DAPC | DMD | LGMD2J | MD | NMJ | TMD |

Термин muscular dystrophy (MD) охватывает более 30 различных наследственных заболеваний, все они связаны с прогрессирующей слабостью и дегенерацией скелетных мышц (BOX 1). MDs может быть разрушительными болезнями со слабостью скелетных мышц, ведущей к потере способности передвигаться, трудностям дыхания и приема пищи и в большинстве случаев е преждевременной гибели. Ключевыми признаками дистрофических мышц являются центральное расположение ядер, бедность регенерирующих волокон и накопление соединительной и жировой ткани (see FIG. 1). MDs обычно не связаны с ЦНС или периферическими нервами (хотя для некоторых это имеет место), несмотря на тесные анатомические взаимоотношения между скелетными мышцами и нервами, но они затрагивают сердце и др. органы. Традиционно MDs были сгруппированы в соответствии с их клиническими и патологическими проявлениями (see Supplementary information S1 (box) о наиболее распространенных типах MD).

Генетически MDs могут наследоваться по доминантному или рецессивному типу или, в большинстве случаев, вызываются мутациями de novo, которые являются спорадическими. Т.к. генетические причины становятся всё очевиднее, то MDs называются, чтобы отражать дефектный ген, напр., 'laminopathies', 'titinopathies', 'dystrophinopathies' и 'dysferlinopathies', с одним и тем же дефектным геном, возможно вызывающим более одного болезненного фенотипа; эти названия иногда образуют группу из клинически отличающихся болезней. Напр., мутации в гене, который кодирует гигантский саркомерный белок titin, могут вызывать как tibial MD (TMD), так и более тяжелые limb girdle MD (LGMD2J), в зависимости от того является ли пациент гетерозиготным по мутации (TMD) или гомозиготным (LGMD2J)¹.

Более того, некоторые мутантные гены не только вызывают более одной клинически самостоятельной MD, но и могут вызывать заболевания, которые не в первую очередь затрагивают скелетные мышцы. Мутации в гене LMNA, который кодирует ядерные белки lamin A и lamin C могут вызывать MDs^2,3, а также др. болезни, такие как болезнь преждевременного старения Hutchinson-Gilford progeria синдром^4-9. Ситуация ещё сложнее, т.к. более чем один ген может продуцировать один и тот же фенотип MD; напр., Emery-Dreifuss MD (EDMD) может вызываться аутосомно доминантными мутациями в гене LMNA³ или Х-сцепленными мутациями в гене, кодирующем др. ядерный белок, emerin¹⁰.

Dystrophin был первым мутантным белком, установленным в качестве причины MD. Мутации гена dystrophin, крупнейшего гена в геноме человека, вызывают наиболее распространенную MD, Duchenne MD (DMD), а также более легкий фенотип Becker MD (BMD)¹¹. Разные мутации внутри гена dystrophin определяют будет ли пациент иметь DMD или BMD фенотип. DMD возникает в результате отсутствия dystrophin или экспрессии нефункционального белка, тогда как BMD ассоциирует со снижением дикого типа dystrophin или экспрессией частично функционального белка. Хотя DMD впервые описан ещё в 1830s, но только в 1975 с помощью электронной микроскопии и биохимических анализов было показано, что пациенты с DMD имеют дефекты плазматической мембраны (sarcolemma) мышечных волокон¹². Ген был локализован в Xp 21, используя анализ сцепления полиморфизмов длин рестрикционных фрагментов¹³. Причинный ген был идентифицирован в 1987 он кодирует белок dystrophin, который локализуется на саркоплазматической поверхности сарколеммы. Это был один из первых генов, идентифицированных с помощью позиционного клонирования, и его открытие привело к идентификации др. генов, участвующих в MDs.

Здесь мы обсудим большой массив скелетно-мышечных белков, которые ассоциируют с MD (FIGS 2,3). Исторически, дефекты в структурных белках преимущественно ассоциируют с MD. Однако, сегодня известно, что лежащие в основе механизмы не только связаны с потерей структурных белков, но и с дефектами энзимов, нарушением механизмов репарации сарколеммы и потерей сигнальных молекул. Исходя из местоположения мутантных белков, которые могут обнаруживаться на краях мышечных клеток в сарколемме, во extra cellular matrix (ECM), на ядерной мембране или снутрои мышечной клетки в саркоплазме или саркомерах, ясно, что местоположение, по-видимому, не диктует, будет ли мутантный белок вызывать MD. Белки, которые вовлекаются в пост-трансляционные модификации также могут вызывать MD, как и увеличение или делеции последовательностей нуклеотидных повторов, которые не обязательно находятся в белок кодирующих регионах генома (BOX 2; см. Supplementary information S1 (box) и Supplementary information S2 (table). Т.к. мы начали расшифровывать сложную сеть белковых взаимодействий внутри скелетно-мышечного волокна, то стали видны новые стратегии для разработки эффективной терапии этих нарушений (BOX 3).

Dystrophin helps link the ECM and cytoskeleton

Dystrophin прикреплен в сарколемме к актиновому цитоскелету и поэтому играет важную структурную роль во время мышечных сокращений и растяжений мышц. Dystrophin экспрессируется в сарколемме и им богаты costameres и места межклеточных контактов, а именно myotendinous соединения и neuromuscular junction (NMJ). Dystrophin считается эластичным и гибким белком благодаря его тройным спиральным повторам, расположенным на его палочковидном домене¹⁴ и поэтому dystrophin возможно защищает мышечные клетки от стрессов, вызываемых силами, возникающими во время сокращений. Мышечные волокна, лишенные dystrophin менее крепки, чем нормальные волокна¹⁵.

The protective role of dystrophin. N конец dystrophin обладает высокой гомологией со spectrins и α-actinins и, следовательно, dystrophin принадлежит к spectrin подсемейству¹¹. N конец и spectrin повторы дистрофина соединяются с цитоскелетом посредством filamentous (F)-actin^16,17. Примерно 1,200 аминокислот, выявленных между этими двумя регионами дистрофина, создают расширенные латеральные соединения между dystrophin и F-actin, так что 1 молекула dystrophin соединяется с эквивалентом из 24 актиновых мономеров, которые представлены в виде полимеризованного актина¹⁸ (FIG. 2). Актин, который соединяется с dystrophin (γ-actin) является актином др. типа, чем то, что найден в тонких филаментах саркомеров (α-actin)¹⁹. Соответственно, в отсутствие dystrophin, costameric actin (γ-actin) исчезает, в то время как актин контратильного аппарата (α-actin) сохраняется¹⁹. Dystrophin соединяется также с dystroglycan посредством своего богатого цистеином домена и с α-dystrobrevin посредством C-терминального домена (see FIG. 2); dystroglycan и α-dystrobrevin участвуют во многих MDs. C конец дистрофина соединяется с dystrophin-associated protein complex (DAPC), группой белков, которая может быть очищена как макромолекулярная структура из мембран мыгечных волокон, растворяемых с помощью детергнетов^20,21. DAPC состоит из цитоплазматических, трансмембранных и внеклеточных белков и поэтому образует сильную механическую связь и обеспечивает взаимодействия между внутриклеточным цитоскелетом и ECM²² (FIGS 2,3).

Предполагается, что мутантные члены белков из DAPC обусловливают потерю интеграции сарколеммы и тем самым делают мышечные волокна более уязвимыми к повреждениям²³. В отсутствие dystrophin DAPC дестабилизируется, приводя к уменьшению уровней др. белков DAPC^20,21. Следовательно, защитная роль дистрофина и др. членов DAPC; которая заключается в прикреплении сарколеммы к внутреннему актиновому цитоскелету и к ECM, теряется. Сильно возросшая ломкость сарколеммы становится объектом механических повреждений, которые вызывают прогрессирующие повреждения мышечных волокон и протечку сарколеммы. Регенерация постепенно падает по мере того, как пул эндогенных сателлитных клеток истощается и не способен компенсировать поврежденные мышечные волокна. Степень некроза и слабости мембран усиливаются физическими упражнениями, но улучшаются при иммобилизации мышц.

Signalling: α-dystrobrevin and syntrophin

Dystrobrevins являются саркоплазматическими белками, которые концентрируются в сарколемме, NMJ и сухожильно-мышечных соединениях и, как полагают, участвуют в передаче сигналов, хотя это до конца неясно. α-Dystrobrevin-нулевые мыши имеют фенотип легкой болезни скелетных и кардиальных мышц²⁴. Хотя DAPC сохраняется, но neuronal nitric oxide synthase (nNOS) смещается из сарколеммы в саркоплазму в отсутствие α-dystrobrevin²⁴, возможно благодаря потере взаимодействия между α-dystrobrevin и syntrophin²⁵. nNOS взаимодействует с α1-syntrophin и β1-syntrophin²⁶ (FIGS 2,3) и предполагается, что нарушение передачи сигналов, облегчаемое с помощью nNOS, ведет к болезни, что подчеркивает роль α-dystrobrevin в передаче сигналов. Избыточная экспрессия nNOS у дефицитных по дистрофину мышей существенно улучшает интеграцию сарколеммы мышечных волокон и снижает степень дистрофии вообще то благодаря противовоспалительным свойствам nNOS²⁷.

Syntrophin соединяется с ECM посредством дистрофина (два белка syntrophin соединяются с одним белком дистрофина) и как полагают, ассоциирует с киназами, ионными каналами и некоторыми сигнальными белками (напр., GRB2 (REF. 28)). Следовательно, с помощью локализованных сигнальных молекул syntrophin создает передающие сигналы комплексы на DAPC. Нокаутные мыши или по syntrophin²⁹ или nNOS³⁰ не обладают MD фенотипом, хотя они и имеют аномальные NMJs. Однако, α-syntrophin и nNOS³¹ не обнаруживаются в сарколемме в отсутствие дистрофина, это указывает на то, что способность syntrophin ассоциировать с DAPC сарколеммы зависит от исключительно от его взаимодействия с dystrophin. Напротив, α-syntrophin локализуется в NMJ в отсутствие дистрофина, возникает возможность, что белком, ответственным за его локализацию в этом месте, является utrophin (функционалный аутосомный паралог дистрофина, который экспрессируется в NMJ³²). Отсутствие utrophin в аномальных NMJs по α-syntrophin мышей подтверждает это мнение²⁹.

Syntrophin и α-dystrobrevin необходимы для нормального функционирования мышц, несмотря на не очевидную механическую роль в сотрудничестве с dystrophin, это подтверждает предположение, что эти белки могут играть роль в передаче сигналов. В отсутствие дистрофина оба α-dystrobrevin и α-syntrophin почти полностью теряются из сарколеммы. Однако, эти белки могут быть восстановлены в сарколемме мышей, которые экспрессируют укороченные формы трансгенов дистрофина, которые лишены сайтов связывания α-dystrobrevin и syntrophin³³. У таких мышей структура и функция мышц нормальна³³, это указывает на то, что и syntrophin и α-dystrobrevin могут функционировать максимально несмотря на потерю связи с дистрофином. Эти находки показывают, что syntrophin и α-dystrobrevin могут играть роль иную, нежели структурную (напр., в передаче сигналов) и что syntrophin и α-dystrobrevin ассоциируют с DAPC др. способом в обход дистрофина. In vitro исследования показали, что α-dystrobrevin может ассоциировать с sarcoglycans³⁴.

Binding partners of α-dystrobrevin. Др. партнерами, связывающимися с α-dystrobrevin, являются белки промежуточных филамент synemin³⁵, dysbindin³⁶ и syncoilin³⁷. Syncoilin локализуется в NMJ и costameres и соединяется с desmin³⁸ (FIG. 3). Т.к. desmin взаимодействует непосредственно с белками Z-line саркомеров, то syncoilin и desmin связывают α-dystrobrevin с сарколеммой в месте контракции. Хотя количества α-dystrobrevin могут меняться при некоторых MDs, но мутации в самом α-dystrobrevin были обнаружены в качестве причины только врожденных заболеваний сердца³⁹. Synemin присутствует в саркомерной Z-линии, где он соединяется с desmin, vimentin⁴⁰ и α-actinin⁴¹. Synemin соединяется также с dystrophin и utrophin, подчеркивая тем самым роль synemin в соединении белков промежуточных филамент (desmin и vimentin) и саркомерных белков (α-actinin and desmin) с costameres сарколеммы⁴².

The dystroglycans: important DAPC members

Потеря dystroglycan ведет к эмбриональной смертности у мышей⁴³, это объясняет, почему мутации dystroglycan ге обнаружены у людей. Однако, если dystroglycan избирательно нарушается в зрелых мышечных волокнах, то это ведет к нестабильности и дегенерации волокон⁴⁴. Dystroglycan после трансляции расщепляется на две субъединицы, α-dystroglycan и β-dystroglycan, которые остаются связанными нековалентно45. α-Dystroglycan прикрепляется к внеклеточной клеточной поверхности посредством трансмембранной β-dystroglycan субъединицы, в то время как β-dystroglycan соединяется непосредственно с α-dystrobrevin (FIGS 2,3). Присутствие glycan carbohydrate половинки в α-dystroglycan необходимо для соединения с белками ECM, такими как laminin, agrin и perlecan⁴⁶. Dystroglycan комплекс ассоциирует с sarcoglycan комплексом (FIGS 2,3).

Экспрессия мутантных белков дистрофина, которые лишены способности соединяться с β-dystroglycan, вызывает заметную потерю всех sarcoglycan белков, а также α-dystroglycan⁴⁷, указывая тем самым, что sarcoglycan комплекс собирается и закрепляется в DAPC посредством β-dystroglycan.

The sarcoglycan complex. В скелетных и сердечной мышцах превалирующий sarcoglycan комплекс состоит из β-sarcoglycan и δ-sarcoglycan в виде сердцевины, связанной с α-sarcoglycan и γ-sarcoglycan⁴⁸ (FIGS 2,3). Несмотря на то, что являются трансмембранными компонентами DAPC, ни один из sarcoglycans не связан с dystrophin непосредственно in vivo. Отсутствие дистрофина обычно инициирует нарушение и дестабилизацию sarcoglycan комплекса, делая сарколемму протекающей. Мутации в генах, которые кодируют α-, β-, γ- и δ-sarcoglycan, вызывают limb girdle MDs (rev. 49; see Supplementary information S2 (table)). В большинстве примеров белок, кодируемый мутантным геном sarcoglycan, отсутствует у пациентов с MD, с уменьшением или полным отсутствием др. sarcoglycans. Хотя точная функция sarcoglycan комплекса неизвестна, кажется, что он играет механическую, немеханическую и сигнальную роли⁵⁰.

На поверхности мышечной клетки каждый член саркогликанового комплекса формирует функциональную единицу путем тесной ассоциации с sarcospan, который имеет 4 трансмембранные области⁵¹ (FIGS 2,3). Вне клетки саркогликановый комплекс соединяется с малым proteoglycan, biglycan, посредством α-sarcoglycan и γ-sarcoglycan⁵² и посредством biglycan саркогликановый комплекс затем соединяется с α-dystroglycan (FIG. 3). Внутри клетки саркогликановый комплекс взаимодействует с цитоскелетным белком filamin-C посредством sarcoplasmic хвостов от γ-sarcoglycan и δ-sarcoglycan⁵³ (FIG. 3). Filamin-C соединяется также с интегриновым комплексом и тесно связан с саркомером посредством Z-line⁵³ (FIG. 3). У мышей, дефицитных по dystrophin, filamin-C позитивно регулируется и рекрутируется из саркомера в сарколемму⁵³.

Caveolin-3 and dysferlin. Субъединица β-dystroglycan соединяется также с caveolin-3 в DAPC, а также с адапторным белком GRB2 (FIG. 3)⁵⁴. Caveolin-3 является мышце-специфической изоформой caveolin семейства⁵⁵ и является главным структурным компонентом caveolae в сарколемме. Caveolin-3 локализуется также в T-tubules во время развития мышц и, следовательно, не удивительно, что tcaveolin-3-нулевые мыши имеют дефекты T-трубочек⁵⁶. Др. предполагаемыми функциями caveolin-3 являются ингибирование nNOS ферментативной активности⁵⁷, взаимодействия с некоторыми сигнальными молекулами⁵⁸ и участие в регуляции энергетического метаболизма⁵⁹. Избыточная экспрессия caveolin-3 приводит к MD фенотипу у мышей, вызывая заметную редукцию количества dystrophin и др. членов DAPC⁶⁰. Эти находки может быть результатом избытка caveolin-3, замещающего dystrophin, т.к. оба белка соединяются с одним и тем же сайтом β-dystroglycan⁶¹. Т.к. β-dystroglycan закрепляет dystrophin на сарколемме, то это сцепление нарушается или снижается и вследствие этого возникает дистрофический фенотип. Напротив, доминантная экспрессия мутантного белка caveolin-3 у пациентов с MD часто вызывает потерю или редукцию общего количества caveolin-3, но сохранение дистрофина и DAPC⁶². Однако, иногда α-dystroglycan и nNOS избирательно отсутствуют⁶³ или неправильно локализуется dysferlin⁶⁴. Доминантная экспрессия мутантного белка caveolin-3 может вызывать направление мутантного caveolin-3 а также caveolin-3 дикого типа на путь протеосомной деградации, с удержанием в комплексе Golgi⁶⁵, это объясняет отсутствие обоих этих белков в сарколемме пациентов. Caveolin-3 соединяется с dysferlin⁶⁴, который является повсеместно экспрессируемым членом семейства ferlin белков.

Новый сцепленный с integrin kinase-связывающий белок affixin был недавно идентифицирован как партнер по связыванию для dysferlin⁶⁶ (FIG. 3). Т.к. affixin взаимодействует также с α-actinin и F-actin⁶⁷, то он связывает integrin, dysferlin и caveolin-3 с цитоскелетом. Однако, мутации dysferlin, как полагают, не вызывают сами по себе MD через нарушение связей между интегринами и цитоскелетом. Вместо этого имеются строгие доказательства, что MD возможно возникает благодаря дефектному восстановлению мышечных мембран и процессам поддержания⁶⁸. Хотя, чтобы выжить, все клетки д. иметь быстрый и умелый способ возобновлять свои мембраны после повреждения, высоко активные ткани, такие как скелетные мышцы, обладают более критической необходимостью в репаративном процессе. Действие по возобновлению мембран, которое нуждается в Ca²⁺ нарушено в миофибриллах мышей, которые лишены α-dystroglycan. Хотя первичные последовательности α-dystroglycan, как предполагается, обладают мол. массой в 72 kDa, мол. масса в скелетных мышцах млекопитающих составляет 156 kDa, это отражает пост-трансляционные модификации (преимущественно O-связанное гликозилирование)^45,69. У людей неизвестны болезни, вызванные мутациями dystroglycan, но многие белки, которые гликозилируют α-dystroglycan, или как полагают, делают это, были идентифицированы как причина MD в мутантном состоянии⁷⁰. Аномальное гликозилирование α-dystroglycan (но не β-dystroglycan) является первичной причиной ряда MDs, которые характеризуются мышечной слабостью и иногда аномалиями головного мозга и глаз^71-77. Общим для всех этих нарушений является униформная или варьирующая редукция гликозилирования, которая дает α-dystroglycan белок, который менее гликозилирован⁷⁰. Это уменьшение гликозилирования затрагивает связывание α-dystroglycan с agrin, laminin и neurexin.

Белки аппарата Golgi и саркоплазматического ретикулема обеспечивают пост-трансляционные модификации, такие как прикрепление углеводных молекул, чтобы сформировать glycoproteins. Мутации в 4-х белках аппарата Golgi (fukutin, fukutin-related protein (FKRP), LARGE и protein O-linked mannose β1,2-N-acetylglucosaminyltransferase (POMGnT1)) и в двух белках их sarcoplasmic ретикулема (protein O-mannosyltransferase-1 (POMT1) и selenoprotein N), как было установлено, вызывают MD фенотип. Хотя точная биохимическая функция каждого из белков остается неизвестной, все они за исключением selenoprotein N являются гликопротеинами, которые потенциально модифицируют и осуществляют процессинг α-dystroglycanпосле трансляции.

Proteins of the Golgi apparatus. Ген LARGE первоначально был идентифицирован как имеющий делецию при meningioma опухолях и повсеместно экспрессируемый, хотя белок LARGE преимущественно обнаруживается в скелетных мышцах, сердце и головном мозге и этот белок, как предполагается, имеет два предположительно glycosyltransferase домена⁷⁸.

POMGnT1 конститутивно экспрессируется и участвует в синтезе O-mannose glycan⁷⁹, реакции. которая редко обнаруживается у млекопитающих, хотя O-mannose glycan является laminin-связывающим лигандом α-dystroglycan⁸⁰. MD возникает в результате мутаций потери функции гена POMGnT1, а пациенты имеют пониженные количества α-dystroglycan м laminin-α2 (REF. 79).

Fukutin, который, как полагают, играет роль в миграции нейронов, имеет гидрофобные Golgi-signal-anchor последовательности, которые совпадают с его трансмембранным регионом и он обнаруживается в секреторных гранулах и Golgi тельцах^81,82. Подобно пациентам с POMGnT1 мутациями, пациенты с мутациями в гене fukutin имеют пониженные количества α-dystroglycan и laminin-α2 и, следовательно, имеют нарушенную базальную ламину⁸³. FKRP встречается в большом количестве в скелетных мышцах и сердце⁷⁵. Хотя ферментативная активность FKRP ещё не установлена, наблюдаются изменения процессинга dystroglycan после избыточной экспрессии FKRP in vitro⁸¹. Пациенты с мутациями FKRP имеют варьирующее снижение уровней laminin-α2 и α-dystroglycan⁸⁴; тяжесть деплеции α-dystroglycan прямо коррелирует с тяжестью фенотипа MD⁸⁵.

O-mannosylation: from yeasts to humans. Белковые O-mannosyltransferases законсервированы в ходе эволюции от дрожжей до человека, и как было установлено, являются критическими для дрожжей благодаря их важной роли в поддержании клеточной интеграции и ригидность клеточных стенок. Хотя и редко у людей, но O-mannosylation происходит в скелетных мышцах, головном мозге и нервах. У млекопитающих POMT1 и POMT2 необходимы для активности O-mannosyltransferase, которые продуцируют функциональные α-dystroglycan⁸⁶. Мутантные POMT1 вызывают целый ряд врожденных MDs с варьирующей тяжестью, некоторые из которых ассоциированы с умственной отсталостью⁸⁷. Пациенты с мутациями POMT1 лишены гликозилированного α-dystroglycan⁷⁴. Гликозилирование α-dystroglycan является важным для его взаимодействия с его партнерами по внутриклеточному и внеклеточному связыванию. Идентифицировано возрастание числа потенциальных гликопротеинов, которые в мутантном состоянии ведут к нарушению гликозилирования α-dystroglycan и затем к MD, указывая на сходство путей патогенеза болезней.

ECM proteins associated with MD

ECM усиливает эластические свойства миофибрилл, добавляет силу сарколемме и участвует в дифференцировке, репарации и регенерации тканей. ECM состоит из сети нерастворимых белков с углеводными цепочками, таких как коллаген, протеогликаны, ламинины и фибронектины. Среди ECM белков, collagen VI и laminin, как было установлено, вызывают MD, будучи мутантными. Collagen VI является повсеместным белком клеточной адгезии, который не связывается непосредственно с DAPC. Он формирует сеть из микрофибрилл в ECM в тесной ассоциации с базальной мембраной, где он взаимодействует со многими др. белками. Laminin-α2 формирует связь между α-dystroglycan на сарколемме и базальной ламиной⁴⁵ (FIGS 2,3) и участвует в организации структуированной базальной мембраны а также в связывании базальной мембраны соседних клеток посредством рецепторов на клеточной поверхности. Laminin-α2 соединяется также с гетеродимерным рецептором α7β1 integrin на сарколемме⁸⁸, который в свою очередь соединяется с filamin-C⁸⁹.

Взаимодействие между α7β1 integrin b laminin-2? по-видимому, существенно для поддержания зрелых скелетных мышц⁹⁰. Integrin соединяется с laminin в ECM посредством внеклеточного домена, в то время как внутри клетки он взаимодействует с цитоскелетным actin посредством молекул, таких как talin⁹¹ (FIG. 3). Позитивная регуляция α7β1 integrin наблюдается в мышечных биоптатах от пациентов с DMD⁹². Несмотря на то, что механизм неизвестен, коренное улучшение тяжелого фенотипа мышей, лишенных dystrophin и utrophin, достигается, когда эти мыши скрещиваются с трансгенными мышами, которые избыточно экспрессируют α7BX2 integrin⁹³. Двойные нокауты по α7 integrin и γ-sarcoglycan мыши имеют выраженную, быструю мышечную дегенерацию, которая ведет к гибели в течение одного мес.⁹⁴, это указывает на слабость клеточного прикрепления к ECM.

Белки из сарколеммы и ECM традиционно были ассоциированы с MDs. Т.к. патогенез MD, связанный с ослаблением мембран мышечных клеток, не труден для понимания, как мутантные белки сарколеммы и ECM вызывают такой дефект. Однако, недавно мутации в генах, которые кодируют белки из др. клеточного компартмента, такого как саркомер, который обычно ассоциирует с мышечными болезнями, иными чем дистрофии, такими как myopathies⁹⁵), как было установлено, продуцируют MDs. Эти находки расширили наше понимание механизмов болезни в скелетных мышцах.

Sarcomere-associated proteins and MD

Myotilin, telethonin, titin, Z-band alternatively spliced PDZ-motif protein (ZASP; известный также как cypher), calpain-3 и tripartite motif-32 (TRIM32) все они являются ассоциированными с саркомерами белками, которые участвуют в MDs. Calpain-3 и TRIM32 были обнаружены также в саркоплазме.

Anchoring titin. Telethonin участвует в передаче сигналов во время миофибриллогенеза и он прикрепляет titin к Z-line⁹⁶. Telethonin взаимодействует с ростовым фактором myostatin, который является негативным регулятором пролиферации миобластов и поэтому возможно способствует мышечной регенерации и росту⁹⁷. MD пациенты с отсутствием telethonin сохраняют Z-линии и др. саркомерные структуры, а также сохраняют членов DAPC на сарколемме⁹⁸. Эта находка указывает на то, что MD возникает в результате нарушения сигнальной роли скорее, чем структурной роли telethonin. Остаток серина вблизи C конца telethonin (Ser157) фосфорилируется с помощью киназной активности titin в ранних дифференцирующихся митоцитах⁹⁹. Titin является крупнейшим из известных белков, он имеет мол. вес у человека в 4,200 kDa. Titin формирует непрерывную филаментную систему, с каждой молекулой titin занимающей половину саркомера от Z-диска до M-линии. Он известен как 'molecular spring' из-за его I-band области, обладающей эластичными свойствами, и как 'ruler' из-за его функции в качестве принципиальной саркомерной матрицы и стабили затора во время миофибриллогенеза.

Недавние находки показали, что благодаря его псевдосимметричной структуре, telethonin обеспечивает антипараллельную сборку двух молекул titin, что вообще-то объясняет, как саркомерные филаменты связываются поперечно и стабилизируются¹⁰⁰. Наиболее N-terminal 30 kDa белков titin от соседних саркомеров закрепляются на Z-линии; белки продолжаются примерно на 1 µm пока C-терминальные области в 250 kDa оппозитных титинов не будут локализованы на M-линии, средине саркомера, где актиновые и миозиновые филаменты перекрываются.

Proteins that affect sarcomere formation. C конец титина соединяется с calpain-3. Calpains являются внутриклеточными, Ca²⁺-активируемыми, не-лизосомными cysteine proteases, которые функционируют в нескольких сигнальных путях. Calpain-3 является единственной специфичной для скелетных мышц изоформой¹⁰¹ и расщепляет C-терминальную часть filamin-C, сдерживая взаимодействие между filamin-C и sarcoglycans¹⁰² (FIG. 3). Filamin-C соединяется с sarcoglycan белками и с integrin⁸⁹ на сарколемме, а также с myotilin¹⁰³ и FATZ1 (filamin, actin and telethonin-binding protein at the Z-disk) на саркомере⁸⁹. Пациенты с мутациями в titin могут иметь вторичную недостаточность calpain-3¹⁰⁴. Calpain-3 участвует в процессах, которые связаны с ремоделированием цитоскелета во время слияния миобластов и репарации. Мутантный calpain-3 был первым энзимом скорее, чем структурным белком, ассоциированным с MD¹⁰¹. Увеличение апоптоза наблюдается в мышцах. которые дефицитны по calpain-3 (REF. 105), при этом исследования на мышах показали, что calpain-3 необходим для формирования саркомеров и поддержания структурной интеграции саркомеров¹⁰⁶, вообще-то благодаря его соединению с titin.

TRIM32 является E3-ubiquitin лигазой, которая участвует в ubiquitin-proteasome пути деградации белков¹⁰⁷. TRIM32 соединяется с областью головки и шейки myosin и убиквитилирует актин, эта находка ведет к предположению, что TRIM32 участвует в поддержании и деградации миофибрилл во время ремоделирования мышц¹⁰⁷. Предполагается, что нарушение пути ubiquitin-деградации ведет к нарушению внутреннего равновесия белков миофибрилл. Myotilin (который является миофибриллярным белком с titin-подобным иммуноглобулиновыми доменами) играет, как полагают, критическую роль во время сборки саркомеров за счет стабилизации и закрепления тонких филамент на Z-линии - пациенты с мутациями в myotilin обнаруживают Z-line streaming (размывание?) и дегенерацию миофибрилл¹⁰⁸. Myotilin экспрессипуется в основном в поперечно исчерченных мышцах; его N-терминальная половина соединяется с α-actinin¹⁰⁹ а его С-конец соединяется с filamin-C¹⁰³, при этом myotilin, α-actinin и filamin-C все соединяются с actin. α-Actinin является главным белком Z-линии, который объясняет Z-line streaming, наблюдаемое у пациентов с мутациями myotilin.

ZASP также располагается в Z-линии и соединяется с α-actinin¹¹⁰. Он преимущественно экспрессируется в скелетных и сердечной мышце и подобно nNOS и syntrophin он содержит PDZ мотивы¹¹⁰. Мутации в этих белках, которые являютя 'frontline' мышечных сокращений, т.е. в саркомере, вызывают MD. Одинаково с белками DAPC, сегдоня установлено, что саркомерные белки не только имеют важную структурную роль, но и выполняют сигнальную роль, такую как участие в пролиферации, слиянии, поддержании, регенерации и репарации мышечных клеток. Дефекты этих сигнальных функций скорее всего и вызывают MD.

How do nuclear proteins cause MD?

Каждое скелетно-мышечное волокно является мультиядерным, т.к. эти клетки происходят в результате слияния множества миобластов. Lamin A, lamin C, emerin и nesprin все они вносят вклад в ядерную мембрану и ядерную оболочку, которые связывают цитоскелет с внутренностью ядра, поддерживают физическую архитектуру ядра и функционируют как каркас для ядерных белков, которые участвуют в транскрипции, репликации ДНК и организации хроматина. Emerin и lamin A и C взаимодействуют др. с др. непосредственно, локализуются на внутренней ядерной мембране почти всех тканей и вызывают MD в мутантном состоянии^3,10.

Emerin is involved in differentiation. Хотя точная функция emerin ещё не выяснена, предполагается, что она связана со сборкой ядра, стабилизацией ядерной оболочки и регуляцией экспрессии генов¹¹¹. И emerin и lamin C д. соединяться с lamin A для корректной локализации ядерной оболочки¹¹². Большинство мутаций в гене emerin приводят к дефициту белка emerin¹¹³, что делает ядра более ломкими из-за дестабилизации периферической ядерной ламины¹¹⁴. Хотя emerin экспрессируется повсеместно, полная потеря emerin, по-видимому, зат рагивает только скелетные и сердечную мышцы. Почему мутации emerin избирательно затрагивают определенные органы пока неясно; однако, возможно. что ядерная оболочка мышечных клеток более чувствительна к отсутствию emerin, чем у др. типов клеток. Альтернативно, ещё могут быть не известны взаимодействия между emerin и др. мышце-специфическими белками, которые нарушаются только в мышцах или могут быть функционально сходные белки в не-поперечноисчерченных клетках, которые компенсируют отсутствие emerin. Т.к. мышечные ядра стойко выдерживают внешние физические воздействия во время сокращений, то механической разрушение из-за ослабления ламины скорее всего может быть патологической причиной этого типа MD. Emerin-нулевые мыши не имеют какого-либо внешнего проявления несмотря на аномальные количества retinoblastoma protein (Rb1) и MyoD¹¹⁵. Rb1 и MyoD регулируют мышечную дифференцировку и являются критическими для развития мышц. В результате emerin-нулевые мыши обнаруживают задержку в скорости как регенерации мышц, так и формирования мышечных трубок¹¹⁵. Эти находки показывают, что потеря emerin вызывает неэффективные реакции на сигналы к дифференцировке¹¹⁵.

Lamins are associated with many diseases. Lamins обеспечивают ядерную оболочку механической стабильностью за счёт формирования сети поддержек, ядерной ламины под внутренней ядерной мембраной. Как обсуждалось выше, LMNA (который кодирует lamin A и lamin C) является прекрасным примером того, как один и тот же мутантный ген может участвовать в спектре клинических фенотипов с изменениям в рангах возраста начала, тяжести и скорости прогрессирования. Следовательно, генотип-фенотипические корреляции между мутантным lamin A и lamin C и ткане-специфичностью болезни, которую они вызывают, ещё предстоит выяснить. Неизвестно, почему только определенные мышцы тела затрагиваются при некоторых заболеваниях, хотя причинный мутантный белок экспрессируется повсеместно. Возможным объяснением может быть то, что определенные мутации нарушают взаимодействия с партнерами по связыванию , которые обнаруживаются только в некоторых тканях (и, следовательно, только эти ткани будут затрагиваться) или напротив, что избранные ткани имеют компенсаторные белки, которые защищают эти определенные ткани от болезни. Точная причина различающихся фенотипов болезни неизвестна. При изучении микромассивов с использованием мышечных мРНК от пациентов с рядом нейромышечных нарушений было показано, что подобно emerin, мутации в LMNA приводят к нарушению взаимодействий между ядерной оболочкой и Rb1 и MyoD¹¹⁶. В подтверждение этой находки, снижение количеств MyoD и, следовательно, снижение потенциала дифференцировки, было обнаружено в миобластах, дефицитных по lamin A and lamin C¹¹⁷. Сходные профили экспрессии выявлены в этих двух исследованиях показывают, что два разных гена могут вызывать MD с помощью общего пути.

Conclusions

Several proteins of the skeletal-muscle fibre can produce one or more types of MD when mutated. A dystrophic phenotype can occur owing to expression of a mutant protein at the sarcolemma, the sarcomere, the nuclear membrane or the sarcoplasm. More than one gene can cause the same clinical disease and, furthermore, the same gene can produce a spectrum of MD phenotypes, as well as diseases that do not necessarily affect the musculature.

The field has moved forward from a belief that MDs are caused predominantly by absent or defective structural proteins to a realization that signalling molecules, enzymes and proteins involved in post-translational modifications, such as glycosylation, also cause MDs. The study of MD is leading to a better understanding of skeletal-muscle function through the analysis of muscle dysfunction. However, the causative mechanisms behind some MDs remain to be elucidated. Although no curative therapy is currently available for any of the MDs, immense progress is being made using several approaches (BOX 3). The more we improve therapeutic delivery systems and the more we understand about the protein network of the skeletal-muscle fibre, the better armed we shall be in the crusade against MD.

Molecular mechanisms of muscular dystrophies: old and new playersKay E Davies and Kristen J Nowak NATURE REVIEWS | MOLECULAR CELL BIOLOGY VOLUME 7 | OCTOBER 2006 |No 10, P.762-774| doi:10.1038/nrm2024

Molecular mechanisms of muscular dystrophies: old and new players
Kay E Davies and Kristen J Nowak
NATURE REVIEWS | MOLECULAR CELL BIOLOGY VOLUME 7 | OCTOBER 2006 |No 10, P.762-774| doi:10.1038/nrm2024