Molekularne mechanizmy mutacji genów sarkomerowych w kardiomiopatii

Białka sarkomerowe stanowią podstawowy aparat kurczliwy kardiomiocytów, a mutacje w genach je kodujących są odpowiedzialne za znaczną część przypadków dziedzicznych kardiomiopatii¹. Szczegółowe badania mechanizmów funkcjonalnych ujawniły, że charakterystyczne zmiany funkcjonalne wywołane przez mutacje związane z chorobą są ściśle powiązane z typami klinicznymi kardiomiopatii².

Główne białka sarkomerowe i ich mutacje

Mutacje w białkach sarkomerowych są szczególnie istotne w kardiomiopatii restrykcyjnej, stanowiąc około 30% wszystkich przypadków. Obejmują one kluczowe białka: TTN (titin), MYH7 (ciężki łańcuch miozyny 7), MYH6 (ciężki łańcuch miozyny 6), TNNT2 (troponina T2), tropomiozyna 1 (TPM1) oraz troponina C1 (TNNC1)¹. Te mutacje zakłócają właściwości mechaniczne i zdolność mięśnia do kurczenia się i rozluźniania poprzez sygnalizację wapniową w szlakach mechanotransdukcji¹.

Białko titin i jego znaczenie patogenetyczne

Białko titin (TTN) jest największym białkiem w organizmie człowieka i odgrywa kluczową rolę w mechanice sarkomerów. Szczegółowy mechanizm sygnalizacji mechanotransdukcji kierowanej przez TTN był badany w najnowszych studiach nad kardiomiopatią¹. Dysfunkcja białka titin indukuje również defektywną transmisję siły i transdukcję¹.

Mutacje obcinające w genie TTN są najczęstszą genetyczną przyczyną niewydolności serca³. Pełnej długości TTN jest zmniejszone w sercach z kardiomiopatią rozstrzeniową związaną z TTNtv w porównaniu z sercami z DCM niezwiązaną z TTNtv, a obcięte białka TTN wykazano, że włączają się do sarkomerów u pacjentów z DCM³. Defekty białka titin mogą być odpowiedzialne za zaburzenia sarkomerogenezy w kardiomiopatii rozstrzeniowej⁴.

Miozyna sercowa i mechanizmy hiperkontrakcji

Mutacje w genie kodującym miozyny sercowej stanowią około 40% wszystkich mutacji związanych z kardiomiopatią przerostową⁵. Badania wykazały, że wiele mutacji związanych z kardiomiopatią przerostową, chociaż występują w różnych punktach sekwencji genu miozyny, często wpływają na aminokwasy na tej samej powierzchni zewnętrznej krawędzi złożonego białka⁵⁶.

Te zmiany molekularne modyfikują cząsteczkę miozyny w sposób, który „wywabia” ją z jej pozycji spoczynkowej, podobnej do „śpiącego flaminga”. Zmieniona preferencja posturalna z kolei uniemożliwia cząsteczce miozyny spędzanie wystarczającej ilości czasu w stanie spoczynku, co zbiorowo powoduje stały nadmiar w wydajności mocy mięśnia serca⁵⁶.

Mechanizmy dysfunkcji związane z wrażliwością na wapń

Zwiększona i zmniejszona wrażliwość na Ca2+ kurczenia mięśnia są związane odpowiednio z kardiomiopatią przerostową (HCM) i rozstrzeniową (DCM)². Wstępna analiza zmian funkcjonalnych spowodowanych przez mutacje MYH7 wykazała, że wytwarzanie siły kurczliwej było zmniejszone w obecności mutantowych ciężkich łańcuchów miozyny⁷.

Odkrycie mutacji TNNI3 związanych z HCM w domenie hamującej kurczenie sugerowało, że zmniejszona moc może nie być powszechną zmianą funkcjonalną spowodowaną przez mutacje elementów kurczliwych⁷. Należy zauważyć, że leki lub chemikalia zwiększające wrażliwość na Ca2+ mogą być skuteczne w zapobieganiu niewydolności serca u modeli myszy niosących mutację TNNT2 związaną z DCM⁸.

Zaburzenia struktury sarkomerów

Ponieważ zwiększone napięcie pasywne było związane ze zwiększoną wrażliwością na Ca2+, spekulowano, że nieprawidłowość związana z HCM zarówno w elementach dysku Z, jak i elementach kurczliwych może powszechnie skutkować zwiększoną wrażliwością na Ca2+ mięśnia sercowego⁸. Luźny sarkomer jest widoczny w zwierzęcym modelu DCM, myszy z nokautem CSRP3 (MLP), w której dysk Z był szeroki, a odpowiedź na rozciągnięcie była upośledzona⁸.

Mechanizmy specyficzne dla kardiomiopatii przerostowej

Z metabolicznego punktu widzenia mutacje w białkach sarkomerowych generalnie zwiększają aktywację miofilamentów i skutkują hiperkontrakcją miocytów oraz nadmiernym zużyciem energii z powodu wyższej (nieproporcjonalnej) aktywności mitochondrialnej⁹. Upośledzenia mitochondrialne w sercowym aparacie wyczuwania energii, a także zmiany w obsłudze wapnia skutkują stymulacją szlaków sygnałowych, które przyczyniają się do nieprawidłowości relaksacji miocytów i wzrostu⁹.

Te procesy prowadzą do aberracyjnych nieprawidłowości architektury tkanek, takich jak dezorganizacja miofibrylarna i zwłóknienie miokardium⁹. Precyzyjne mechanizmy, przez które warianty sarkomeru skutkują fenotypem klinicznym, nie zostały w pełni zrozumiane, ale mutantowe geny sarkomeru wywołują kilka zmian miokardialnych, prowadzących do przerostów i zwłóknienia⁹.

Białka desmosomowe w kardiomiopatii arytmogennej

Pięć ustalonych genów powodujących chorobę w ARVC koduje białka desmosomowe (plakoglobina, desmoplakina, plakofylina-2, desmogleina i desmokollina w chorobie autosomalnej dominującej oraz plakoglobina i desmoplakina w chorobie autosomalnej recesywnej)¹⁰. Upośledzona funkcja desmosomów pod wpływem stresu mechanicznego powoduje odłączenie miocytów i śmierć komórek¹⁰.

Uszkodzenie miokardium może być połączone z zapaleniem, a obecność autoprzeciwciał skierowanych przeciwko elementom dysku wstawkowego jest zgodna z udziałem immunologicznym/autoimmunologicznym¹⁰. To rodzi pytanie, czy zapalenie przyczynia się do progresji choroby, czy reprezentuje początkową fazę procesu naprawczego, który ostatecznie skutkuje zwłóknieniowo-tłuszczowym zastąpieniem uszkodzonych miocytów¹⁰.

Fosfolamban i mechanizmy kardiomiopatii rozstrzeniowej

Kilka mutacji zidentyfikowanych w fosfolambanie (PLN) zostało powiązanych z rodzinną kardiomiopatią rozstrzeniową i niewydolnością serca¹¹. Mutacje w PLN związane z DCM obejmują R9C, R9H, R9L, R14, R14I i I18T¹¹. Struktury zespołów PKA-fosfolamban, w połączeniu z wynikami innych badań biofizycznych i biochemicznych, ujawniają wspólny mechanizm choroby: mutacje w PLN zmniejszają jego poziom fosforylacji poprzez zmianę jego konformacji i osłabienie interakcji z PKA¹¹.

Niższe poziomy fosforylacji PLN w komórkach serca prowadziłyby do większego hamowania SERCA, zmniejszając kurczliwość mięśnia sercowego i szybkość relaksacji¹². Podczas gdy wydajność katalityczna PKAc z PLN R9C zmniejsza się tylko około dwukrotnie, odpowiadająca zmiana poziomu fosforylacji PLN może być zgodna z względnie łagodnymi objawami DCM¹².

Współczesne podejścia terapeutyczne

Zrozumienie mechanizmów molekularnych mutacji sarkomerowych otwiera nowe możliwości terapeutyczne. Identyfikacja mechanizmów molekularnych leżących u podstaw kardiomiopatii przerostowej jest niezbędna do określenia, które mutacje cMyBP-C powodują chorobę¹³. Wykorzystując zaawansowane techniki biofizyczne oparte na mikroskopii sił atomowych, zespoły badawcze wykazały, że niektóre mutacje powodujące chorobę w cMyBP-C wywołują defekty we właściwościach mechanicznych białka, które mogą zmienić funkcję kurczliwą kardiomiocytów u pacjentów z HCM¹³.