Aufklärung der molekularen und strukturellen Bedeutung von Titin und MyBP-C für die Kontraktilität von Skelett- und Herzmuskeln

• Antragsteller: Anthony Hessel, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Anatomie und Physiologie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 454867250

Theorien über Muskelkontraktionen wurden zuvor größtenteils unter der Annahme entwickelt, dass die Kraftentwicklung einer Muskelfaser ausschließlich durch die dicken und dünnen Myofilamente bestimmt wird. Später wurde das Titinfilament entdeckt, das direkt mit den dicken und dünnen Filamenten als Feder interagiert, sich bei Muskeldehnung anspannt und dadurch Zugkräfte gegen die anderen Filamente erzeugt. Die Titin-basierte Kraft reguliert fundamentale Kontraktionseigenschaften, jedoch sind die genauen Mechanismen in vivo weitestgehend unverstanden. Im laufenden DFG-Projekt wurden mithilfe der Titin-Cleavage (TC) Mauslinie und unter Verwendung der Röntgendiffraktionsmethodik in Kooperation mit den Argonne National Labs (USA) die Veränderungen an Myofilamenten vor und nach der spezifischen Spaltung von Titin untersucht. Wir fanden heraus, dass Titin die Kraftproduktion durch eine Neuorientierung der Motorproteine von einer "OFF"- zu einer "ON"-Konformation direkt steuert und zusätzlich auch die Kraftübertragung durch Erhöhung der Filament- und Sarkomersteifigkeit beeinflusst. Weiterhin beobachteten wir, dass auch ein gezieltes Durchschneiden der schnellen Isoform des Myosinbindungsprotein-C (MyBP-C) die Myosinmotoren in eine ON-Konformation bringt, so dass sowohl Titin als auch MyBP-C den ON/OFF-Zustand von Myosin kontrollieren. In der DFG-Projektverlängerung sollen die sich daraus logisch ergebenden Fragestellungen v.a. mittels Röntgendiffraktionsanalyse beantwortet werden. Erstens soll unter Verwendung von TC--Herzmuskeln die Beziehung zwischen Titin-basierter Kraft, Kontraktilität und Struktur-/Funktionseigenschaften der kardialen Myofilamente weiter definiert werden. Zweitens soll unter Verwendung neuartiger MyBP-C-Mausmodelle das MyBP-C im Skelettmuskel selektiv gespalten werden, um die Rolle verschiedener MyBP-C-Isoformen bei der Einstellung der Kontraktilität von schnellen vs. langsamen Muskelfasertypen zu erhellen. Vermutet wird, dass eine Verringerung der Titin-basierten Kräfte durch gezielte Titin-Spaltung im Herzmuskel die Kontraktionskraft reduziert. Die damit einhergehenden Veränderungen der dicken und dünnen Filamente könnten den beobachteten Veränderungen im Skelettmuskel ähneln. Weiterhin wird vermutet, dass die schnelle MyBP-C-Isoform einen stärkeren Einfluss auf die Kontraktilität hat als die langsame MyBP-C-Isoform. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass funktionelle Veränderungen, die durch die strukturelle Spaltung von Sarkomerproteinen verursacht werden, durch Behandlung mit Myosinmodulatoren rückgängig gemacht werden sollen. Diese Experimente werden erstmalig die Rolle der Titinfederkraft bzw. der MyBP-C-Links für die Regulation der dünnen und dicken Myofilamente aufzeigen. Die erwarteten Erkenntnisse sind relevant für das Verständnis von Titin-basierten Myopathien, computergestützten Muskelmodellalgorithmen, und die Erstellung biotechnologischer Hilfsmittel.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Wolfgang Linke