Titin ist mit 3,7 MDa das größte Protein in Säugetieren und bildet neben Aktin und Myosin das dritte Filamentsystem im Herz- und Skelettmuskel. Das Titinmolekül erstreckt sich von der Z-Scheibe über die I- und A-Bande bis zur M-Bande des Sarkomers. Der C-Terminus enthält eine Serin-Threonin- Kinasedomäne, die in Vertebraten hochkonserviert ist. Ziel dieser Arbeit war es die Funktion der Titinkinasedomäne und deren Rolle in der Signaltransduktion zu untersuchen. Dazu wurde ein skelettmuskelspezifischer und ein induzierbarer herzspezifischer KO der Titinkinaseregion verwendet. Im Skelettmuskel-KO wurde das verkürzte Titin korrekt in die Z-Scheibe und I-Bande integriert, nicht jedoch in die M-Bande des Sarkomers. Die Deletion der Titinkinaseregion führte zur Auflösung der Sarkomerstruktur zwischen dem 5. und 10. Tag nach der Geburt und zur Mislokalisation und Akkumulation von Proteinen des Zytoskeletts. Dies weist auf eine Rolle der Titin M-Bande in der Aufrechterhaltung der Sarkomerstruktur und des Zytoskeletts hin. Proteomanalysen zeigten, dass die Deletion der Titinkinaseregion eine Stressantwort im Skelettmuskel und im Herzen auslöst, die zur Akkumulation von Hitzeschockproteinen und Untereinheiten des 26S-Proteasoms führt. Unterschiede zwischen Titinkinaseregion-defizienten Herz- und Skelettmuskel konnten hingegen beim Metabolismus und der oxidativen Stressantwort detektiert werden. Die Akkumulation von Detoxifizierungsenzymen, sowie das Auftreten eines Cystein-modifizierten Proteins im Herzen, wiesen auf oxidativen Stress und erhöhte mechanische Belastung des Muskels in den Titinkinaseregion-defizienten Tieren hin. Diese könnte einerseits durch die Disassemblierung des Sarkomers verursacht werden oder andererseits auf eine gestörte Funktion des Titinmoleküls als Dehnungssensor zurückzuführen sein. Das postulierte Titinkinasesubstrat Tcap könnte diese Funktion vermitteln, war jedoch nur im KO-Skelettmuskel erhöht exprimiert, was auf unterschiedliche Signalwege der Titinkinase im Herzen und im Skelettmuskel hindeutet. Die Funktion von Titin im adulten Herzen wurde im Tamoxifen induzierbaren Titinkinaseregion-KO untersucht. Die adulten KO-Tiere entwickelten eine schwere Herzinsuffizienz mit kardialer Hypertrophie und ödematöser Lunge. Begleitend zur Hypertrophie war die Signaltransduktion durch PKCδ in den Titinkinaseregion-defizienten Tieren erhöht. Exprimente an isolierten Herzen zeigten, dass bereits vor Auftreten der Hypertrophie die kontraktile Funktion der KO Herzen eingeschränkt war, da diese weniger stark auf adrenerge Stimulation reagierten. Die reduzierte adrenerge Signaltransduktion in den Titinkinaseregion-KO-Tieren basierte auf Veränderungen im Ca2+ Stoffwechsel. Calcium-assoziierte Proteine, wie die sarkoplasmatische Ca2+-ATPase Serca2a und ihr Regulator Phospholamban, sowie Calmodulin 1 waren in den KO-Tieren runterreguliert. Damit konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass Titins M-Bande nicht nur die diastolischen, sondern auch die systolischen Eigenschaften des Herzens verändern kann.
Titin is the largest protein in mammals with a molecular weight of up to 3.7 MDa. It is considered the third filament in skeletal muscle and heart, along with actin and myosin. The titin molecule spans the half sarcomere from the Z-disc to the M-band. The C-terminus contains a serine/threonine kinase domain that is highly conserved in vertebrates. The aim of this study was to investigate the role of titin s kinase region in signal transduction using a striated muscle specific and an inducible cardiac specific titin kinase KO. In striated muscle, the truncated titin was integrated properly into the Z-disc and I-band, but failed to integrate into the M-band. The deletion of titin s kinase region caused disassembly of the sarcomere starting between day 5 and 10 after birth and mislocalization and accumulation of proteins of the cytoskeleton. This indicates a role of titin s M-band in maintaining sarcomere structure. The proteome analysis showed a stress response in titin kinase region KO animals, which includes the upregulation of heat shock proteins and components of the 26S-proteasome in skeletal muscle as well as in heart. Differences between titin M-band deficient skeletal and cardiac muscle related to metabolism and oxidative stress. The accumulation of enzymes involved in detoxification and a cystein modified cardiac protein indicated oxidative stress and increased mechanical strain in the skeletal muscle and hearts of titin kinase region-KO animals. This could either be due to sarcomere disassembly or related to the postulated stretch sensor function of titin. The postulated titin kinase substrate Tcap could mediate this function. Nevertheless, the protein level of Tcap was increased only in skeletal muscle but not in heart, indicating differences in titin kinase signaling in cardiac and skeletal muscle. To investigate the cardiac phenotype in the adult mouse, we used an inducible titin kinase KO model. The KO animals developed a cardiac hypertrophy and enlarged lungs (pulmonary edema) as a sign of severe heart failure. The hypertrophy involved increased PKCδ signal transduction in knockout hearts. Prior to cardiac hypertrophy a contractile phenotype with a reduced response to adrenergic stimulation of KO hearts could be detected in isolated heart experiments. This reduced adrenergic response was accompanied by altered Ca2+ homeostasis with decreased levels of calmodulin 1, the sarcoplasmic ATPase Serca2a as well as its regulator phospholamban. Here, we show for the first time that titin s M-band does not only determine the diastolic but also the systolic function of the heart.