Μελέτη του ρόλου του κυτταροσκελετού της δεσμίνης στην ανεύρεση νέων μηχανισμών καρδιομυοπροστασίας

Abstract

Desmin, the muscle specific intermediate filament protein, forms a three-dimensional scaffold which links the contractile apparatus to the plasma membrane intercalated disks (IDs), the nucleus and also other membranous cellular organelles. The main goal of this study was to assess the mechanism of cardioprotection by the desmin cytoskeleton in vivo and its participation in the apoptotic pathway. Disruption of the cytoskeleton is a key event in apoptotic cell death pathways. Both actin microfilaments and intermediate filaments -including the nuclear lamins- are substrates for cleavage by different members of the caspase family. Desmin is known to be specifically cleaved in vitro, by caspase-6, at the 263 aspartic acid residue. The amino-terminal product of desmin cleavage is completely unable to assemble into filaments and forms intracellular aggregates. The in vivo model used for the induction of apoptosis was transgenic mice that overexpress specifically in the heart the Tumor Necrosis Factor-α (ΤΝF-α). ΤΝF-α has been described to induce several cell death pathways that converge on activation of different members of the caspase proteolytic enzyme family. The myocardium of mice that overexpress ΤΝF-α (ΜΗCsTNF) is characterized by concentric hypertrophy of cardiomyocytes followed by chamber dilation. 25% of ΜΗCsTNF mice die by heart failure before the age of sixth month. We examined the subcellular localization of desmin in the myocardium of ΜΗCsTNF mice. Desmin is absent from the IDs of ΜΗCsTNF myocardium whereas it preserves, in part, its presence at Z-disks. In order to delineate whether the relocalization of desmin influences the position of other ID proteins, we examined the subcellular localization of desmoplakin, β-catenin and connexin 43, which are characteristic proteins of desmosomes, adherent junctions and gap junctions respectively. At early stages, these proteins localize almost normally in MHCsTNF cardiomyocytes, however, in the 3-month old MHCsTNF mice, all studied proteins were primarily localized at the lateral, non-junctional, side of the cardiomyocytes. Ultrastructural study of the MHCsTNF myocardium revealed that the overall ID architecture is altered. Additionally, we show that desmin is cleaved in vivo and accumulates into cytoplasmic aggregates. The presence of desmin positive aggregates has been correlated with several human inherited myopathies called Desmin Related Myopathies (DRM). Mutations within its gene or in the genes of other desmin associated cytoskeletal proteins, result in accumulation of aggregates in the cytoplasm and have been linked to Dilated Cardiomyopathy (DCM) and heart failure. In the MHCsTNF myocardium we observe two distinct kinds of aggregates that are positive for desmin. The first ones are diffused in the cytoplasm and desmin colocalizes with HSP25, while in the second category the aggregates tend to be restricted near the nucleus and desmin colocalizes with ubiquitin. Ultrastructural study of the aggregates reveals that they are variable in size and composition, consisting of vesicles, mitochondria, membranous whorls and, occasionally, clumps of electron dense material, suggesting that, in addition to other functions such as proteasome activity, they may interfere with the sarcomere contraction thereby leading to impairment of cardiac function. In order to study the importance of desmin in the development of the ΜΗCsTNF pathology, we crossed ΜΗCsTNF mice with desmin null mice (des-/-). In desmin-deficient mice transient cardiomyocyte hypertrophy is followed by development of a DCM that is characterized by mitochondrial functional, ultrastructural and other defects, extensive cell death, fibrotic lesions and calcium deposition at the external surface of the heart. ΜΗCsTNF des-/- mice showed significant decrease in both kind of aggregates, whereas desmoplakin and β-catenin -proteins that belong to the uniform cardiomyocyte junctional structure “area composita”- preserve at high degree their presence at IDs. These observations underline the level at which desmin participates in the progress of ΜΗCsTNF phenotype. Surprisingly, the myocardium of ΜΗCsTNF des-/- mice eliminated the morphological defects caused by the absence of desmin while retained those caused by TNF-α overexpression, suggesting a possible counteracting action of TNF-α in the des-/- cardiomyocytes. To investigate the mechanism and the importance of desmin cleavage by caspase-6 and its withdrawal from IDs with the concomitant consequences, we generated transgenic mice with cardiac-restricted expression of a desmin mutant (D263E), harboring a substitution of the 263 aspartic acid (D) with a glutamic acid (E), which renders desmin resistant to caspase mediated cleavage. We showed that D263E desmin is indeed resistant to caspase cleavage in the ΜΗCsTNF myocardium, largely retains its proper ID localization and allows the same for the other proteins of the area composita. Additionally, the ubiquitin positive aggregates are diminished and the few generated do not colocalize with desmin. Importantly, D263E desmin expression attenuated cardiomyocyte apoptosis, prevented left ventricular wall thinning and improved function of MHCsTNF hearts. To summarize, the data presented in this study underline that desmin is a target and mediator of ΤΝF-α induced cardiomyopathy and heart failure. Its contribution in the pathway of apoptosis as a substrate for caspase cleavage and the subsequent participation in the formation of aggregates and the alteration of the ID architecture is the baseline for the study of the role of Intermediate Filaments in degenerative diseases.

Η δεσμίνη, η μυοειδική πρωτεΐνη των ενδιαμέσων ινιδίων, δημιουργεί ένα εκτενές δίκτυο που συνδέει τη συσταλτή συσκευή των μυοκυττάρων με την κυτταροπλασματική μεμβράνη -στο επίπεδο των εμβόλιμων δίσκων για τα καρδιομυοκύτταρα- τον πυρήνα και διάφορα μεμβρανώδη κυτταρικά οργανίδια. Σκοπός αυτής της εργασίας ήταν η διερεύνηση του μηχανισμού καρδιοπροστασίας που παρέχει ο κυτταροσκελετός της δεσμίνης in vivo, καθώς και η γενικότερη συμμετοχή της στα μονοπάτια της απόπτωσης. Η αποδιοργάνωση του κυτταροσκελετού είναι μια βασική διαδικασία για την εξέλιξη του μονοπατιού της απόπτωσης. Τόσο τα μικροϊνίδια της ακτίνης, όσο και τα ενδιάμεσα ινίδια -συμπεριλαμβανομένων και των πυρηνικών λαμινών- αποτελούν υπόστρωμα πέψης για διάφορα μέλη της οικογένειας των κασπασών. Η δεσμίνη είναι γνωστό ότι πέπτεται in vitro από ανασυνδυασμένη κασπάση-6, στο 263 ασπαρτικό οξύ. Το αμινοτελικό προϊόν αυτής της πέψης δεν είναι ικανό να συμμετέχει στη συγκρότηση ινιδίων, αλλά αντίθετα παρεμποδίζει αυτή τη διαδικασία σχηματίζοντας συσσωματώματα. Ως in vivo μοντέλο επαγωγής της απόπτωσης χρησιμοποιήθηκαν διαγονιδιακά ποντίκια που υπερεκφράζουν, ειδικά στην καρδιά, τον Παράγοντα Νέκρωσης Όγκων (Tumor Necrosis Factor, TNF-α). O TNF-α έχει βρεθεί ότι επάγει διαφορετικά μονοπάτια κυτταρικού θανάτου ενεργοποιώντας, μεταξύ άλλων, μέλη της οικογένειας των πρωτεολυτικών ενζύμων, των κασπασών. Το μυοκάρδιο των ποντικιών που υπερεκφράζει TNF-α (ΜΗCsTNF) χαρακτηρίζεται αρχικά από ομόκεντρη υπερτροφία των καρδιομυοκυττάρων που ακολουθείται από διάταση τόσο των κόλπων, όσο και των κοιλιών. Τα ποντίκια αυτά πεθαίνουν από καρδιακή ανεπάρκεια σε ποσοστό 25% πριν τη συμπλήρωση του έκτου μήνα ζωής. Στο μυοκάρδιο των ΜΗCsTNF ποντικιών ελέγχθηκε αρχικά ο υποκυτταρικός εντοπισμός της δεσμίνης. Η δεσμίνη στην καρδιά των ΜΗCsTNF ποντικιών έχει χάσει τον εντοπισμό της στους εμβόλιμους δίσκους, αλλά διατηρεί, εν μέρει, την παρουσία της στους Ζ-δίσκους. Προκειμένου να διαπιστωθεί εάν εκτός από τη δεσμίνη, έχει αλλοιωθεί η παρουσία και άλλων πρωτεϊνών των εμβόλιμων δίσκων, μελετήθηκε στο μυοκάρδιο αυτών των ποντικιών, η υποκυτταρική κατανομή της δεσμοπλακίνης, της β-κατενίνης και της κοννεξίνης 43, που είναι χαρακτηριστικές πρωτεΐνες των δεσμοσωμάτων, των συνδέσμων πρόσδεσης και των χασματοσυνδέσμων, αντίστοιχα. Οι πρωτεΐνες αυτές αρχικά φαίνεται να αγκυροβολούνται στους εμβόλιμους δίσκους, παροδικά όμως απομακρύνονται και κατευθύνονται προς την πλευρική επιφάνεια των καρδιομυοκυττάρων. Μελέτη με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο αποκάλυψε ότι εκτός από την κατανομή συγκεκριμένων πρωτεϊνών, είναι διαταραγμένη και η γενική αρχιτεκτονική των εμβόλιμων δίσκων. Επιπρόσθετα, πιστοποιήθηκε ότι η δεσμίνη πέπτεται in vivo και συσσωρεύεται σε συσσωματώματα. Η παρουσία συσσωματωμάτων δεσμίνης έχει συσχετιστεί με αρκετές κληρονομικές μυοπάθειες στον άνθρωπο, οι οποίες χαρακτηρίζονται ως Μυοπάθειες Σχετιζόμενες με τη Δεσμίνη (Desmin Related Myopathies, DRM). Μεταλλάξεις, αλλά και τροποποιήσεις στη δεσμίνη ή σε άλλες πρωτεΐνες με τις οποίες αλληλεπιδρά προκειμένου να δημιουργήσει το συνεχόμενο κυτταροσκελετικό δίκτυο, έχουν ως συνέπεια τη συγκέντρωση συσσωματωμάτων στο κυτταρόπλασμα και έχουν ενοχοποιηθεί για τη διατατική μυοκαρδιοπάθεια και την εξέλιξη της καρδιακής ανεπάρκειας. Στο μυοκάρδιο των ΜΗCsTNF ποντικιών πιστοποιήθηκε η παρουσία δύο διαφορετικών ειδών συσσωματωμάτων της δεσμίνης. Τα πρώτα εμφανίζουν διάχυτο κυτταροπλασματικό πρότυπο και η δεσμίνη σε αυτά συνεντοπίζεται με την HSP25, ενώ τα δεύτερα τείνουν να περιοριστούν κοντά στον πυρήνα και εδώ η δεσμίνη συνεντοπίζεται με την ουμπικουϊτίνη. Μελέτη της υπερδομής των συσσωματωμάτων έδειξε ότι ποικίλουν σε μέγεθος και σύσταση, καθώς περιέχουν κυστίδια, μιτοχόνδρια, μεμβρανώδες υλικό και υλικό υψηλής πυκνότητας, που φαίνεται ότι παρεμποδίζουν, εκτός από τη λειτουργία του πρωτεασώματος, την συσταλτική ικανότητα των μυοϊνιδίων και συμβάλλουν στην εξέλιξη της καρδιακής ανεπάρκειας. Προκειμένου να μελετηθεί η σπουδαιότητα της δεσμίνης στην παθολογία του μυοκαρδίου που υπερεκφράζει TNF-α, ΜΗCsTNF ποντίκια διασταυρώθηκαν με ποντίκια που δεν εκφράζουν δεσμίνη (des-/-). Τα des-/- ποντίκια χαρακτηρίζονται από μια παροδική υπερτροφία των καρδιομυοκυττάρων, η οποία ακολουθείται από ανάπτυξη διατατικής μυοκαρδιοπάθειας με εξέχοντα χαρακτηριστικά τις ανωμαλίες στα μιτοχόνδρια, το μαζικό κυτταρικό θάνατο και τις εκτενείς εναποθέσεις ασβεστίου στην εξωτερική επιφάνεια της καρδιάς και κολλαγόνου στο εσωτερικό της. Τα ΜΗCsTNF des-/- ποντίκια παρουσίασαν δραματική μείωση και στις δύο μορφές συσσωματωμάτων, ενώ η δεσμοπλακίνη και η β-κατενίνη -πρωτεΐνες που ανήκουν σε μια ενιαία και διαπλεκόμενη μορφή κυτταρικών συνδέσεων, την “area composita”- διατήρησαν σημαντικά την παρουσία τους στους εμβόλιμους δίσκους. Οι παρατηρήσεις αυτές υπογραμμίζουν το βαθμό στον οποίο η δεσμίνη συμμετέχει στην εξέλιξη του ΜΗCsTNF φαινοτύπου. Παραδόξως, στο μυοκάρδιο των ΜΗCsTNF des-/- ποντικιών δεν παρατηρούνται τα μορφολογικά χαρακτηριστικά που προκαλεί η έλλειψη της δεσμίνης, ενώ διατηρούνται αυτά της υπερέκφρασης του TNF-α, υποδηλώνοντας ενδεχόμενη προστατευτική δράση του TNF-α για τα des-/- καρδιομυοκύτταρα. Η διερεύνηση του μηχανισμού της πέψης της δεσμίνης από την κασπάση-6, αλλά και της απομάκρυνσής της από τους εμβόλιμους δίσκους, με τις συνακόλουθες συνέπειες, αποτέλεσε τον επόμενο στόχο αυτής της εργασίας. Για το σκοπό αυτό, δημιουργήθηκαν διαγονιδιακά ποντίκια που εκφράζουν τη μεταλλαγμένη δεσμίνη D263E, η οποία στο 263 αμινοξύ φέρει αντί για ασπαρτικό, γλουταμινικό οξύ. Η D263E δεσμίνη δεν πέπτεται από τις κασπάσες στο ΜΗCsTNF μυοκάρδιο, διατηρεί σε μεγάλο βαθμό την παρουσία της στους εμβόλιμους δίσκους και φαίνεται ότι συγκρατεί και τις υπόλοιπες πρωτεΐνες της “area composita” στη δομή αυτή. Επιπλέον, τα συσσωματώματα της ουμπικουϊτίνης μειώνονται σημαντικά και χάνεται ο συνεντοπισμός με τη δεσμίνη σε όσα από αυτά σχηματίζονται. Τέλος, η παρουσία της D263E δεσμίνης μείωσε τον αριθμό των αποπτωτικών καρδιομυοκυττάρων στο ΜΗCsTNF μυοκάρδιο και βελτίωσε σημαντικά την καρδιακή λειτουργία. Συνοψίζοντας, τα αποτελέσματα αυτής της εργασίας υπογραμμίζουν ότι η δεσμίνη είναι ένα μόριο με σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη της μυοκαρδιοπάθειας και της καρδιακής ανεπάρκειας, στο μοντέλο που προκαλείται από την υπερέκφραση του TNF-α. Η συμμετοχή της στο μονοπάτι της απόπτωσης ως υπόστρωμα πέψης για τις κασπάσες και οι επακόλουθες συνέπειες, αποτελούν βάση μελέτης του ρόλου των ενδιαμέσων ινιδίων και για άλλες εκφυλιστικές νόσους.