Molekulare Mechanismen der Plectin-Muskeldystrophie

Plectin, ein überaus vielseitiges Zytolinker-Protein, verbindet Intermediärfilamente (IF), elementare strukturelle Bestandteile des zellulären Zytoskeletts, miteinander und verankert sie an strategisch wichtigen Stellen in der Zelle. Mutationen im humanen Plectin-Gen (PLEC) führen zu Epidermolysis bullosa simplex mit Muskeldystrophie (EBS-MD), einer Erkrankung, die schmerzhafte Blasenbildung der Haut sowie Muskelschwäche hervorruft. Darüber hinaus können PLEC Mutationen EBS-MD mit einem myasthenischen Syndrom, EBS mit Pylorusatresie, oder Gliedergürtelmuskeldystrophie Typ 2Q verursachen. EBS-Ogna wird durch die bisher einzige dominante Plectin-Mutation verursacht, eine Erkrankung, bei der die Patienten unter empfindlicher Haut mit Blasenbildung leiden, aber ohne muskuläre Beteiligung. In Muskelproben von Plectinopathie-Patienten zeigen sich pathologische Aggregate von IF-Proteinen, degenerative Veränderungen an den Myofibrillen, und mitochondriale Veränderungen. Anhand dieser gemeinsamen Merkmale kann man die Plectinopathien auch zu einer stark wachsenden Gruppe von Muskelerkrankungen zuordnen, den Myofibrillären Myopathien (MFM). Alle MFM sind schwere Erkrankungen, die zu massiven körperlichen Beeinträchtigungen führen, bis hin zum frühzeitigen Tod der Patienten. Die genauen molekularen Mechanismen, die von einer Mutation in einem MFM-Gen zur Entwicklung einer massiven Muskelschwäche führen, sind bisher kaum erforscht. Genaueres Wissen über diese Mechanismen ist aber essentiell, um die Bedürfnisse der Patienten zu verstehen und für die Entwicklung von Behandlungsansätzen. Im Skelettmuskel ist vor allem die Interaktion zwischen Plectin und dem Desmin IF-Netzwerk essentiell für die strukturelle Integrität der Muskelfasern. Demzufolge führt eine Beeinträchtigung dieses Netzwerks zu einer erhöhten mechanischen Verletzlichkeit, was vermutlich die Grundlage bei MFM ist. Veränderte intrazelluläre Signalwege und Protein-Abbaumechanismen spielen hier wahrscheinlich ebenfalls eine wichtige Rolle. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes sollen die molekularen Mechanismen, die in der Plectin-abhängigen MFM zur Muskelschwäche führen, untersucht werden, mit einem besonderen Fokus auf die Auswirkungen auf das IF-Netzwerk und Protein- Abbaumechanismen. In Experimenten zur Wiederherstellung von beeinträchtigten Abbauwegen sollen die Grundsteine für spätere Therapiemöglichkeiten für Patienten gelegt werden. Darüber hinaus wird im Rahmen dieser Studie zum ersten Mal eine dominante Plectinopathie untersucht, die den Muskel, nicht jedoch die Haut betrifft eine bisher unbekannte Variante in dieser wachsenden Gruppe von Erkrankungen. Mit einer Kombination aus molekular- und zellbiologischen Methoden sowie biochemischen und biophysikalischen Ansätzen sollen in diesem Projekt neue Erkenntnisse gewonnen werden, wie der Skelettmuskel mit besonderen Beanspruchungen umgeht, sowohl unter normalen Bedingungen als auch bei einer Erkrankung. Als Modellsysteme werden dazu mutierte Mauslinien verwendet, denen entweder Plectin oder das Muskel-IF-Protein Desmin fehlen, aus diesen Mäusen gewonnene Muskel-Zellkulturen, sowie Proben von Patienten-Muskeln. Die Ergebnisse aus diesen Untersuchungen werden uns helfen, die aufeinanderfolgenden molekularen Abläufe zu verstehen, die in Plectinopathien, aber auch in anderen MFM, zur Ausbildung von Muskelschwäche führen.

Plectin, ein multifunktionales Zytoskelett-Linkerprotein, vernetzt Intermediärfilamente (IFs), wesentliche Strukturelemente des Zytoskeletts, miteinander und verankert sie an Stellen von strategischer Bedeutung für die Organisation und Funktion von Zellen. Mutationen im menschlichen Plectin-Gen (PLEC) verursachen Epidermolysis bullosa simplex mit Muskeldystrophie (EBS-MD), eine blasenbildende Erkrankung der Haut, die mit fortschreitender Muskelschwäche einhergeht. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass PLEC-Mutationen zu EBS-MD mit myasthenischem Syndrom (EB-MD-MyS), EBS mit Pylorusatresie (EB-PA) oder Gliedergürtel-Muskeldystrophie Typ 2Q (LGMD2Q), Haut-spezifische EBS, sowie zur autosomal-dominanten Variante EBS-Ogna führen. Da Plectin-defiziente Muskeln pathologische Proteinaggregate, degenerative Veränderungen der Myofibrillen und mitochondriale Anomalien aufweisen, können die meisten Plectinopathien der wachsenden Gruppe der myofibrillären Myopathien (MFM) zugeordnet werden. MFM zeigen einen progressiven klinischen Verlauf, der zu schwerer körperlicher Beeinträchtigung und zum vorzeitigem Tod führt. Das Wissen über die genauen molekularen Mechanismen, die MFM-verursachende Genmutationen in den myopathischen Phänotyp umwandeln, ist jedoch begrenzt, aber entscheidend für das Verständnis der Bedürfnisse der Patienten und die Entwicklung von Behandlungen. In diesem Projekt haben wir uns mit der molekularen Pathophysiologie von Plectin-defizienten Muskeln befasst und einen präklinischen Behandlungsversuch für Plectinopathien durchgeführt. Unsere Studien zur Pathologie der Skelettmuskulatur haben gezeigt, dass die Ablation von Plectin eine komplexe Pathologie verursacht, die vor allem das extrasarkomerische Desmin-IF-Zytoskelett betrifft, und anschließend zu beeinträchtigter Ausrichtung und Orientierung der Myofibrillen sowie der biomechanischen Stressresistenz der Muskelfasern führt. Bemerkenswert ist, dass eine bestimmte Plectin-Isoform, nämlich Plectin 1d (P1d), spezifisch Desmin-IFs an die Z-Scheiben in Myofibrillen bindet und als Gerüstplattform für die Chaperon-unterstützte selektive Autophagie-Maschinerie (CASA) fungiert, indem sie direkt mit HSC70 und Synpo2 interagiert. Hier identifizierte unsere Forschung eine spezifische Rolle von P1d bei der spannungsinduzierten Proteolyse, die bei hoher körperlicher Belastung und Muskelkontraktion aktiviert wird. Darüber hinaus stellten wir fest, dass der autophagische Flux in den Skelettmuskeln von EBS-MD-Patienten, Mäusen mit Plectin-Defizienz, und Plectin-defizienten Myoblasten erheblich beeinträchtigt war, was darauf hindeutet, dass die charakteristische Anreicherung von Desmin im EBS-MD-Skelettmuskel auf einen beeinträchtigten Proteinumsatz zurückzuführen ist. Die Behandlung von Plectin-defizienten Mäusen mit einer autophagiefördernden Substanz ergab eine moderate Verbesserung ihrer Muskelfunktion. Als Erweiterung unseres ursprünglichen Arbeitsplans haben wir pathogene Effekte in dermalen Fibroblasten von EBS-MD-Patienten untersucht und dabei die Rolle von Plectin bei der IF- und Organellenmorphologie, Zellmigration und -adhäsion hervorgehoben. Insgesamt lieferte unser Projekt wesentliche neue Einblicke in die molekulare Pathophysiologie der Plectin-bedingten MFM und ebnete darüber hinaus den Weg für neue Therapieansätze zur Behandlung von Plectinopathien.