Plectin im Skelettmuskel

Plectin ist der Prototyp eines Intermediärfilament (IF)-assoziierten Cytolinkerproteins. Es dient zur mechanischen Stabilisierung der Zelle sowie zur intrazellulären Signalübermittlung. Defekte im Plectingen rufen in den meisten Fällen die Hauterkrankung Epidermolysis bullosa-MD hervor, die zu gravierenden Hautschäden und progressiver Muskelschwäche führt. Unsere früheren Studien haben gezeigt, dass Plectin eine fundamentale Rolle bei der Erhaltung der Funktionsfähigkeit von Muskelfasern spielt, wobei auch Mitochondrien als Energie spendende Organellen betroffen sind. Ziel dieses Projekts ist es, die Rolle von Plectin als molekulare Plattform bei der Übertragung mechanischer Reize, bei der Skelettmuskelregeneration sowie bei der Regulation mitochondrialer Funktionen zu untersuchen. Als Versuchsobjekte sind Plectin-defiziente Mausmodelle sowie davon abgeleitete Zellkulturen und isolierter Muskel vorgesehen. Durch den kombinierten Einsatz genetischer, biochemischer, zellbiologischer, molekularer und physiologischer Methodik wird ein tieferes Verständnis darüber erwartet, wie das Cytoskelett des Skelettmuskels auf Stress unter normalen und pathologischen Bedingungen reagiert, bzw. wie sich geschädigter Muskel regeneriert. Das Projekt wird auch eine wichtige Grundlage zur Entwicklung von Therapien für muskuläre Dystrophie sein.

Plectin ist der Prototyp eines mit Intermediärfilamenten (IF) assoziierten Zytolinkerproteins. Durch Vernetzung und Verankerung des Zytoskeletts verstärkt es nicht nur die Zelle, sondern bildet auch eine Plattform und Andockstelle für Zytoskelett-Dynamik kontrollierende Signalproteine. Die häufigste durch Plectindefizienz hervorgerufene Erkrankung ist die mit starker Blasenbildung der Haut und Muskeldystrophie einhergehende Epidermolysis bullosa simplex(EBS)-MD. Unsere früheren Untersuchungen am Skelettmuskel legten die Vermutung nahe, dass Plectinisoformen für die Integrität der Myofasern entscheidend sind, da Plectindefizienz zu IF-Aggregation und Dysfunktion der Mitochondrien führt. Ziel dieses Projekts war eine mechanistische Definition jener Plectinfunktionen, die über Integration und mechanische Stabilisierung hinausgehen. Einer unserer Ansätze war es herauszufinden, ob Plectin Auswirkungen auf metabolische Vorgänge und Mechanotransduktion hat. Mit Hilfe genetisch veränderter mdx Mäuse, einem Tiermodell für Duchenne-Muskeldystrophie, gelang uns der Nachweis, dass P1f, die Costamer-assoziierte Plectinisoform, als lokaler Gegenspieler der Mikrotubuli (MT)- Netzwerkformation fungiert und dabei Vesikel-vermittelte MT-abhängige Transportprozesse wie Glukoseaufnahme behindert. Damit konnten wir zum ersten Mal beweisen, dass ein Zytolinkerprotein in metabolischen Prozessen, welche Basisfunktionen der Muskelfasern regeln, eine Rolle spielt. Weiters konnten wir aufzeigen, dass P1f bei der Ausbildung einer kontinuierlichen Achse zwischen extrazellulärer Matrix und Zellkern, mittels des Transmembran- Integrin Proteinkomplexes und des IF-Netzwerksystems, von ausschlaggebender Bedeutung ist. Untersuchungen an Fibroblasten und Myozyten-Zellkulturen ergaben, dass eine Unterbrechung dieser Achse, wie sie bei Plectinmangel auftritt, zu Störungen von Signalkaskaden führt, welche die Form, Polarisierung, Migration und Adhäsion von Zellen kontrollieren. Unsere Ergebnisse zeigten damit eine wichtige Rolle von Plectin bei Signaltransduktion und Wahrnehmung mechanischer Reize von Myofasern und verwandten Zelltypen auf. Ein zweiter Ansatz betraf die Rolle von Plectin bei der Regeneration von Skelettmuskelfasern. Dafür generierten wir konditionelle Plectin-knockout Mäuse (Pax7-Cre/cKO) mit dem Ziel, die Plectinexpression in Muskelvorläufer- und Regeneration-unterstützenden Satellitenzellen zu unterdrücken. Derart mutierte Mäuse wiesen ein/e um ca. 50% vermindertes Körpergewicht und Lebenserwartung auf, sowie Kyphosis und massiven Muskelschwund, was auf Entwicklungsstörungen und fehlerhafte Skelettmuskelregeneration hinwies. Weiters proliferierten Plectin-negative Vorläuferzellen schneller, was darauf schließen lässt, dass in mutierten Mäusen der Vorrat an Vorläufer/Satellitenzellen schneller aufgebraucht wird, verbunden mit Fibrose und beschleunigtem Muskelverschleiß. Weitere Merkmale dieser Mäuse waren Hypoglykämie, veränderte Muskelfasertypen und Mitochondrienaktivität, Glykogenaggregate und Aktivierung von Signalwegen, die Energie abbauende Vorgänge wie Proteinsynthese herabsetzen. Unsere Untersuchungen liefern erstmals den Beweis, dass Plectin Entwicklung-, Zellmetabolismus- und Regeneration-regelnde Signalwege beeinflusst, und so direkten Einfluss auf pathologische Erscheinungen nimmt. Unsere Untersuchungen deuten auch auf eine bisher unbekannte Rolle von Plectin zur Erhaltung der strukturellen Integrität von neuromuskulären Synapsen hin. Es ist abzusehen, dass die durch dieses Projekt ganz oder teilweise finanzierten Studien in Summe letztlich zu mehr als einem Dutzend wissenschaftlicher Originalarbeiten und mehreren Review/Perspektiven Artikel führen werden.