Function of contractile and cytoskeletal proteins in smooth muscle: Effects of hypertrophy and age and desmin removal in a transgenic animal.

Abstract

In man, the urinary bladder responds to an urinary outflow obstruction with a pronounced dilatation and growth of the bladder wall. This clinical situation can be mimicked in rat by creation of a partial urinary outflow obstruction and the papers included in the present thesis use this animal model to address questions regarding the adaptive changes in the smooth muscle of the growing bladder.



In paper I, it was demonstrated that both the relaxing (P2Y) and contractile (P2X) purinergic responses were downregulated in the hypertrophying rat urinary bladder, suggesting that properties of the purinoceptors or steps in the excitation- contraction coupling are altered.



In paper II, the kinetics of the contractile machinery in the hypertrophying bladder muscle was examined. Hypertrophy was associated with slower rate of contraction and a slower shortening velocity, which was associated with a change towards more of the 'slow' essential myosin light chain isoform and less of the 'fast' inserted myosin heavy chain.



In paper III, it was shown that the contractile properties and cellular concentration of contractile proteins in the urinary bladder were unchanged in old compared to adult rats. These results show that previously reported alterations in the contractile performance of the urinary bladder of old animals do not originate in the contractile system.



In paper IV, a transgenic mouse strain lacking the intermediate filament protein desmin was used to examine to mechanical role of this cytoskeletal protein. Smooth muscles from these mice developed less force and were more compliant, suggesting that the intermediate filaments play a role in force transmission.



In paper V, the expression of a non-muscle myosin heavy chain was examined in hypertrophying smooth muscle from urinary bladder. The SMemb increased transiently in cells localised outside the smooth muscle bundles. These cells may have a role in the maintenance of the extracellular matrix, provide a source for differentiation into adult muscle cells or produce growth factors. SMemb expression could be a marker for adaptive growth in the non-muscle component of the smooth muscle wall.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

I människokroppen finns tre typer av muskulatur, skelettmuskel, hjärtmuskel och glatt muskulatur. Skelettmuskulatur kan styras med tanken, och vi kan använda den när vi t.ex. skall lyfta tekoppen på morgonen. Hjärtmuskel finns i hjärtat och slår oavbrutet så länge vi lever. Glatt muskulatur är ej viljestyrd och finns i de flesta inre organ, t.ex. blodkärlens väggar, luftstrupe, mag-tarm kanalen, livmoder och urinblåsa. Glatt muskulatur har fått namnet av att preparaten ser glatt ("smooth") ut i ljusmikroskop till skillnad från skelettmuskulatur som är tvärstrimmig. Muskulaturens huvudsakliga funktion är att utöva kraft och att förkorta sig. Den glatta muskulaturen kontrollerar blodtrycket, matens transport genom tarmarna, urinblåsans tömning och livmodern sammandragning vid barnets födelse. Olika sjukdomstillstånd kan påverka den glatta muskulaturen och på så sätt rubba den balans som vi är mycket beroende av för att må bra. Som exempel kan nämnas förändringar i kärlmuskulaturen vid högt blodtryck eller i urinblåsan vid prostata förstoring. För att förstå dessa sjukdomar och eventuellt utveckla behandlingar är det viktigt att glatt muskulatur studeras.



Kraft i muskler utvecklas genom att kalcium strömmar in i cellen genom kanaler i cell membranet eller frisätts från speciella lagringsutrymmen inne i cellen (sarcoplasmatiskt reticulum). Kalcium binder till calmodulin, och detta komplex aktiverar sedan ett speciellt enzym (myosin light chain kinase, MLCK) som fosforylerar det kontraktila proteinet myosin och gör detta aktivt. Det aktiverade myosinet kan sedan interagera med proteinet aktin och generera kraft. En muskel cell kan liknas vid en enzymatisk motor, d.v.s. den kan använda kemisk energi och utnyttja denna för att generera mekaniskt arbete.



En viktig egenskap hos glatt muskulatur är att den kan växa till, hypertropfiera. Tillväxt i glatt muskulatur kan ske vid flera 'normala' tillstånd, som till exempel i livmodern under graviditeten eller i alla kroppens organunder normal tillväxt och åldrande. Emellertid sker också tillväxt av glatt muskulatur vid olika sjukdomstillstånd, till exempel i urinblåsan då blåsans tömning hämmas (t.ex. p.g.a. prostataförstoring) eller i tarmväggen när transporten av tarminnehållet förhindras (t.ex. av en tumör). Man vet idag mycket lite om hur hypertrofierad glatt muskulatur arbetar, hur den regleras och hur tillväxten initieras. En ökad kunskap kan hjälpa till att förstå vissa sjukdomar där tillväxt av glatt muskulatur förekommer och eventuellt ge möjlighet till specifika behandlingar.. Syftet med de arbeten som sammanfattas i denna avhandling har varit att undersöka några egenskaper hos den tillväxande glatta muskulaturen



Den modell vi använder för att undersöka den glatta muskel cellens egenskaper är den tillväxande urinblåsan hos råtta. Tillväxten framkallas genom att man operativt skapar en lätt förträngning av urinröret, vilket leder till att urinblåsan ej kan tömmas normalt utan vidgas. Denna tillväxt liknar mycket det som kan ske hos människa vid prostataförstoring och djuren lider inte och påverkas inte av detta ingrepp. Efter tio dagar har urinblåsan ökat sin vikt cirka 6 gånger. Djuren opereras under narkos och avlivas efter tio dagar på ett skonsamt sätt enligt EU-kommisionens regler. Urinblåsan avlägsnas och tunna preparat av glatt muskulatur används för olika försök.



Den tillväxande blåsmodell som vi använder är intressant på grund av att liknande tillväxt kan ske vid benign prostatahyperplasi (BHP). BHP framkallar en förträngning av urinblåsans utflöde och sker hos de flesta äldre män. I samband med detta sker vissa blåsrubbningar, bl.a. långsammare och ofullständig tömning, spontan blåsaktivitet som inte kan kontrolleras samt dropp-inkontinens. Denna djurmodell har alltså direkt klinisk relevans, men ger även möjlighet att undersöka mer fundamentala processer i glatta muskelceller.



I delarbete I prövas en nervtransmittor (ATP), vilken tillsammans med acetylcholin utgör de huvudsakliga nervtransmittorerna som framkallar blåstömning. En av skillnaderna mellan de två transmittorerna är att ATP ger en snabb och acetylcholin ger en långsam och mer ihållande kontraktion. Vi visade att ATP har en markant mindre effekt på de tillväxande muskelcellerna. Detta beror troligtvis på att det kommer in mindre kalcium in i muskelcellen och därför kan inte samma kraft genereras som i normala celler och visar att tillväxten är förenad med förändrade receptor egenskaper i de glatta muskelcellerna.



I delarbete II prövas om myosin har en förändrad enzymaktivitet i tillväxande glatt muskulatur. För att undvika att andra delar av cellen skulle kunna påverka händelse förloppet, avlägsnade vi allt i cellen utom cellskelettet samt myosinet och aktinet. Dessa 'skinnade' muskelpreparat kan förkorta sig och generera kraft. Vi visade att den maximala förkortningshastigheten (Vmax) var lägre i de tillväxande preparaten jämfört med den normala blåsmuskeln. Vi visade att denna mekaniska förändring beror på att myosinet var förändrat. Det saknas en protein sekvens i det myosin som bildas i den tillväxande blåsmuskulaturen. Dessutom fanns det mer av en protein kedja som eventuellt kan förlångsamma tvärbrygge cykeln. Vilket av dessa två protein som styr Vmax är dock inte klarlagt. En viktig konsekvens av dessa förändringar, kan vara att muskeln kan generera kraft till en lägre energikostnad. Detta på grund av att den tillväxande urinblåsan arbetar mot ett större motstånd och tar längre tid på sig att tömma den samlade urinen. Detta är första gången det har visats att glatt muskulatur kan förändra sin funktion och uppbyggnad av myosin och på så sätt anpassa sig till nya förhållanden.



I arbete III undersöks om blåsmuskulaturen hos mycket gamla råttor är förändrad. Hos äldre människor är förändringar i urinblåsans funktion vanliga. Tidigare har forskare rapporterat förändringar i den glatta muskulaturens kontraktions egenskaper, mängden myosin är minskad och musklerna förkortas långsammare. I vår studie visades att i blåsmuskulaturen från gamla råttor fanns en normal mängd myosin och att dess förkortningshastighet var normal. Detta visar att de förändringar som sker i den glatta muskulaturen vid åldrande beror på förändringar utanför det kontraktila systemet, troligtvis förändringar i kalciumflödet eller kontraktionsaktiveringen.



I arbete IV använder vi en transgen mus, vilken saknar ett protein (desmin) som bygger upp cellskelettet. Det är inte känt vilken roll cytoskelettet har, och ej heller vilken roll desmin spelar i cellen. I vårt perspektiv är desmin intressant eftersom detta protein ökar markant i tillväxande glatt muskulatur. Det har tidigare föreslagits att desmin förstärker cellen mot belastningar och ser till att cellen behåller sin form. Vi visar för första gången att glatt muskulatur utan desmin inte kan generera kraft i samma utsträckning som normala glatta muskler. Detta beror inte på att vävnaden eller cellerna förstörda eller förändrade på något uppenbart sätt. Inte heller på att myosin eller aktin mängderna är förändrade i större omfattning. På grund av att desmin troligtvis sammankopplar de kraft genererande myosin- och aktin-filamenten, föreslår vi att desmin deltager i kraftförmedlingen i cellen.



I delarbete V visar vi att en speciell celltyp som producerar ett fetalt myosin, d.v.s. ett protein som bara finns innan födelsen, ökar när urinblåsan tillväxer. Detta myosin bildas i en celltyp som finns intill de glatta muskelbuntarna och skulle kunna vara ett tecken på att de glatta muskel cellerna behöver öka sin förankring i vävnaden när belastningen på cellerna och vävnaden ökar.



Sammanfattningsvis har studierna i arbetet försökt illustrera de förändringar som sker i den tillväxande glatta muskulaturen i urinblåsa. Vi har även undersökt urinblåsa från åldrade djur. Vi har funnit att flera processer i cellerna är förändrade vid tillväxt. Cellernas receptoregenskaper är förändrade vilket medför mindre och långsammare kontraktions-aktivering. De tillväxande cellerna uttrycker en 'långsam' myosin variant, vilket är förenat med en långsammare kontraktion och förkortning. Denna förändring medför en bättre tensionsekonomi, d.v.s. lägre energikostnad per genererad kraft. Cytoskelett proteinet desmin ökar i glatt muskulatur vid tillväxt och med hjälp av en transgen musmodell har vi studerat desmins funktion och funnit att detta protein har en roll i krafttransmissionen i muskelceller. Tillväxt av urinblåsa medför en aktivering av flera celltyper vilket kan ha betydelse för urinblåsans funktion. Studierna på urinblåsa från åldrade djur visar att det kontraktila systemets egenskaper är intakta vid åldrande och att de förändringar som sker i blåsans funktion troligtvis beror på förändringar i andra system i muskelcellen.

• author: Sjuve, Rolf
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof. Thornell, L.-E., Anatomiska Insitutionen, Umeå Universitet
• organization: Department of Experimental Medical Science
• publishing date: 1998
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Basic Medicine
• keywords: transgenic mouse, desmin, embryonic myosin, isoforms, myosin heavy chain, age, smooth muscle, hypertrophy, Physiology, Fysiologi
• pages: 140 pages
• defense location: Segerfalksalen, Wallenberg Neurocenter.
• defense date: 1998-02-13 09:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MEFN-17-SE
• ISBN: 91-628-2851-7
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 76f780bf-c301-497c-be2f-310c28ad4eb0 (old id 38334)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:39:54
• date last changed: 2018-11-21 21:00:05