Titin forms a continuous filament along the myofibril and is essential for the development, the maintenance and the passive stiffness of the sarcomere. It contains the cardiac specific elastic N2B, and differentially spliced elastic PEVK region, as well as a titin kinase domain. Mutations of titin have been associated with severe cardiac and skeletal myopathies such as dilated cardiomyopathy (DCM) or hereditary myopathy with early respiratory failure (HMERF). To understand the role of titin’s functional domains in striated muscle health and disease, we created diverse knockout mice (KO). They demonstrated the importance of M band titin for the structural integrity of the sarcomere and the relation of the N2B and PEVK domains to cardiac trophic signaling and ventricular filling. To eliminate the holoprotein, we have generated a complete Titin knockout (TiEx2MCK) flanking the exon containing the ATG with lox sites and expressing the CRE recombinase in striated muscle. The comparison of the Z-disc to the M band KO mouse included phenotypic, morphologic, ultrastructural, transcriptomic and proteomic analyses. Both KO models developed a severe skeletal muscle atrophy caused by the disassembly of the sarcomere which led to a decreased body weight, strength endurance, and survival. The same sarcomere disassembly was present in cardiomyocytes of both models but led to the development of DCM in the TiEx2MCK KO whereas M band titin deficiency led to cardiac atrophy. These cardiac abnormalities can contribute to the decreased survival of the Z-disc KO animals. The proteomic analysis of both KO models revealed the differential expression of atrophy and hypertrophy associated proteins such as FHL2. We concluded that in both animal models, the skeletal muscle atrophy was caused by sarcomere disassembly, which also contributed to the cardiac phenotype. Additionally, titin’s N-terminus affects trophic signaling in the heart. This study validated titin’s role as an essential sarcomeric protein that does not only serve as an elastic scaffold, but also contributes to the regulation of striated muscle size.
Titin bildet ein kontinuierliches Filament entlang der Myofibrille und ist wichtig für den Aufbau, den Erhalt und die passive Steifheit des Sarkomeres. Das Protein enthält die herzspezifische elastische N2B Domäne und die differenziell gespleiβte PEVK-Region, sowie eine Kinase-Domäne. Titin- Mutationen können zu schweren Herz- und Skeletmuskel-Erkrankungen wie dilatative Kardiomyopahtie oder der hereditären Myopathie mit frühem respiratorischem Fehler (HMERF) führen. Um die Rolle der unterschiedlichen Titindomänen in Funktion und Erkrankung der gestreiften Muskulatur zu untersuchen, haben wir unterschiedliche Knockout Mausmodelle generiert. Diese demonstrierten die Relevanz der M Bande für die strukturelle Integrität des Sarkomeres und die Rolle der N2B- and PEVK Domänen in der kardialen trophischen Reizweiterleitung und der Füllung des Ventrikels. Um das Gesamtprotein zu entfernen, haben wir das ATG-Exon mit lox Rekombinationssequenzen flankiert und die Cre Rekombinase in gestreiftem Muskel exprimiert (TiEx2MCK). Der Vergleich der Z Scheiben- und M-Banden- Knockout- Maus umfasste phänotypische, morphologische, ultrastrukturelle, transkriptomische und proteomische Analysen. Beide KO-Modelle entwickelten eine schwere Skeletmuskelatrophie die durch eine Auflösung der Sarkomerstruktur verursacht wurde und zu Gewichtsverlust, reduzierter Kraftausdauer und hoher Mortalität führte. Die Auflösung der Sarkomerstruktur betraf gleichermassen Kardiomyozyten beider KO Modelle, führte jedoch zur Ausbildung einer DCM im TiEx2MCK KO und einer kardialen Atrophie bei titin M Banden Defizienz. Diese kardialen Veränderungen können zur erhöhten Mortalität der Z Scheiben KO Tiere beitragen. Die Analyse des Proteoms beider KO Modelle zeigte die differenzielle Expression von Atrophie- und Hypertrophy assoziierten Proteinen wie FHL2. Entsprechend scheint die Skeletmuskelatrophie vorwiegend durch den Zusammenbruch der Sarkomerstruktur ausgelöst zu werden, die ebenfalls zum kardialen Phänotyp beiträgt. Zusätzlich führt der Verlust des Titin N Terminus zu veränderter trophischer Signaltransduktion im Herzen. Diese Studie validierte Titins Rolle als essentielles Sarkomerprotein, welches nicht nur als elastisches Gerüst fungiert, sondern auch an der Regulation des Wachstums der gestreiften Muskulatur beteiligt ist.
