Variability and adaptation in the contractile system of smooth muscle

Abstract

This thesis examines the cellular and molecular mechanisms involved in the large diversity of the contractile properties in smooth muscle. Six studies, I-VI, are included. I: a slow smooth muscle (aorta) has a different nucleotide and phosphate dependence compared to a fast type (taenia coli). A slow ADP-release can be one mechanism responsible for the lower shortening velocity of aorta. II: treatment with thyroid hormone in vivo leads to a change in the myosin isoform composition, higher shortening velocity and altered sensitivity to phosphate in smooth muscle. III: hypertrophying intestinal smooth muscle has lower shortening velocity, higher sensitivity to ADP and altered myosin isoform composition compared to normal tissue. IV: calcium transients were similar for smooth muscle tissues with non-muscle and smooth muscle myosin. In fully activated, permeabilised preparations, the sensitivity to ADP was higher for non-muscle compared to smooth muscle myosin, suggesting that a slower ADP-release might be an explanation for the low velocity of non-muscle myosins. The isometric force of non-muscle myosin was much less inhibited by phosphate. V: expression of the intermediate filament protein desmin increased with decreasing size in the arterial tree, down to microarteries. Desmin has a role in active and passive tension development in the microarteries, but not in the aorta or the mesenteric artery. VI: a novel in vitro knock-out technique to remove beta1-integrin in smooth muscle tissue was introduced. Beta1-integrin depletion leads to decreased active force, suggesting a role for beta1-integrin in force generation, or in the maintenance of a contractile phenotype.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Det finns tre muskeltyper i människokroppen; skelettmuskler, hjärtmuskler och glatta muskler. Skelettmusklerna är de muskler som gör att vi kan röra oss och andas (mellangärdesmuskeln är en skelettmuskel). Hjärtmuskelcellerna är de som gör att hjärtat slår. Den glatta muskulaturen finns på många ställen i kroppen (t.ex. i blodkärl, luftvägar och livmoder) och utför många viktiga uppgifter, såsom att hålla uppe blodtrycket, tömma urinblåsan och föda barn. De olika typerna av muskler har de gemensamma uppgifterna att utveckla kraft och att förkorta sig (=kontrahera). Till detta använder de två proteiner, aktin och myosin, som är organiserade i proteinsträngar (=filament). I skelett- och hjärtmuskler är aktin och myosin inordnade i ett regelbundet system, och bildar enheter, sarkomerer. Regelbundenheten hos dessa sarkomerer gör att dessa muskler ser tvärstrimmiga ut i mikroskop. I den glatta muskulaturen är myosin och aktin inte lika regelbundet ordnade och denna muskulatur har fått sitt namn av att den ser glatt ("smooth") ut i mikroskop.



När en glatt muskel aktiveras strömmar kalcium in i cellen. Kalcium binder till ett protein, calmodulin, och detta komplex aktiverar ett annat protein (myosin light chain kinase) som kopplar en fosfatgrupp till (fosforylerar) myosinet. Myosinet, som är muskelns "motor", blir aktiverat genom denna fosforylering och kan då binda till aktin. Kraftutveckling och förkortning av muskeln sker genom att myosinfilamenten "klättrar" utmed aktinfilamenten och dessa förskjuts i förhållande till varandra. Samarbetet mellan myosin och aktin kallas tvärbryggecykeln, och innebär en omvandling av kemisk energi (i form av adenosine trifosfat, ATP) till mekaniskt arbete. Egenskaperna hos olika typer av myosin tros påverka tvärbryggecykeln och bestämma med vilken kraft och hur snabbt en muskel kan kontrahera. Muskeln slappnar av när fosforyleringen av myosinet klyvs bort av ett sk. fosfatas (myosin light chain phosphatase).



Egenskaperna hos olika typer av den glatta muskulaturen skiljer sig mer åt än de gör hos olika typer av skelett- eller hjärtmuskulatur. Olikheterna består t.ex. i att olika glatta muskler kan dra ihop sig med varierende hastighet, och att det finns skillnader i förmåga att hålla uppe kraft utan att göra av med mycket energi. Dessa skilda egenskaper beror sannolikt på att den glatta muskulaturen har så många olika uppgifter i kroppen, och att dessa uppgifter kräver olika egenskaper. Den glatta muskulaturen är också inblandad i många av människans vanligaste sjukdomar, såsom astma och högt blodtryck. I dessa sjukdomstillstånd har den glatta muskulaturen ofta förändrat sina egenskaper och ibland har vävnaden tillvuxit. Den här avhandlingen handlar om vad som gör glatta muskler olika och hur den glatta muskeln förändras vid sjukliga tillstånd.



I delarbete I jämfördes en "långsam" glatt muskel (aorta- stora kroppspulsådern) och en snabb glatt muskel (taenia coli- en tjocktarmsmuskel) med målet att undersöka om tvärbryggecykelns egenskaper skiljer sig mellan dessa muskler, för att se om detta i så fall kan förklara att de har olika hastighet. Genom att tillsätta olika koncentrationer av substrat och produkter kunde vi dra slutsatser kring olika steg i tvärbryggecykeln, och jämföra dessa mellan den snabba och den långsamma muskeln. Kraften med vilken muskeln drog ihop sig hämmades av att vi tillsatte fosfat, och denna hämning var mindre uttalad hos aorta jämfört med taenia coli. Genom att sänka halten av ATP eller höja halten av dess nedbrytningprodukt ADP, kunde vi göra att muskeln drog ihop sig långsammare. Aorta var mycket känsligare för att man tillsatte ADP och vi kunde dra slutsatsen att det steg i tvärbryggecykeln då ADP lossnar ifrån myosin går mycket långsammare i denna glatta muskel. Detta kan vara en förklaring till att aorta är långsammare än taenia coli.



I delarbete II behandlades försöksdjur med sköldkörtelhormon och vi undersökte hur detta påverkade egenskaperna hos deras glatta muskler. Den glatta muskulaturen blev snabbare vid höga nivåer av sköldkörtelhormon och vi fann också att detta hängde samman med att dessa muskler innehöll en annan typ av myosin. Kraften hos denna muskulatur hämmades mer av en produkt i tvärbryggecykeln (oorganiskt fosfat) än den hos muskulatur ifrån kontrolldjur, vilket antyder att steg i tvärbryggecykeln som är inblandade i kraftgenerering också är inblandade i förändringen som sker till följd av höga sköldkörtelhormonnivåer.



I delarbete III undersökte vi egenskaperna hos tillväxande glatt muskulatur. Tillväxt av den glatta muskulaturen i tunntarmen framkallades med en operativ metod där ett bomullsband fästes runt nedre delen av tunntarmen på marsvin (se figur 5 i Metoddelen). Med denna metod kunde vi jämföra tillväxande tunntarmsvävnad med normal sådan ifrån samma djur. Den tillväxande glatta muskulaturen innehöll andra typer av myosin och var långsammare än normal vävnad. Den var också mer känslig för att man tillsatte ADP. Vi kunde dra slutsatsen att egenskaperna hos en glatt muskel kan förändras in vivo i samband med tillväxt.



Delarbete IV handlar om tvärbryggecykelns egenskaper hos en typ av myosin som ff.a. finns i icke-muskel celler, non-muscle myosin, men som också återfinns i glatt muskulatur. Non-muscle myosin skiljer sig ifrån andra typer av myosin som uttrycks i glatt muskulatur genom att den utvecklar kraft och drar ihop sig långsamt. Man vet inte om detta myosin kan bidra till egenskaperna hos kontraktionen i glatt muskulatur. Vi använde genetiskt manipulerade (transgena) djur som saknar vanligt glattmuskel-myosin. Glatt muskulatur från dessa djur kontraheras långsamt och vi visade genom att mäta intracellulär kalciumkoncentration, att den långsamma kontraktionen inte beror på att muskeln aktiveras långsamt. Förkortningshastigheten hos non-muscle myosin var betydligt lägre än för glatt-muskelmyosin, och hämmades mer av att vi tillsatte ADP. Kraften hämmades mindre av fosfat jämfört med glatt-muskelmyosin. Vi kunde dra slutsatsen att non-muscle myosin är långsamt, och att detta kan bero på en hög ADP-känslighet.



Arbete V handlar om cellskelettet i glatt muskulatur. I många glatta muskler är cellskelettet ff.a. uppbyggt av proteinet desmin, men i stora artärer består det istället till största delen av vimentin. Vi undersökte innehållet av desmin i artärer av olika storlek och fann att det finns en gradient i innehållet av desmin mellan blodkärl av olika storlek, så att stora artärer innehåller mer vimentin istället för desmin, medan mindre artärer innehåller mer desmin och mindre vimentin. För att undersöka vilken roll desmin har för kraftutvecklingen i kärl av olika storlek, undersökte vi kraftegenskaperna hos kärl ifrån möss som saknade desmin, med dem ifrån vanliga möss. Kraften ifrån små kärl var minskad hos de möss som saknade desmin, medan den inte skilde sig i de större kärlen. Detta visar att desmin spelar en roll för kraftutvecklingen i små, men inte i stora kärl.



I arbete VI ville vi undersöka vilken roll ett protein (beta1-integrin) spelar för kraftutvecklingen i glatt muskulatur. beta1-integrin sitter i membranet som omger cellen, och binder till strukturer i omgivningen. På insidan av cellmembranet binder beta1-integrin till bl.a. aktin, och kan därför utgöra ett "ankare" för den glatta muskelcellens motorproteiner. Vi slog ut produktionen av beta1-integrin i cellerna genom en sk. konditionell transgen teknik. Vävnaden ifrån möss med en speciell beta1-integrin gen infekterades med ett virus och odlades in vitro. Detta slog ut produktionen av beta1-integrin i en del av cellerna. Vi undersökte sedan hur mycket kraft dessa muskelpreparat kunde generera jämfört med vanliga odlade muskelpreparat. Vi såg att kraften gick ner hos de glatta muskler som saknade beta1-integrin och kunde dra slutsatsen att beta1-integrin har betydelse för krafttransmissionen i glatt muskulatur.



Sammanfattningsvis är huvudämnet för den här avhandlingen de molekylära och cellulära mekanismerna som står för variabiliteten hos och förmågan till anpassning av kontraktionsegenskaperna i glatt muskel. Artiklarna i den här avhandlingen beskriver några molekylära mekanismer som är inblandade i denna variation och adaptation; ifrån sammansättningen av olika kontraktila proteiner och cellskelettstrukturer, till samverkan mellan cellen och dess omgivning.

• author: Löfgren, Mia
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Larsson, Lars
• organization: Department of Experimental Medical Science
• publishing date: 2002
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Basic Medicine
• keywords: essential light chain, desmin, shortening velocity, integrin, intermediate filament, hypertrophy, non-muscle myosin, smooth muscle, myosin, heavy chain, Physiology, Fysiologi
• pages: 144 pages
• defense location: Segerfalksalen, BMC A, Tornavägen 10, 221 84 Lund, Sweden
• defense date: 2002-11-29 09:15:00
• ISBN: 91-628-5469-0
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I. Substrate and product dependence of force and shortening in fast and slow smooth muscle.Mia Löfgren,Ulf Malmqvist and Anders Arner (2001) Journal of General Physiology. 117: 407-417 Article: II. Effects of thyroxine on myosin isoform expression and mechanical properties in guinea-pig smooth muscle.Mia Löfgren, Katarina Fagher, Geoffrey Woodard and Anders Arner (2002) Journal of Physiology. 543: 757-766 Article: III. Decreased shortening velocity and altered myosin isoforms in guinea-pig hypertrophic intestinal smooth muscle.Mia Löfgren, Katarina Fagher, Oskar Karlsson Wede, and Anders Arner (2002) Journal of Physiology. 544: 707-714 Article: IV. Non-Muscle Myosin Motor of Smooth Muscle.Mia Löfgren, Eva Ekblad, Ingo Morano and Anders Arner (2002) Manuscript Article: V. Mechanical function of intermediate filaments in arteries of different size examined using desmin deficient mice.Oskar Karlsson Wede*, Mia Löfgren*, Zhen-lin Li, Denise Paulin, and Anders Arner (2002) Journal of Physiology. 540: 941-949.*Oskar Karlsson Wede and Mia Löfgren contributed equally to this article. Article: VI. Ablation of beta1-integrin gene in smooth muscle tissue reduces active force.Mia Löfgren, Johanna Balogh, Cord Brakebusch, Reinhard Fässler, and Anders Arner (2002) Manuscript
• id: 35941f23-98b1-484c-8aad-dbf09cba890b (old id 465149)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:30:44
• date last changed: 2018-11-21 21:05:19