A New Perspective on Intercalated Disc Organization: Implications for Heart Disease

Adherens junctions and desmosomes are intercellular adhesive junctions and essential for the morphogenesis, differentiation, and maintenance of tissues that are subjected to high mechanical stress, including heart and skin. The different junction complexes are organized at the termini of the cardiomyocyte called the intercalated disc. Disruption of adhesive integrity via mutations in genes encoding desmosomal proteins causes an inherited heart disease, arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy (ARVC). Besides plakoglobin, which is shared by adherens junctions and desmosomes, other desmosomal components, desmoglein-2, desmocollin-2, plakophilin-2, and desmoplakin are also present in ultrastructurally defined fascia adherens junctions of heart muscle, but not other tissues. This mixed-type of junctional structure is termed hybrid adhering junction or area composita. Desmosomal plakophilin-2 directly interacts with adherens junction protein alphaT-catenin, providing a new molecular link between the cadherin-catenin complex and desmosome. The area composita only exists in the cardiac intercalated disc of mammalian species suggesting that it evolved to strengthen mechanical coupling in the heart of higher vertebrates. The cross-talk among different junctions and their implication in the pathogenesis of ARVC are discussed in this review.

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

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.