 и AMPK пътищата през дистрофиновия комплекс и свързания протеинов плектин83.Заедно, плектинът и дистрогликанът са необходими не само да действат като скеле, но и да участват в механотрансдукцията, а нокдаунът на плектина води до намаляване на активността на ERK1/2 и AMPK83.Плектинът също се свързва с цитоскелетния междинен филаментен десмин и е доказано, че свръхекспресията на десмин подобрява фенотипа на заболяването при mdx:desmin и mdx мишки, модел на мишка с двоен нокаут DMD84.Чрез взаимодействие с β-DG, плектин индиректно свързва DGC с този компонент на цитоскелета.В допълнение, дистрогликанът взаимодейства с рецептор-свързващ протеин 2 на растежен фактор (Grb2), за който е известно, че участва в цитоскелетните пренареждания85.Доказано е, че Ras активирането от интегрин се медиира чрез Grb2, което може да осигури потенциален път за пресичане между интегрини и DGC86.
Мутациите в гените, участващи в α-DH гликозилирането, водят до така наречената мускулна дистрофия.Дистрогликанопатиите показват клинична хетерогенност, но са причинени главно от прекъсване на взаимодействието между α-DG и ламинин α277.Дистрофигликанозите, причинени от първични мутации в DAG1, обикновено са изключително редки, вероятно защото са летални за ембриона87, като по този начин потвърждават необходимостта от клетъчна асоциация с ECM.Това означава, че повечето дистрофични гликанови заболявания са причинени от вторични протеинови мутации, свързани с гликозилирането.Например, мутациите в POMT1 причиняват изключително тежкия синдром на Walker-Warburg, който се характеризира с аненцефалия и значително съкратена продължителност на живота (по-малко от 3 години)88.Въпреки това, FKRP мутациите се проявяват предимно като мускулна дистрофия на пояса на крайниците (LGMD), която обикновено (но не винаги) е относително лека.Въпреки това е доказано, че мутациите в FKRP са рядка причина за WWS89.Много мутации са идентифицирани във FKRP, от които основната мутация (c.826>A) най-често причинява LGMD2I90.
LGMD2I е сравнително лека мускулна дистрофия, чиято патогенеза се основава на разрушаване на връзката между извънклетъчния матрикс и вътреклетъчния цитоскелет.По-малко ясна е връзката между генотипа и фенотипа при пациенти с мутации в тези гени и наистина тази концепция е приложима за други DSC протеини.Защо някои пациенти с FKRP мутации показват фенотип на заболяването, съответстващ на WWS, докато други имат LGMD2I?Отговорът на този въпрос може да се крие в i) кой етап от пътя на гликозилиране е засегнат от мутацията, или ii) степента на хипогликозилиране на всеки даден етап.Хипогликозилирането на α-DG все още може да позволи известна степен на взаимодействие с ЕСМ, което води до по-мек общ фенотип, докато дисоциацията от базалната мембрана увеличава тежестта на фенотипа на заболяването.Пациентите с LGMD2I също развиват DCM, въпреки че това е по-малко документирано от DMD, мотивирайки спешността от разбиране на тези мутации в контекста на кардиомиоцитите.
Подкомплексът саркоспан-саркогликан насърчава образуването на DHA и взаимодейства директно с β-DH.В сърдечната тъкан има четири еднопосочни саркогликана: α, β, γ и δ91.Наскоро беше описано, че c.218C>T missense мутация в екзон 3 на гена SGCA и частична хетерозиготна делеция в екзони 7-8 причиняват LGMD2D92.В този случай обаче авторите не са оценили сърдечния фенотип.
Други групи са открили, че SGCD в свински93 и миши94 модели води до намалена протеинова експресия в саркогликановия субкомплекс, нарушавайки цялостната структура на DGCs и водещо до DCM.Освен това се съобщава, че 19% от всички пациенти с мутации на SGCA, SGCB или SGCG имат дилатативна кардиомиопатия, а 25% от всички пациенти също се нуждаят от респираторна поддръжка95.
Рецесивните мутации в саркогликан (SG) δ водят до намаляване или пълно отсъствие на саркогликанови комплекси и следователно DGC в сърдечната тъкан и са отговорни за LGMD и свързания с него DCM96.Интересно е, че доминантно-отрицателните мутации в SG-δ са специфични за сърдечно-съдовата система и са причина за фамилна дилатативна кардиомиопатия97.Доказано е, че SG-δ R97Q и R71T доминантно-отрицателни мутации са стабилно експресирани в кардиомиоцити на плъхове без значително увреждане на общия DGC98.Въпреки това, сърдечните клетки, носещи тези мутации, са по-податливи на увреждане на сарколема, пропускливост и механична дисфункция при механичен стрес, в съответствие с DCM98 фенотипа.
Sarcospan (SSPN) е 25 kDa тетраспанин, локализиран в субкомплекса на саркогликаните и се смята, че служи като протеиново скеле99,100.Като протеиново скеле, SSPN стабилизира локализацията и гликозилирането на α-DG99,101.Установено е, че свръхекспресията на SSPN в миши модели повишава свързването между мускула и ламинина 102 .Освен това е показано, че SSPN взаимодейства с интегрини, което предполага степента на кръстосано взаимодействие между двете ребрени комисури, DGC и интегрин-талин-винкулинова гликопротеинова структура100,101,102.Нокдаунът на SSPN също води до увеличаване на α7β1 в скелетния мускул на мишката.
Скорошно проучване показа, че свръхекспресията на саркоспан повишава узряването и гликозилирането на α-DG в сърдечната тъкан независимо от нокдауна на галактозиламинотрансфераза 2 (Galgt2) в mdx миши модел на DMD, като по този начин облекчава болестния фенотип 101. Повишеното гликозилиране на дистрогликановия комплекс може да подобри взаимодействието с ECM, като по този начин най-много смекчава заболяването.Освен това, те са показали, че свръхекспресията на саркоспан намалява взаимодействието на β1D интегрин с DGCs, подчертавайки възможна роля на саркоспан в регулирането на интегринови комплекси101.
Синтрофините са семейство малки (58 kDa) протеини, които се локализират в DGCs, сами по себе си нямат присъща ензимна активност и служат като молекулярни адаптери 103,104.Идентифицирани са пет изоформи (α-1, β-1, β-2, γ-1 и γ-2), показващи тъканно-специфична експресия, като α-1 изоформата се експресира предимно в набраздена мускулна тъкан 105 .Синтрофините са важни адапторни протеини, които улесняват комуникацията между дистрофин и сигнални молекули, включително невронна синтаза на азотен оксид (nNOS) в скелетните мускули106.α-синтрофинът взаимодейства директно с повтарящия се домен на дистрофин 16-17 спектрин, който от своя страна се свързва с nNOS106,107 PDZ-свързващия мотив.
Синтрофините също взаимодействат с дистробревин чрез PH2 и SU свързващите домени и те също взаимодействат с актиновия цитоскелет 108.Наистина, изглежда, че синтрофините играят особено важна роля в регулирането на динамиката на цитоскелета, а α и β изоформите са способни да взаимодействат директно с F-актин 108 и по този начин вероятно играят роля в регулирането на тенсегритите и биомеханиката на клетъчната ефект.Освен това е доказано, че синтрофините регулират цитоскелета чрез Rac1109.
Модулирането на нивата на синтрофин може да възстанови функцията и скорошно проучване, използващо мини-дистрофин, показа, че конструкцията ΔR4-R23/ΔCT е в състояние да възстанови α-синтрофин, както и други DGC протеини до нива, сравними с WT mdx кардиомиоцити.
В допълнение към тяхната роля в регулирането на цитоскелета, синтрофините също са добре документирани в регулирането на йонните канали 111,112,113.PDZ-свързващият мотив на синтрофините регулира зависимия от сърдечния волтаж Nav1.5111 канал, който играе ключова роля в установяването на сърдечна възбудимост и проводимост.Интересното е, че в модела на мишка mdx беше установено, че Nav1.5 каналите са регулирани надолу и при животните бяха открити сърдечни аритмии 111 .В допълнение, доказано е, че семейство от механочувствителни йонни канали, преходният рецепторен потенциален канал (TRPC), се регулира от α1-синтрофин в сърдечна тъкан 113 и е доказано, че инхибирането на TRPC6 подобрява аритмиите в модела на мишка DMD112.Съобщава се, че повишената активност на TRPC6 при DMD води до сърдечни аритмии, които се облекчават, когато се комбинират с PKG 112 .Механично, изчерпването на дистрофин насърчава индуциран от разтягане приток на [Ca2+]i, който действа нагоре по веригата на TRPC6, за да го активира, както е показано в кардиомиоцитите и съдовите гладкомускулни клетки112,114.Хиперактивирането на TRPC6 за разтягане го прави основен механосензор и потенциална терапевтична цел при DMD112,114.
Загубата на дистрофин води до лизиране или изразено потискане на целия DGC комплекс, с последваща загуба на много механозащитни и механотрансдукционни функции, което води до катастрофалния фенотип, наблюдаван в набраздената мускулна тъкан при DMD.Следователно може да е разумно да се смята, че RSK работят съвместно и че отделните компоненти зависят от присъствието и функционирането на други компоненти.Това е особено вярно за дистрофина, който изглежда е необходим за сглобяването и локализирането на комплекса сарколема в кардиомиоцитите.Всеки компонент играе уникална роля като допринася за цялостното стабилизиране на сарколемата, локализирането на ключови спомагателни протеини, регулирането на йонните канали и генната експресия, а загубата на един протеин в DGC води до дисрегулация на целия миокард.
Както е показано по-горе, много DGC протеини участват в механотрансдукцията и сигнализирането, а дистрофинът е особено подходящ за тази роля.Ако DGC се намира в ребрата, това потвърждава мнението, че той участва в механотрансдукцията заедно с интегрините.По този начин, DGCs физически претърпяват анизотропен трансфер на сила и участват в механосензорно и цитоскелетно пренареждане на вътреклетъчната микросреда, в съответствие с модела на тенсегрити.В допълнение, Dp427m буферира входящите биомеханични сили чрез разширяване на повторенията на спектрин в своя централен ядрен домейн, като по този начин действа като механопротектор чрез поддържане на 25 pN развиваща сила в разширен диапазон от 800 nm.Чрез разделяне, дистрофинът е в състояние да „буферира“ силата на свиване-отпускане, произведена от кардиомиоцитите10.Като се има предвид разнообразието от протеини и фосфолипиди, които взаимодействат с домейните на повторение на спектрин, интересно е да се спекулира дали размотаването на повторението на спектрин променя кинетиката на свързване на механочувствителните протеини по начин, подобен на този на талин 116, 117, 118.Това обаче все още не е установено и е необходимо допълнително разследване.