Structure and function of the cytoskeleton in cardiac and skeletal muscle

Abstract

We have examined the functional and structural roles of the cytoskeletal protein desmin in cardiac and skeletal muscles using a genetically modified mouse (Des-/-) with the desmin gene ablated. Desmin forms filaments at the Z-disks in the striated muscle sarcomere, have connections to the sarcolemma and most likely align sarcomeres and whole cells. We have shown a decreased contractile function of heart (study I) and skeletal muscle (study II) from Des-/- mice, indicating an important functional role of desmin transmitting the generated muscle force between cells or aligning sarcomeres. The Des-/- soleus skeletal muscle has an increased fatigue resistance (study II), which we interprete to be caused by a remodulation of the myosin isoform composition towards increased amount of the slow isoform. The filament lattice, examined with X-ray diffraction, is wider in Des-/- soleus muscles, which indicates that desmin has a structural role in anchoring the contractile filaments actin and myosin (study III). We have examined the role of a human desmin mutation (L345P) found in cardiomyopathy. The mutated desmin gene was expressed in a mouse model to study cardiac and skeletal muscle function (IV). We observed moderate signs of striated muscle myopathy. Knowledge about the intermediate filament functions is important for future treatment of desmin related myopathies. We have used the desmin deficient mouse model to examine how ATP receptor functions can be altered during cardiomyopathy. We report that a P2Y11-like receptor is involved in mediating the ATP induced inotropic responses of the mouse heart and that this receptor function might be down-regulated in desmin deficient cardiomyopathy (V). Modulation of this receptor function could be of possible therapeutic importance.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

I denna avhandling undersöks vilka funktioner cytoskelettproteinet desmin har strukturellt och funktionellt i hjärta och skelettmuskel. Genom att studera funktionen i hjärt- och skelettmuskler i en transgen musmodell, Des-/- som helt saknar proteinet desmin (delarbete I-III), kan vi uppskatta hur viktigt desmin är för muskelkontraktionen. Vi har även studerat hur en mutation i desmingenen, som tidigare har identifierats hos patienter med hjärtsvikt, påverkar den kontraktila funktionen i hjärta och skelettmuskel när den överuttrycks i en transgen mus (delarbete IV). Vi har dessutom undersökt effekten av stabila ATP-analoger på slående hjärtceller från möss (delarbete V) och undersökt om receptorfunktionen är påverkad vid hjärtsvikt genom att använda den transgena musmodellen som utvärderats i delarbeten I-III.



Desmin är bland de första proteiner som uttrycks när muskler bildas och detta protein formar filament som ingår i cellskelettet. Dessa filament finns vid Z-diskarna i sarkomeren (i änden av muskelns mindre enhet), vilken består av filamenten aktin och myosin, och som ansvarar för muskelsammandragningen. Desminfilamenten sammanlänkar flera sarkomerer i samma muskelcell samt närliggande celler och tros också ha kopplingar till cellmembranet, mitokondrier (cellens energigeneratorer) och till cellkärnan. Vid hjärtsvikt är ofta mängden desmin ökad, vilket i en del fall beror på mutationer i desmingenen eller mutationer i protein som hjälper till att bilda desminfilamenten. Ett tjugotal mutationer i desmingenen har påvisats hos människa och dessa ger upphov till hjärtsvikt och generell muskelförsvagning. Vårt syfte var att undersöka hur desminfilamenten påverkar kontraktionen i hjärt- och skelettmuskel. Vi har isolerat hela hjärtan från Des-/- möss och mätt slagkraften in vitro med en s k Langendorff metod, där hjärtat syresätts via aorta och trycket mäts via en ballong i vänster kammare. Det uppmätta pulstrycket var ca 50 % lägre och påvisar en hjärtsvikt i frånvaro av desmin (delarbete I). Även skelettmusklerna blir svagare utan desmin, vilket vi har sett genom att stimulera isolerade preparationer av intakt soleus (vadmuskel) samt skinnade preparat, d v s kemiskt borttaget cellmembran, från hjärta, soleus och psoas (ryggmuskel) (delarbete I, II). Den lägre kraftgenereringen beror troligtvis på desmin-filamentens funktion att förankra sarkomerer och vara en länk mellan celler. Tidigare har en modulering av muskelsammansättningen rapporterats från Des-/- soleus muskler, vilket innebär att muskeln blir ännu mer långsam i sin fibertypsammansättning. Vi har kunnat konfirmera att den ökade mängden långsamma muskelfibrer ger en ökad resistans mot uttröttbarhet i soleusmuskel från Des-/- möss genom upprepad stimulering av isolerade soleusmuskler med minskade intervall mellan stimuleringarna (delarbete II).



Eftersom desminfilamenten förankrar strukturer i cellen undersökte vi vad som händer med cellstrukturen i frånvaron av dessa strukturer. Detta har vi kunnat studera med hjälp av röntgenstrålning genom att mäta hur aktin- och myosinfilamenten är arrangerade i cellerna (delarbete III). Ljusspridningen genom skelettmuskeln beror på hur filamenten är arrangerade och muskeln fungerar som ett gitter med ljusöppningar mellan filamenten. Vi observerade att dessa filament var fördelade med längre inbördes avstånd i sarkomererna när desmin är frånvarande, vilket visar att desmin håller samman filamentstrukturen i muskelcellen. Utan desmin trycks cellen lättare ihop om den utsätts för högt osmotisk tryck utifrån, vilket vi visade genom att tillsätta dextran i mediet till skinnade muskelfibrer. Detta tyder på att desminfilamenten är kopplade till cellmembranet och har strukturella funktioner som innebär att bibehålla cellens inre struktur. Denna funktion är dock inte avgörande för den lägre kraftgenereringen, eftersom muskeltyper med lägre mängd desmin, t ex psoas, också uppvisar lägre aktiv kraft, men opåverkad filamentorganisation.



Avsaknad av desmingenen har inte påvisats i humana patienter, men däremot ett antal mutationer i genen som leder till att desminfilamenten inte kan bildas normalt. Vi har även studerat hjärtfunktionen i en transgen musmodell för en funnen mutation hos människa, där en aminosyra i desminsekvensen är utbytt (L345P). Även denna musmodell uppvisar tecken på hjärtsvikt och allmän muskelsvaghet (delarbete IV). Information om desminfilamentens detaljerade funktion är till hjälp för framtida behandling av desminrelaterade myopatier, då målet är att uppnå normalt uttryck och funktion av desmin i muskler hos dessa patienter.



När hjärtat utsätts för syrebrist, t ex vid en infarkt, utsöndras bland annat nukleotider (ATP, UTP) som ger en ökad kraft på hjärtats kontraktion. Vi har studerat isolerade hjärtceller för att undersöka hur stabila ATP-analoger påverkar hjärtkontraktionen, vilka receptorer som medierar effekten samt vilken signalväg som används i cellen (delarbete V). Vi har med hjälp av stabila ATP-analoger kunnat klargöra vilka receptorer som är inblandade vid ATP-stimulering och har även undersökt hur funktionen av dessa receptorer kan vara påverkade vid hjärtsvikt. Vi stimulerade hjärtceller från de transgena Des-/- mössen, som en modell för hjärtsvikt, och fann en minskad receptorkänslighet. Detta kan bero på en nedreglering av antalet receptorer och indikerar att en modulering av dessa receptorer kan vara ett terapeutiskt verktyg vid lindring av hjärtsvikt.

• author: Balogh, Johanna
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Bergström, Göran, Göteborgs universitet
• organization: Department of Experimental Medical Science
• publishing date: 2004
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Basic Medicine
• keywords: ATP-receptor, Cardiovascular system, Kardiovaskulära systemet, cardiomyopathy, transgenic mice, skeletal muscle, heart, muscle contraction, cytoskeleton, desmin
• pages: 126 pages
• defense location: GK salen, BMC, kl 9.15
• defense date: 2004-12-10 09:15:00
• ISBN: 91-628-6314-2
• language: English
• LU publication?: yes
• id: c193e9ea-9682-44ef-aabc-bcf81f40da2f (old id 467597)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:23:00
• date last changed: 2020-12-04 11:10:50