Muscle LIM Protein and Nesprin-1 in Mechanotransduction

Abstract

Striated muscle cells are constantly confronted with differing physical stimuli like changes in the stiffness of their surroundings, and stretch because of the movement of the muscles. Physical stimuli are translated into a biochemical signal by mechanotransduction. If mechanotransduction is disturbed in muscle cells and their precursors, cardiac or skeletal muscle diseases may develop. In this thesis, I studied three proteins that are participating in two different pathways of mechanotransduction. Muscle LIM Protein (MLP) is a small striated muscle specific cytoplasmic protein. When cardiomyocytes in 2D cell culture are stretched, MLP shuttles to the nucleus. Without shuttling MLP, isolated cardiomyocytes fail to respond to the stretch stimulus. Although several interaction partners of MLP are known, its overall function is not completely understood. Human patients with mutations in the gene coding for MLP develop cardiomyopathies and have a high risk of sudden cardiac death. Mice with a functional knock-out of MLP develop a phenotype similar to dilated cardiomyopathy in humans. I wanted to elucidate the role of MLP in these cardiomyopathies by expressing mutated MLP in isolated neonatal cardiomyocytes of mice without endogenous MLP (MLP-/- mice). I established cell culture of freshly isolated neonatal cardiomyocytes in 2D and 3D culture conditions and prepared viruses to transduce the isolated cardiomyocytes with mutated MLP. Surprisingly, I found that in 3D cultures of cardiomyocytes, MLP did not shuttle to the nucleus after stretching of the cells. Although I could not solve this issue during the time given, I prepared the setup for subsequent experiments in 2D. Nesprin proteins, together with SUN proteins, form a nuclear envelope-spanning protein complex, the LINC complex. Inside the nucleus, the LINC complex interacts with Emerin and Lamin proteins. Outside the nucleus, it binds different parts of the cytoskeleton. Thus, information can be carried from the cytoskeleton directly into the nucleus. A patient with congenital muscular dystrophy harboring a nonsense mutation in the gene coding for Nesprin-1 should express a truncated protein Nesprin1-ΔKASH lacking the SUN binding domain, probably disturbing the LINC complex. Nesprin1-ΔKASH was not present in isolated myoblasts from this patient. These cells displayed deformed nuclei and had defects in mechanosensitive responses similar to myoblasts from a second patient with congenital muscular dystrophy who lacks aminoacid K32 in A-type lamins (LMNA-ΔK32). When the cells were cultured on soft tissue culture dishes that resemble the stiffness of muscle fibers, both patient cell lines displayed an elevated level of stress fibers and focal adhesions, and the cells spread further than WT myoblasts in these conditions. I present data that this was not due to MLC kinase but because of activity of ROCK and SRC. A knockdown of the formin FHOD, a downstream target of ROCK and SRC, reduced the phenotype of ectopic stress fiber formation in the mutant cell lines. While it is hypothesized that mutations in Nesprin and Lamin proteins lead to a mechanical instability of the nuclear envelope, these results indicate that signalling pathways through the nuclear envelope are disturbed as well.

Quergestreifte Muskelzellen sind sich ständig ändernden physikalischen Stimuli wie Dehnung oder sich ändernder Festigkeit des sie umgebenden Gewebes konfrontiert. Der Prozess, mit dem diese physikalischen Stimuli in biochemische Signale übersetzt wird, heißt Mechanotransduktion. In dieser Dissertation wurden drei Proteine untersucht, die Teil von zwei verschiedenen Mechanismen der Mechanotransduktion sind. Muscle LIM Protein (MLP) ist ein kleines Protein, das spezifisch in quergestreifter Muskulatur vorkommt. MLP migriert vom Zytoplasma isolierter neonataler Kardiomyozyten in deren Zellkern, wenn die Zellen in 2D-Kulturen gedehnt werden. Wird dies verhindert, zeigen die Zellen keine Adaptation an den Stimulus. Obwohl einige Interaktionspartner von MLP bekannt sind, ist dessen Funktion insgesamt nicht vollständig verstanden. Patienten mit Mutationen in dem Gen, das für MLP kodiert, entwickeln Herzmuskelerkrankungen und sind der Gefahr des plötzlichen Herztodes ausgesetzt. Mäuse mit einem Knockout von MLP (MLP-/- Mäuse) entwickeln einen Phänotyp, der der Dilatativen Kardiomyopathie beim Menschen ähnelt. Ich wollte zeigen, dass MLP wegen der Mutationen der Patienten nicht mehr in den Zellkern transloziert und dies das Expressionsmuster der isolierten Kardiomyozyten nach Dehnung verändert. Ich etablierte die Kultur neonataler Kardiomyozyten in 2D und 3D Kulturbedingungen und bereitete Viren vor, die für verschiedene Mutationen von MLP kodierten, mit denen MLP-/- Kardiomyozyten transduziert werden sollten. Überraschenderweise translozierte MLP nie in den Zellkern von Kardiomyozyten, die in 3D- statt in 2D-Kulturen gedehnt wurden. Auch wenn ich in der gegebenen Zeit dieses Problem nicht vollständig lösen konnte, habe ich die notwendigen Methoden und Materialien für zukünftige Experimente in 2D etabliert. Zusammen mit SUN-Proteinen formen große Nesprin-Proteine den die Kernmembran überspannenden LINC-Komplex. Dieser interagiert mit Emerin und Lamin-Proteinen im Inneren des Zellkernes und ist im Zytoplasma mit den verschiedenen Bestandteilen des Zytoskelettes verbunden. Ein junger Patient, der aufgrund eines fälschlich kodierten Stopp-Codons ein verkürztes Nesprin-Protein (Nesprin1-ΔKASH) produziert, litt an angeborener Muskeldystrophie. Nesprin1-ΔKASH fehlt die Domäne, mit der das Protein mit SUN-Proteinen interagiert. Somit ist bei diesem Patienten vermutlich der LINC- Komplex nicht vollständig funktionsfähig. Während Nesprin1-ΔKASH in den Myoblasten des Patienten nicht exprimiert war, war die Lokalisation anderer, LINC assoziierter Proteine normal. Die Zellen hatten verformte Zellkerne und zeigten Defekte in der Reaktion auf verschiedene physikalische Stimuli. Dies ähnelte Myoblasten von Patienten, die Mutationen in Lamin-A/C hatten (LMNA- ΔK32 Myoblasten). Dies deutet darauf hin, dass Nesprin-1 und Lamin-A/C am gleichen Mechanismus der Mechanotransduktion beteiligt sind. Wenn die Myoblasten auf weichen Petrischalen, die die Festigkeit von Muskelgewebe imitierten, kultiviert wurden, entwickelten die Zellen beider Patienten verstärkt Stressfasern, die normalerweise nur auf harten Untergründen gebildet werden. Daten in dieser Dissertation zeigen, dass die Stressfasern wegen einer Überaktivität von ROCK und SRC gebildet wurden. Knock-down des Formin Proteins FHOD1, das von ROCK und SRC aktiviert wird, reduzierte den beobachteten Phänotyp bei beiden Zelllinien. Es wird bereits länger vermutet, dass Mutationen in Nesprin und Lamin Proteinen zu einer mechanischen Destabilisierung der Kernmembran führt. Die hier gezeigten Ergebnisse deuten darauf hin, dass nicht nur eine solche Destabilisierung vorliegt, sondern auch Signalwege, die durch die Kernmembran hindurch gehen, gestört sind.