Familiäre Hypertrophische Kardiomyopathie (FHC). Myosinmutationen und resultierende Funktionsstörungen auf molekularer Ebene
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Projektes war, durch funktionelle Charakterisierung der Auswirkungen von natürlich vorkommenden, zu Hypertropher Kardiomyopathie (FHC) führenden Punktmutationen im Kopfbereich des ß-kardialen Myosins (ß-MHC) die Beziehung zwischen spezifischer Funktion und Struktur definierter Elemente des Myosinkopfs zu erforschen. Darüber hinaus sollten aus diesen Untersuchungen Erkenntnisse zur Pathogenese der FHC und mögliche Ansätze für eine spezifische symptomatische Therapie abgeleitet werden. Für die Untersuchungen wurden Biopsien des M. soleus von FHC-Patienten gewonnen. Die daraus isolierten langsamen Skelettmuskelfasern exprimieren die ß-kardiale Myosin-lsoform. Durch funktionelle Untersuchungen an Skelettmuskelfasern von mehreren FHC-Patienten mit drei verschiedenen Mutationen in der Converter-Domäne des Myosinkopfs konnten wir wesentliche neue Erkenntnisse zum Zusammenhang von Struktur und Funktion dieser Domäne gewinnen. Es zeigte sich, dass die Converter-Domäne der hauptsächlich elastisch verformte Bereich des Myosinkopfs ist. Elastische Deformation ist eine elementare Voraussetzung für die Fähigkeit, die chemische Energie der ATP-Hydrolyse über Strukturumlagerungen in Kraft und Bewegung umzusetzen. Sequenzvergleich zeigte uns, dass offenbar nicht-konservierte Aminosäuren in direkter Nachbarschaft zur a-Helix des Hebelarms wesentlich für diese elastische Verformbarkeit sind. Untersuchungen zur Calcium-Sensitivität von Muskelfasern mit verschiedenen Myosinmutationen zeigten, dass Mutationen im Myosinkopf durchaus die Caicium- Empfindlichkeit der Muskelfasern beeinflussen können. Allerdings war der Effekt je nach Mutation verschieden, was bei einer möglichst spezifischen symptomatischen Therapie für die Patienten berücksichtigt werden müsste und sehr unterschiedliche Erfolge bisheriger Therapieansätze erklären könnte. Überraschendenveise beobachteten wir eine große Variabilität der Caicium-Empfindlichkeit und damit ein Kräfteungleichgewicht zwischen den einzelnen Muskelfasern der jeweiligen FHC-Patienten. Gleichzeitig ergab die Quantifizierung des Anteils an mutiertem, in den kontraktilen Apparat eingebautem ß-Myosin und mutierter ß-MHC-mRNA in den Muskelproben der FHC-Patienten ein höchst unterschiedliches Verhältnis von mutiertem (MT) zu nicht-mutiertem (WT) Myosin bzw. MT:WT mRNA für die verschiedenen Mutationen. Die Abweichung vom enwarteten 1:1-Verhältnis von MT:WT ist für jede von uns untersuchte Mutation spezifisch und scheint zudem mit dem Schweregrad der Erkrankung zu korrelieren. Die Ursache der Abweichung ist noch nicht geklärt. Unsere Hypothese ist, dass ein variables Verhältnis von MT:WT Myosin bereits in den einzelnen Muskelfasern und möglichenweise auch in einzelnen Herzmuskelzellen besteht und zu einem Kräfteungleichgewicht zwischen den einzelnen Muskelzellen führt. Dies könnte nicht nur wesentlich zur Pathogenese der FHC beitragen, sondern hätte auch Konsequenzen für die auf einer Genotyp-Phänotyp-Korrelation basierenden Prognose, sowie für Ansätze einer symptomatischen Therapie. Mittlerweile haben wir damit begonnen unsere Hypothese und die Übertragbarkeit der am M. soleus der Patienten gewonnenen Erkenntnisse auf den Herzmuskel zu überprüfen. Erste funktionelle Untersuchungen an isolierten Kardiomyozyten von FHC-Patienten mit der Mutation Arg723Gly zeigen, dass am Herzmuskel die gleichen funktionellen Veränderungen auftreten, diese aber durch Adaptationsmechanismen maskiert sein können. Darüber hinaus arbeiten wir derzeit an der Entwicklung der notwendigen Methoden, um die Frage nach der variablen Expression von mutiertem Myosin in einzelnen Herzmuskelzellen untersuchen zu können. Im Berichtszeitraum wurden 7 Originalarbeiten zur Thematik publiziert oder zur Publikation eingereicht, sowie 13 Abstracts veröffentlicht. Zwei Dissertationen zum Dr. med. wurden abgeschlossen, drei Dissertationen sind kurz vor dem Abschluß. Außerdem wurden zwei mit dem Thema assoziierte Diplomarbeiten für Biochemie abgeschlossen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Downregulation of cytoskeletal muscle LIM protein by nitric oxide: impact on cardiac myocyte hypertrophy. Circulation 107: 1424-1432 (2003)
Heineke J., Kempf T., Kraft T., Hilfiker A., Morawietz H., Scheubel R.J., Caroni P., Lohmann S.M., Drexler H.. Wollert K.C.
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Familial Hypertrophic Cardiomyopathy mutations K183A, G203S and K206Q in cardiac troponin I enhance filament sliding. Physiological Genomics 14: 117-128 (2003)
Köhler, J., Chen, Y., Brenner, B., Gordon, A., Kraft, T., Martyn, D.A., Regnier, M., Rivera, A.J., Wang, C.-K., Chase, P.B.
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Heme oxygenase-1 inhibition of MAP kinases, calcineurin/NFAT signaling, and hypertrophy in cardiac myocytes. Cardiov. Res. 63, 545-552 (2004)
Tongers, J., Fiedler, B., König, D., Kempf, T., Klein, G., Heineke, J., Kraft, T., Gambaryan, S., Lohmann, S.M., Drexler, H., Wollert, K.C.
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Attenuation of cardiac remodeling after myocardial infarction by muscle LIM protein-calcineurin signaling at the sarcomeric Z-disc. Proc. Natl. Acad. Sci. USA . Feb 1;102(5):1655-60(2005)
Heineke J, Ruetten H, Willenbockel C, Gross SC, Naguib M, Schaefer A, Kempf T, Hilfiker-Kleiner D, Caroni P, Kraft T, Kaiser RA, Molkentin JD, Drexler H, Wollert KC
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HCM-related ß-Myosin mutations cause highly variable calcium-sensitivity with functional imbalances among individual muscle cells. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 288, H1242-H1251 (2005)
Kirschner, SE., Becker, E., Antognozzi. M., Kubis, HP., Francino, A., Navarro-López, F., Bit-Avragim, N., Perrot, A., Mirrakhimov, MM., Osterziel. KJ., McKenna, WJ., Brenner, B., Kraft, T.
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Quantification of mutant versus wildtype myosin in human muscle biopsies using nanoLC-ESl-MS. Anal. Chem. 79 (24), 9531-8 (2007)
Becker, E., Navarro-López, F., Francino, A., Brenner, B., Kraft, T.
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Cardiomyopathy mutations reveal variable region of myosin converter as major element of cross-bridge compliance. Biophys J
Seebohm, B., Matinmehr, F., Köhler. J., Francino, A., Navarro-López, F., Perrot, A., Özcelik, C., McKenna, W.J., Brenner, B., Kraft, T.
