Hypertrophe obstruktive Kardiomyopathie: Genotypisierung und Charakterisierung des molekularen Phänotyps
Kardiologie, Angiologie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Hypertrophe Kardiomyopathie (HCM) wird u.a. durch Hypertrophie von Septum und linksventrikulärer Wand, durch extreme Unordnung von Kardiomyozyten und Myofibrillen sowie durch interstitielle Fibrose charakterisiert. In zahlreichen sarkomerischen Proteinen, vor allem im ventrikulären Myosin (MYH7, ß-MyHC) und im kardialen Myosin-bindenden Protein C (MYBPC3, cMyBPC), wurden Mutationen, die zu HCM führen, gefunden. Allgemein wird angenommen, dass die Entwicklung der HCM durch die jeweilige Mutation getriggert wird, wobei die auslösenden Mechanismen bisher unklar sind. Unser Projekt hatte zum Ziel, charakteristische, bei hypertropher obstruktiver Kardiomyopathie (HOCM) auftretende Veränderungen des Myokards/der Kardiomyozyten im Vergleich zu Hypertrophie bei valvulärer Aortenstenose zu identifizieren, und nach Genotypisierung der Proben spezifische funktionelle Auswirkungen von Mutationen auf zellulärer und molekularer Ebene zu untersuchen. Dafür stand uns Myektomiegewebe von Patienten mit HOCM, von Patienten mit AoSt und Myokardgewebe aus dem Septum nicht transplantierter Donorherzen zur Verfügung. Eine Frage war, ob Anpassungsprozesse und morphologische Veränderungen des Myokards bei Hypertrophie infolge AoSt (Ursache Druckbelastung durch valvuläre Veränderungen) und bei HOCM (Ursache Mutationen in den Sarkomeren) sehr ähnlich sind, oder ob die unterschiedlichen Auslöser der Hypertrophie auch unterschiedliche downstream Effekte auf Funktion, Signalwege und Morphologie haben. Da HOCM genetisch sehr heterogen ist, war eine weitere Frage, ob wir allen HOCM-Proben gemeinsame funktionelle Veränderungen identifizieren können. Für eine Analyse der primären Auswirkungen von Myosin-Mutationen auf die Funktion und damit der Beziehung zu strukturellen Myosinkopf-Domänen, wurden schließlich einzelne Myosin-Mutationen auch im in vitro Einzelmolekül-Assay untersucht. Interessanterweise zeigte sich, dass die Phosphorylierung regulatorischer Sarkomerproteine bei AoSt und HOCM nicht signifikant verschieden ist, und somit beide Formen der Hypertrophie hier ähnliche Auswirkungen haben. AoSt und HOCM unterscheiden sich jedoch sehr deutlich vom Donormyokard. Nach Angleichung der PKA-abhängigen Phosphorylierung aller untersuchter Kardiomyozyten wurde klar, dass die Kardiomyozyten bei HOCM-bedingter Hypertrophie signifikant reduzierte Calciumempfindlichkeit und Kraftentwicklung aufwiesen gegenüber Kardiomyozyten bei AoSt. Diese waren den Donor-Kardiomyozyten in allen gemessenen Parametern sehr ähnlich. Die morphologischen Untersuchungen ergaben, dass die ausgeprägte Septum-Hypertrophie bei HOCM auch morphologisch unverkennbar von Hypertrophie bei AoSt verschieden ist. Zwar zeigten sich auch bei AoSt strukturelle Veränderungen im Myektomiegewebe gegenüber Donor-Septum, jedoch waren diese weit geringer als bei HOCM. Auch die Analyse hypertrophie-assoziierter miRNAs in den verschiedenen Myektomieproben ergab unterschiedliche Expressionsprofile für AoSt und HOCM. Die Charakterisierung der spezifischen funktionellen Auswirkungen von Punktmutationen in verschiedenen Sarkomerproteinen bestätigte die bereits in unseren und anderen früheren Untersuchungen gezeigte Heterogenität der primären Mutationseffekte und lässt keinen einheitlichen gemeinsamen Auslöser erkennen. Auch Untersuchungen zur Gleitgeschwindigkeit von nicht-reguliertem F-Aktin und nativen Aktinfilamenten auf aus Myokardproben isolierten Myosinmolekülen im in vitro Motilitätsassay ergaben bisher keine Hinweise auf gemeinsame Veränderungen. Die Möglichkeit, Mutationseffekte auf molekularer Ebene zu analysieren, konnten wir an Myosin aus Muskelgewebe eines HCM-Patienten mit der Mutation R723G demonstrieren. Messungen in der Laserfalle ergaben für R723G eine erhöhte Steifheit einzelner mutierter Myosinköpfe im Vergleich zum Wildtyp-Myosin. Insgesamt unterstützen hier durchgeführte Untersuchungen unsere Hypothese, dass ein funktionelles Ungleichgewicht zwischen benachbarten Herzmuskelzellen eine zentrale Rolle in der Pathogenese der HCM spielt. Wir konnten zeigen, dass mutiertes Myosin (A200V, R723G), welches zu veränderten Kontraktions-Eigenschaften wie reduzierter Calciumempfindlichkeit führt, ein Kräfteungleichgewicht zwischen einzelnen Kardiomyozyten zur Folge hat, was auf eine ungleiche Expression des mutierten Proteins in Herzmuskelzellen hindeutet. Solch ein funktionelles Ungleichgewicht benachbarter Zellen könnte langfristig Ursache für die beobachteten stärkeren morphologischen Veränderungen bei HOCM sein, die einen wesentlichen Unterschied zur Hypertrophie bei AoSt ausmachen. Zukünftig soll eine genaue Analyse der durch dieses Ungleichgewicht aktivierten Signalwege erste Hinweise auf therapeutische Ansätze geben, die idealerweise auf stark bzw. weniger stark funktionell veränderte Kardiomyozyten unterschiedlich intensiv wirken sollten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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The left and right ventricle of a patient with a R723G mutation of the beta-myosin heavy chain and severe hypertrophic cardiomyopathy show no differences in the expression of myosin mRNA. Cardiol J 17(5): 518–522 (2010)
Borchert, B., Tripathi, S., Francino, A., Navarro-Lopez, F., Kraft, T.
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Unequal allelic expression of wild-type and mutated beta-myosin in familial hypertrophic cardiomyopathy. Basic Res Cardiol 106:1041–1055 (2011)
Tripathi, S., Schultz, I., Becker, E., Montag, J., Borchert, B., Francino, A., Navarro-Lopez, F., Perrot, A., Özcelik, C., Osterziel, K.J., McKenna, W.J., Brenner, B., Kraft, T.
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Mechanical and kinetic properties of beta-cardiac/slow skeletal muscle myosin. J Muscle Res Cell Motil. 33(6):403-17 (2012)
Brenner B, Hahn N, Hanke E, Matinmehr F, Scholz T, Steffen W, Kraft T.
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SERCA2a gene therapy restores microRNA-1 expression in heart failure via an Akt/FoxO3A-dependent pathway. Eur Heart J 33(9):1067-75 (2012)
Kumarswamy R, Lyon AR, Volkmann I, Mills AM, Bretthauer J, Pahuja A, Geers-Knörr C, Kraft T, Hajjar RJ, Macleod KT, Harding SE, Thum, T.
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Familial Hypertrophic Cardiomyopathy: Functional effects of myosin mutation R723G in cardiomyocytes. J Mol Cell Cardiol 57, 13-22 (2013)
Kraft, T., Witjas-Paalberends, E.R., Boontje, N.M., Tripathi S., Brandis, A., Montag, J., Hodgkinson, J.L., Francino, A., Navarro-Lopez, F., Brenner, B., Stienen, G., van der Velden, J.
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Familial hypertrophic cardiomyopathy: functional variance among individual cardiomyocytes as a trigger of FHC-phenotype development. Front Physiol., 5:392 (2014)
Brenner B, Seebohm B, Tripathi S, Montag J, Kraft T
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Faster cross-bridge detachment and increased tension cost in human hypertrophic cardiomyopathy with the R403Q MYH7 mutation. J Physiol.; 592: 3257-72 (2014)
Witjas-Paalberends ER, Ferrara C, Scellini B, Piroddi N, Montag J, Tesi C, Stienen GJ, Michels M, Ho CY, Kraft T, Poggesi C, van der Velden J
