This study aimed at elucidating molecular pathways behind muscular dystrophies, inherited disorders causing progressive weakness and loss of skeletal muscle, with the perspectives of demonstrating the pathogenicity of newly identified mutations, understanding the biology of muscle diseases, and finding options for their treatment.
Tibial muscular dystrophy (TMD) and limb-girdle muscular dystrophy type 2J (LGMD2J) are caused by mutations in the C-terminal (M-band) part of the sarcomeric protein titin, whereas LGMD2A results from mutations in the muscle-specific protease calpain 3 (CAPN3). In yeast two-hybrid studies aiming at identifying proteins secondarily affected in the diseases, the multifunctional TRIM-related protein myospryn (CMYA5) was identified as a novel binding partner for both M-band titin and CAPN3. The interactions were confirmed by coimmunoprecipitation, and localization of myospryn at the M-band level was supported by multiple methods. Coexpression studies identified myospryn as a proteolytic substrate for CAPN3, and suggested that myospryn may attenuate its autolytic activation. The biological role of the titin myospryn interaction remained unresolved, and the mouse model of TMD/LGMD2J showed normal myospryn localization. However, since the TMD/LGMD2J mutations disrupt the myospryn binding site in titin, they are likely to have a downstream functional effect on myospryn.
LGMD1D is caused by dominant mutations in the ubiquitous co-chaperone DNAJB6. LGMD1D muscle showed a myofibrillar pathology, with cytoplasmic accumulations of DNAJB6, aggregated Z-disc-associated proteins, and autophagic rimmed vacuoles. Expression of DNAJB6 constructs in zebrafish embryos confirmed a toxic effect of the mutant cytoplasmic DNAJB6b isoform, and cell culture studies demonstrated a slower turnover and impaired anti-aggregation activity of mutant DNAJB6. Protein interaction studies indicated an association of DNAJB6 with the chaperone-assisted selective autophagy (CASA) pathway, and a modulatory effect of BAG3 on DNAJB6 pathogenicity in zebrafish suggested that CASA has active role in the pathogenesis of LGMD1D.
Welander distal myopathy (WDM) results from a dominant mutation in the prion-related domain (PRD) of the RNA-binding protein TIA1, a regulator of splicing and translation, and a component of stress granules (SGs). RT-PCR analysis of selected TIA1 target genes did not show splicing changes in WDM muscle, suggesting that the pathogenesis does not involve extensive mis-splicing. IF microscopy revealed accumulation of TIA1 and other SG proteins in WDM muscle, while image analysis of transfected cells, and fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) studies indicated a mild increase in the SG-forming propensity of mutant TIA1. These findings suggest that increased aggregation of the TIA1 PRD causes muscle pathology in WDM, either directly through inappropriate protein aggregation or indirectly by compromising cellular metabolism.Lihasrappeumat ovat perinnöllisiä sairauksia, jotka johtavat luurankolihasten etenevään heikkouteen ja surkastumiseen. Ne aiheutuvat geenivirheistä useissa lihassyyn rakenneosissa, ja monet sairauteen johtavista molekyylitason mekanismeista tunnetaan huonosti. Tässä väitöskirjassa tutkittiin joidenkin lihasrappeumien tautimekanismeja, tavoitteena osoittaa tunnistettujen geenivirheiden patogeenisuus sekä ymmärtää lihastautien molekyylibiologiaa, esimerkiksi hoitojen kehittämistä ajatellen.
Suomalaiseen tautiperintöön kuuluvat tibiaalinen lihasdystrofia (TMD) ja hartia-lantiotyypin lihasrappeuma 2J (LGMD2J) aiheutuvat virheistä titiinissä, sarkomeerien keskeisessä rakenne- ja säätelyproteiinissa. Tutkimuksessa tunnistettiin titiinin viallisen osan sitoutumiskumppaniksi myospryyni (myospryn, CMYA5), joka toimii solun kalvoliikenteessä ja viestinvälityksessä.
TMD/LGMD2J-hiirimallin lihaksessa ei havaittu poikkeavaa myospryynin sijoittumista, mutta toiminnallinen vaikutus myospryyniin on todennäköinen. Myospryyni tunnistettiin myös LGMD2A-lihasrappeuman taustalla olevan kalpaiini 3 proteaasin substraatiksi ja mahdolliseksi säätelijäksi. Kuvatut proteiinivuorovaikutukset lisäävät lihaksen molekyylibiologian perustuntemusta ja voivat jatkossa auttaa TMD/LGMD2J- ja LGMD2A-tautien synnyn ymmärtämisessä.
Hartia-lantiotyypin lihasrappeuma 1D (LGMD1D) aiheutuu proteiinien laadunvalvontakoneistoon kuuluvan kaitsijaproteiini DNAJB6:n geenivirheistä, joiden seurauksena lihassyihin kertyy proteiinisakkautumia. DNAJB6:n virheellisen muodon todettiin aiheuttavan lihastautia seeprakalan alkiossa tuotettuna, mikä sopii yhteen LGMD1D:n vallitsevan periytymismallin kanssa. Soluviljelmissä havaittiin, että geenivirheet hidastavat DNAJB6:n hajotusta sekä haittaavat kaitsijaproteiinin kykyä estää proteiinien aggregaatiota. Tutkimuksissa onnistuttiin myös vahvistamaan DNAJB6:n epäilty vuorovaikutus hiljattain kuvatun ja lihaksen toiminnalle tärkeäksi todetun CASA-mekanismin (chaperone-assisted selective autophagy, kaitsijaproteiiniavusteinen selektiivinen autofagia) kanssa sekä saatiin viitteitä tämän autofagiareitin suorasta osallisuudesta LGMD1D:n synnyssä.
Ruotsissa ja Suomessa melko yleinen Welanderin distaalinen myopatia (WDM) aiheutuu geenivirheistä TIA1:ssä, joka on lähetti-RNA:n silmukoinnin ja proteiinitranslaation säätelijä sekä soluihin stressitilanteissa muodostuvien stressijyvästen (stress granule) rakenneosa. Tutkittujen TIA1:n kohdegeenien silmukoinnissa ei todettu muutoksia WDM-lihaksessa. Sen sijaan lihasnäytteissä nähtiin TIA1:n ja muiden proteiinien kasaumia, ja soluviljelmissä tehdyissä toiminnallisissa kokeissa havaittiin virheellisen TIA1:n muodostavan stressijyväsiä hieman normaaliproteiinia tehokkaammin. Tulosten perusteella WDM vaikuttaa siis johtuvan poikkeavasta stressijyväsproteiinien käyttäytymisestä, joka on viime aikoina havaittu merkittäväksi ilmiöksi myös hermorappeumasairauksien synnyssä
