Funktionelle Charakterisierung von Plakophilin-2 und Desmoplakin im adulten Mausherz

Abstract

In Kardiomyozyten bilden Desmosomen zusammen mit den Adhärenzverbindungen den gemischten Typus der Area composita. Die Ausbildung der Area composita der kardialen Glanzstreifen ist ein spät postnataler Prozess. Plakophilin-2 (PKP2) und Desmoplakin (DSP) sind essenzielle Komponenten der Desmosomen, die das Intermediärfilamentsystem mit den desmosomalen Cadherinen verbinden. Ziel dieser Arbeit war es zu untersuchen, ob der Verlust von PKP2 bzw. DSP zur Dysfunktion der Desmosomen und somit zu einer gestörten Übertragung der Kontraktionskraft führt. Zur Überwindung der embryonalen Letalität der klassischen Knockout-Mausmodelle und zur Analyse der gewebe- und zeitspezifischen Funktion generierten wir konditionelle Pkp2- und Dsp- Knockout-Mauslinien und studierten die Konsequenzen der herzspezifischen Deletion in der adulten Maus. Sowohl der Knockout von Pkp2 als auch von Dsp verursacht eine progressive Herzinsuffizienz, eine gestörte elektrische Reizweiterleitung sowie den vorzeitigen Tod der Mäuse. Die untersuchten Herzen zeigen histopathologisch Zeichen einer Fibrose und Nekrose. Vorwiegend ist der rechte Ventrikel betroffen. Die Ablationen von Pkp2 und Dsp führen zur deutlichen Reduktion und Delokalisation desmosomaler Komponenten, im Besonderen von den desmosomalen Cadherinen. Während auf ultrastruktureller Ebene die Desmosomenzahl signifikant vermindert war, zeigte sich die Expression des Adhärenzverbindungsproteins N-Cadherin unverändert. Immunfluoreszenz-Analysen wiesen auf eine gestörte Bindung des Intermediärfilament-Proteins Desmin hin. Des Weiteren zeigen sich Hinweise auf eine Umgestaltung sowohl des mikrotubulären als auch des Aktin-Zytoskeletts. Indirekte Anzeichen wie die Reduktion des lateralen Adhäsionsverbindungsproteins Dystrophin und die Aktivierung kardialer Schutzmechanismen deuten auf eine gestörte Übertragung der Kontraktionskraft hin. Diese Studie offenbart erstmals die essenziellen, kardialen Funktionen von Pkp2 und Dsp in der adulten Maus. Der Verlust wichtiger Bestandteile der Desmosomen beeinflusst die Funktion des Intermediärfilament-Netzwerks in Längsrichtung. Vermutlich treten so vermehrt Kontraktions-induzierte Scherkräfte auf. Kompensationsmechanismen, wie der Ilk/Akt-Signalweg, die verstärkte Expression von ECM-Proteinen und zytoskelettalen Bestandteilen, die Aktivierung von protektiven Hitzeschockproteinen sowie die Aktivierung von Membranreparaturen, sind in der Lage die vitale Kardiomyozyten-Funktion über einen gewissen Zeitraum aufrechtzuerhalten. Wahrscheinlich ist die Kapazität dieser kompensatorischen Prozesse nach einer gewissen Zeit erschöpft, so dass es im weiteren Verlauf zu größeren Rupturen des Sarkolemms und zum nekrotischen Zelltod mit anschließendem fibrotischem Ersatz der Kardiomyozyten. Das Überschreiten einer kritischen Anzahl zugrunde gegangener Zellen führt zu Herzinsuffizienz, Arrhythmien und eventuell zum plötzlichen Herztod.

Desmosomes are colocalized with adhering junctions in the intercalated disc of cardiomyocytes, known as area composita. The formation of mature desmosomes with extended area composita structures in the heart is a late, primarily postnatal process. Plakophilin-2 (PKP2) and Desmoplakin (DSP) are obligate components of functional desmosomes connecting the desmosomal cadherin-complex to the cytoskeletal intermediate filament system. We hypothesize that loss of Pkp2 or Dsp results in impaired desmosome function which is followed by disturbed mechanotransduction. Embryonic mouse hearts null for Pkp2 or Dsp exhibit early lethality with multiple developmental abnormalities. To circumvent embryonic lethality and to investigate the biological function of these proteins in a time and tissue specific manner, we generated conditional Pkp2- and Dsp-Knockout-mice and studied the effects of their deletion in adult murine hearts. Ablation of Pkp2 or Dsp leads to progressive heart failure, electrical conduction abnormalities and early lethality with cardiac fibrosis and necrosis, predominantly affecting the right ventricle. Loss of these proteins results in reduction and dislocation of various desmosomal components, especially of desmosomal cadherins. At ultrastructural level a significant decreased number of desmosomes can be detected, whereas expression of the adherence junction protein n-cadherin is unchanged. Disturbed anchorage of desmin is followed by remodeling of the microtubular, intermediate filament and actin cytoskeleton and attenuation of the Z-discs associated protein dystrophin. Signs of enhanced sheer stress like initiation of survival pathways, indicating a disturbed mechanotransduction and insufficient mechanical coupling. For the first time, this study elucidates the essential, cardiac function of Pkp2 and Dsp in adult mice. In Pkp2 and accordingly in Dsp deficient animals mechanotransduction is compromised thereby increasing biomechanical stress, which can be initially compensated by the membrane repair, upregulation of heat-shock-proteins and activation of the integrin/Ilk/Akt pathway. We speculate that incremental mechanical strain is followed by exhaustion of membrane repair mechanisms and, subsequently, by loss of sarcolemmal integrity and by myocyte necrosis. Extensive loss of cardiomyocytes may lead to heart failure, arrhythmias and sudden cardiac death.