Μελέτη του ρόλου του κυτταροσκελετού της δεσμίνης στο μηχανισμό του κυτταρικού θανάτου σε καρδιοπάθειες: πρωτεϊνικές αλληλεπιδράσεις δεσμίνης

Abstract

The scientific interest of this PhD thesis is mainly the role of desmin cytoskeleton (the muscle-specific intermediate filament) in myocyte maintenance and function. The ablation of desmin expression in mice by gene targeting demonstrated that desmin expression is crucial for maintanance of healthy muscle. Mice null for desmin develop dilated cardiomyopathy characterized by mitochondrial abnormalities, extensive cardiomyocyte death, fibrosis, calcification and eventually heart failure. Study of desmin protein interactions could facilitate our understanding of the molecular mechanisms responsible for the observed pathology. To that end, we have performed a yeast two-hybrid screening of a cardiac cDNA library We showed that the desmin amino-terminal domain [Nₐₐ₍₁₋₁₀₃₎] binds to a 413kDa TRIM-like protein, myospryn, originally identified as the muscle-specific partner of dysbindin, a component of the Biogenesis of Lysosome Related Organelles Complex 1 (BLOC-1). Binding of desmin with myospryn was confirmed with GST pull down assays and co-immunoprecipitation experiments. Western blot analysis revealed that the complex immunoprecipitated by desmin antibodies, in addition to myospryn contained the BLOC-1 components dysbindin and pallidin. Deletion analysis revealed that only the [Nₐₐ₍₁₋₁₀₃₎] fragment of desmin binds to myospryn carboxyl terminus and that this association takes place through the 24ₐₐ long C-terminal end of the SPRY domain of myospryn. Using an antibody against the COOH terminus of myospryn, we demonstrated that myospryn co-localizes with desmin at the periphery of the nucleus, in close proximity to the endoplasmic reticulum, of mouse neonatal cardiomyocytes. In adult heart muscle, the two proteins co localize, predominantly, at intercalated discs and costameres. We also showed that myospryn colocalizes with lysosomes. Using desmin null hearts, we demonstrated that desmin is required for both the proper perinuclear localization of myospryn, as well as the proper positioning of lysosomes, thus suggesting a potential role of desmin IFs in lysosomes and lysosome-related organelle biogenesis and/or positioning. siRNAs experiments for myospryn knock down revealed that when myospryn is absent, desmin is not able to immunoprecipitate BLOC-1 subunits. Additionally, the in vivo role of myospryn was examined using the model of D. rerio. Using a splice morpholino for knocking down myospryn transcript, we examined the effects on zebrafish heart development and function caused by the absence of myospryn, where it was shown that myospryn is essential for the early heart development in D. rerio. In summary, this work reveals the association of desmin with a novel molecule, myospryn, and it sheds light on novel regulatory role for this member of intermediate filament family.

Το επιστημονικό ενδιαφέρον της παρούσας διδακτορικής διατριβής εστιάζεται στο ρόλο του κυτταροσκελετού της δεσμίνης (desmin), της μυοειδικής πρωτεΐνης, μέλος της οικογένειας των ενδιάμεσων ινιδίων, στη διατήρηση και τη λειτουργία του καρδιακού μυός. H καταστολή της έκφρασης της δεσμίνης σε μύες με τη χρησιμοποίηση της γονιδιακής στόχευσης, έδειξε πως η έκφραση της δεσμίνης είναι απαραίτητη για τη διατήρηση της λειτουργικής και δομικής ακεραιότητας του καρδιακού μυός. Μύες που δεν εκφράζουν δεσμίνη αναπτύσσουν διατατική καρδιομυοπάθεια, που χαρακτηρίζεται από ανωμαλίες σε υποκυτταρικά οργανίδια, όπως είναι τα μιτοχόνδρια, εκτεταμένη ίνωση και εναπόθεση ασβεστίου, με επακόλουθο τον κυτταρικό θάνατο, και τελικά την καρδιακή ανεπάρκεια. Πιο συγκεκριμένα σε μια προσπάθεια διερεύνησης της βιολογικής δράσης της δεσμίνης, μελετήθηκαν οι πρωτεϊνικές αλληλεπιδράσεις αυτού του μορίου. Η ανεύρεση μορίων με τα οποία η δεσμίνη αλληλεπιδρά μπορεί να δώσει σημαντικές πληροφορίες για τη βιολογικής της δράση και να βοηθήσει στην κατανόηση της παθολογίας που παρατηρείται σε επίμυς όπου έχει κατασταλεί η έκφρασή της (διαγονιδιακό μοντέλο διατατικής καρδιομυοπάθειας που έχει δημιουργηθεί από το εργαστήριό μας, des-/-) ή σε ασθενείς με καρδιομυοπάθειες εξαιτίας μεταλλαγών στο μόριο της δεσμίνης. Για το σκοπό αυτό εφαρμόστηκε η μέθοδος του διυβριδικού συστήματος ζύμης (Yeast two-hybrid), όπου χρησιμοποιήθηκε τμήμα του μορίου της δεσμίνης (το αμινο-τελικό άκρο), με το οποίο ‘σαρώθηκε’ (screening) μια cDNA καρδιακή βιβλιοθήκη, και βρέθηκε ένας αριθμός δυνητικών αλληλεπιδράσεων. Η σάρωση αποκάλυψε την αλληλεπίδραση της δεσμίνης με ένα νέο μόριο, τη Myospryn, μια μυοειδική πρωτεΐνη 413 kDa, μέλος της οικογένειας των TRIM-like πρωτεϊνών. Η πρωτεΐνη myospryn βρέθηκε αρχικά να αλληλεπιδρά με την πρωτεΐνη dysbindin, η οποία εμπλέκεται σε διαδικασίες διαμετακίνησης πρωτεϊνών, κυστιδίων και βιοσύνθεσης οργανιδίων, και αποτελεί συστατικό ενός πρωτεϊνικού συμπλόκου υπεύθυνου για τη βιογένεση λυσοσωμάτων και λυσοσωματικά συσχετιζόμενων οργανιδίων, γνωστό ως Biogenesis of Lysosome Related Organelles (BLOC-1). Η πρόσδεση της δεσμίνης με τη myospryn επαληθεύτηκε με in vitro μεθόδους (GST pull down assay, Co-immunoprecipitation). H ανάλυση ανοσοαποτύπωσης (western blot) απεκάλυψε ότι το ανοσολογικό σύμπλοκο που κατακρημνίζεται με χρήση αντισωμάτων δεσμίνης περιέχει, εκτός της myospryn, και δυο τουλάχιστον υπομονάδες του πρωτεϊνικού συμπλόκου BLOC-1, dysbindin και pallidin. Πειράματα με το δι-υβριδικό σύστημα ζύμης απεκάλυψαν την ακριβή περιοχή αλληλεπίδρασης των δύο πρωτεϊνών, και η οποία περιλαμβάνει τα αα58-103 του αμινο-τελικού άκρου της δεσμίνης και τα τελευταία 24αα του καρβόξυ-τελικού άκρου του μορίου της myospryn, που αντιστοιχούν στο SPRY τμήμα του TRIM-like μοτίβου της οικογένειας των πρωτεϊνών στην οποία ανήκει η myospryn. Πειράματα ανοσοφθορισμού σε απομονωμένα καρδιομυοκύτταρα απεκάλυψαν ότι η myospryn τοπολογείται στην περιφέρεια του πυρήνα, σε στενή γειτνίαση με τις μεμβράνες του ενδοπλασματικού δικτύου, και στο σημείο αυτό αλληλο-επικαλύπτεται με τη δεσμίνη, η οποία σχηματίζει ένα δίκτυο ινιδίων που διατρέχει όλο το μήκος του κυττάρου. Στον ενήλικο καρδιακό ιστό, η myospryn βρίσκεται κυρίως στους εμβόλιμους δίσκους, καθώς και στο επίπεδο της πλασματικής μεμβράνης, του σαρκολείματος, όπου και αλληλοεπικαλύπτεται με τη δεσμίνη. Η αλληλο-επικάλυψη των δυο πρωτεϊνών είναι έντονη στο επίπεδο των εμβόλιμων δίσκων. Δείχθηκε πως η myospryn άλληλο-επικαλύπτεται με τα λυσοσώματα καθώς και ότι η δεσμίνη είναι απαραίτητη τόσο για τη σωστή τοπολόγηση της myospryn, όσο και για αυτήν των λυσοσωμάτων. Τέλος, με πειράματα καταστολής της έκφρασης της myospryn, αποκαλύφθηκε πως η παρουσία της myospryn είναι απαραίτητη προκειμένου η δεσμίνη να μπορεί να ανοσοκατακρημνίσει τις υπομονάδες του BLOC-1, dysbindin και pallidin. Τέλος, στην προσπάθεια χαρακτηρισμού του λειτουργικού ρόλου της myospryn συμπεριλήφθηκε η χρησιμοποίηση του μοντέλου του D. rerio (zebrafish). Χρησιμοποιώντας την τεχνολογία των antisense morpholinos, ήταν δυνατή η παρεμπόδιση της έκφρασης της myospryn και η μελέτη των επιπτώσεων στην ανάπτυξη και λειτουργία του καρδιακού ιστού. Η καταστολή της έκφρασης της myospryn είχε ως αποτέλεσμα σοβαρές δομικές και λειτουργικές ανωμαλίες στο καρδιακό σύστημα ατόμων Danio rerio, καταδεικνύοντας την σπουδαιότητα αυτού του μορίου στην ανάπτυξη του καρδιακού συστήματος του D. rerio. Συμπερασματικά η παρούσα διδακτορική διατριβή διαπραγματεύεται τις πρωτεϊνικές αλληλεπιδράσεις της μυοειδικής πρωτεΐνης δεσμίνης, αποκαλύπτοντας νέους ρυθμιστικούς ρόλους για το μόριο αυτό.