Refine
Document Type
- Doctoral Thesis (4)
Has Fulltext
- yes (4)
Is part of the Bibliography
- no (4)
Keywords
- Calcium (4) (remove)
Institute
- Institut für Pathophysiologie (4) (remove)
Der TRPV4 ist Mitglied einer Gruppe nicht selektiver Kationenkanäle und gehört der Transient-Rezeptor-Potential-Vanilloid Familie an. Neben seiner Bedeutsamkeit für die zelluläre Calciumhomöostase besitzt der Kanal auch eine Permeabilität für Mg2+ und Na+. Im Rahmen dieser Dissertation wurden die Veränderungen der intrazellulären Calciumkonzentrationen in untransfizierten und in TRPV4 transfizierten HEK293 Zellen mit dem Calcium-Imaging Verfahren gemessen.
Untersucht wurde der Unterschied der Fluoreszenzratio in Ruhe von untransfizierten und TRPV4 transfizierten HEK293 Zellen, sowie der Einfluss von TRPV4-Agonisten, TRPV4-Antagonisten und des Spinnentoxins GsMTx4 auf die Calciumhomöostase von untransfizierten und TRPV4 transfizierten HEK293 Zellen.
Es konnte nachgewiesen werden, dass ein Großteil der TRPV4 transfizierten HEK293 Zellen durch eine Überexpression des Kanals, im Vergleich zu untransfizierten HEK293 Zellen, eine deutlich erhöhte Fura-2-Fluoreszenzratio im Sinne eines erhöhten intrazellulären Calciumspiegels [Ca2+]i aufwiesen. Dabei zeigten sich die transfizierten HEK293 Zellen in ihrer Fluoreszenzratio variabel. Sie reichte von nahezu physiologischen Werten, wie sie bei untransfizierten HEK293 Zellen (Fura-2-Fluoreszenzratio etwa 0,4) zu beobachten sind, bis hin zu deutlich erhöhten Werten (Fura-2-Fluoreszenzratio bis >2).
Mit den verwendeten selektiven TRPV4-Blockern GSK2193874 und HC067047 konnte die Fura-2-Fluoreszenzratio mit und ohne vorherige TRPV4-Aktivierung gesenkt werden. Auch in Zellen mit einem deutlich erhöhten Ca2+-Spiegel konnte dieser nahezu auf seinen physiologischen Ruhelevel gesenkt werden.
Die Fura-2-Fluoreszenzratio von TRPV4 transfizierten HEK293 Zellen ohne vorherige Aktivierung konnte durch GsMTx4 konzentrationsabhängig gesenkt werden. Bei einer Konzentration von 1µM GsMTx4 war eine relativ geringe, bei 5µM GsMTx4 eine deutliche Absenkung zu beobachten.
Nach Aktivierung des TRPV4 durch einen Agonisten konnte das Spinnentoxin GsMTx4 in konzentrationsabhängiger Weise die zellulären Ca2+-Level reduzieren. Bedingt durch seine nicht selektive Wirkung, führt GsMTx4 bei untransfizierten HEK293 Zellen zu einem gewissen Anstieg der Fluoreszenzratio. Dieser Effekt konnte allerdings durch die Zellen kompensiert werden. Welche zelleigenen Mechanismen dies ermöglichten, könnte Gegenstand weiterer Untersuchungen sein.
Das Spinnentoxin GsMTx4 hat in TRPV4 transfizierten HEK293 Zellen, in Abhängigkeit seiner Konzentration und einer vorherigen Aktivierung, einen Einfluss auf den intrazellulären Calciumspiegel [Ca2+]i. Bei einer Überexpression des Kanals kommt es zu einer gestörten Calciumhomöostase. Im Hinblick auf den Pathomechanismus von Erkrankungen, welche mit einem erhöhten intrazellulären Calciumspiegel einhergehen, ist eine Beteiligung des TRPV4 durchaus vorstellbar.
Die Muskeldystrophie Duchenne wird X-chromosomal vererbt und ist die häufigste Muskelerkrankung im Kindesalter. Ursächlich ist eine Mutation im Dystrophin-Gen auf der Position Xp21. Einer der Hauptfaktoren für die Krankheitsentstehung ist die intrazelluläre Ca2+-Überladung der Dystrophin-defizienten Muskelzellen. Diese resultiert vermutlich aus einem gesteigerten Ca2+-Einstrom in die Dystrophin-defiziente Muskelzelle über spezifische Kationenkanäle. Zunehmend in Betracht gezogen werden hier die TRP- (transient receptor potential) Kanäle. Ziel dieser Arbeit war es, mittels molekularbiologischer Methoden, ausgewählte TRP-Kanäle zu untersuchen. Es sollten diejenigen Ca2+-Kanäle identifiziert werden, denen bei der Muskeldystrophie Duchenne eine pathogenetische Bedeutung zukommt. Dies soll zukünftig eine gezielte pharmakologische Interventionsmöglichkeit zur Behandlung der Muskeldystrophie Duchenne eröffnen. Zu diesem Zweck wurden Myozyten (immortalisierte Dystrophin-positive IMO-Zellen und Dystrophin-negative IMORTO-MDX- oder SC-5 Zellen) während der Muskelzellproliferation und -differenzierung betrachtet. Die mRNA-Expressionen der TRP-Kanäle TRPC3, TRPC6, TRPM4, TRPM7 und TRPV4, die intrazellulären Lokalisationen von TRPC3, TRPC6, TRPM7 und TRPV4 sowie die Protein- Expression von TRPC3 wurden bestimmt. Ferner wurde die Abhängigkeit der Expression von TRPC3, TRPM4 und TRPV4 von unterschiedlichen externen Ca2+- Konzentrationen in beiden Zelllinien untersucht. Während der Muskelzelldifferenzierung stiegen die mRNA-Expressionen von TRPC3 und TRPM4 sowohl in den SC5- als auch in den IMO-Zellen an. TRPC3 wurde darüber hinaus in den IMO-Zellen am Ende des Differenzierungszeitraumes im Myotubenstadium signifikant mehr exprimiert als in den SC-5-Zellen. TRPC3 war vornehmlich intrazellulär lokalisiert, eine Plasmamembranständigkeit in den SC-5 Zellen ist nicht auszuschließen. Für TRPC6 konnte auf mRNA-Ebene in beiden Zelllinien eine vergleichbare Expression während der Proliferation detektiert werden. Während der Differenzierung stieg die Expression von TRPC6 in den SC-5-Zellen an, fiel jedoch in den IMO-Zellen ab. TRPC6 könnte somit als Marker der Muskeldystrophie fungieren. Die Lokalisation von TRPC6 scheint in den SC-5-Zellen sowohl perinukleär als auch sarkolemmal vorzuliegen. Die Expression von TRPM7 stieg in den IMO-Zellen während der Differenzierung, blieb hingegen in den SC-5-Zellen aus. Für TRPV4 konnten keine Expressionsunterschiede det ektiert werden. Die Ergebnisse sprechen für eine Beteiligung der Kanäle TRPC3, TRPC6 und TRPM7 an der Pathogenese der Muskeldystrophie Duchenne. Sie könnten als pharmakologische Angriffspunkte in der Therapie der Duchenne-Muskeldystrophie in Betracht kommen und sollten daher weiter untersucht werden.
Zum Einfluss des Kationenkanals TRPV4 auf Kontraktionsverhalten und Ermüdung von Maus-Skelettmuskeln
(2012)
Diejenigen Mechanismen, welche innerhalb der skeletalen Myozyten zur Kontraktion und Kraftentfaltung führen, sind heute, bis auf wenige verbleibende Mysterien, sehr gut verstanden. In der Hauptsache werden zu den relevanten Membranproteinen, die im Exzitations- und Kontraktionsgeschehen der Myozyten von Bedeutung sind, der sarkolemmale Dihydropyridinrezeptor sowie der sarkoplasmatische Ryanodinrezeptor gezählt - nicht aber TRP-Ionenkanäle. Diese werden hingegen u.a. mit der Sensorik von Geschmack, Temperatur, Osmolarität, Nozizeption sowie taktiler Reize in Verbindung gebracht. TRP-Ionenkanäle werden ubiquitär exprimiert. Ihre Existenz innerhalb des Sarkolemms von Myozyten, sowohl vom glatten als auch vom quergestreiften Typus, ist belegt. Die belgische Gruppe um Nadège Zanou, Georges Shapovalov und Phillip Gailly publizierten Hinweise, die darauf hindeuten, dass ein spezieller kanonischer TRP-Ionenkanal, der TRPC1, möglicherweise eine Rolle im Kontraktionsgeschehen der quergestreiften Myozyten spielt. Solche Beobachtungen werfen unter anderem die Frage auf, ob es weitere Kandidaten der TRP-Proteinfamilie gibt, die in die myozytären Kontraktionsprozesse involviert sind. Es ist derzeit teilweise geklärt, welche Funktionen TRP-Ionenkanäle der TRPV-Subfamilie innerhalb glatter Muskelzellen übernehmen. Welche Bedeutung Vertreter der TRPV-Subfamilie für die quergestreiften Myozyten haben, ist aktuell aber noch nicht hinreichend geklärt. Die vorliegende Dissertation thematisiert die wissenschaftliche Frage nach der funktionellen Bedeutung von TRPV4-Ionenkanälen für die Kontraktions- und Ermüdungsvorgänge innerhalb der quergestreiften Muskulatur der Maus. Um die Frage beantworten zu können, ob TRPV4-Kationenkanäle innerhalb der quergestreiften Myozyten funktional sind, führten wir In-vitro-Kraftmessungen mit isolierten Mm. solei der Wildtypmäuse C57Bl/10Sc/J und C57Bl/6 sowie der TRPV4-defizienten Maus durch. Darüber hinaus haben wir den Einfluss von 4aPDD, ein Phorbolesterderivat und selektiver TRPV4-Aktivator, auf Kontraktions- und Relaxationszeiten, die maximalen Kraftentwicklungen sowie die Muskelermüdung (Fatigue) untersucht. Im Rahmen unserer Untersuchungen konnten wir zeigen, dass sich der quergestreifte Muskel über eine TRPV4-Stimulation im Hinblick auf seine Maximalkraftentwicklung und Ermüdungserscheinungen positiv beeinflussen lässt, wohingegen dabei sowohl die Kontraktions- als auch die Relaxationskinetiken unbeeinflusst blieben. Unsere Resultate und Beobachtungen stellen somit ein deutliches Plädoyer für die Funktionalität der TRPV4-Ionenkanäle innerhalb der quergestreiften Myozyten dar.
The six extraocular muscles (EOMs) are arranged around the eyeball as agonist-antagonist pairs performing the eye movements. The EOMs comprise a distinct muscle group that is fundamentally different from other skeletal muscle, which is reflected on many levels, such as functionality, anatomy as well as in their molecular make-up. Physiologically EOMs are considered superfast, high endurance muscles that are continuously active. In addition, EOMs contain unusual slow-tonic fibers that share features with amphibian and avian slow-tonic fibers. EOMs also express slow/cardiac isoforms of proteins and genes along with the typical isoforms of fast muscle fibers. Another striking hallmark of EOM is their differential involvement in a number of diseases. For instance, EOMs are preferentially spared in Duchenne Muscular Dystrophy (DMD). DMD is the most common fatal, genetic disease in males clinically characterized by progressive muscle wasting. Mutations in the dystrophin gene result in a destabilization of the muscle membrane causing muscle fiber damage. While all other skeletal muscles deteriorate the EOMs remain morphologically and functionally healthy. In the pathogenesis of DMD elevated Ca2+ levels are believed to be an early event and it has been shown that EOMs are protected from pharmacologically induced Ca2+ damage. The goal of this study was to characterize the spared EOMs, in particular their Ca2+ homeostasis, in the context of DMD pathology to reveal new potential therapeutic targets for the disease. A combination of physiological, molecular and biochemical methods was used to investigate the Ca2+ homeostasis of EOMs to demonstrate clear differences compared with the fast limb muscle tibialis anterior (TA). Ca2+ handling of stimulated cultured EOM myotubes suggested more efficient Ca2+ removal from the cytoplasm after induced Ca2+ influx compared with cultured myoblasts from TA. Subsequent mRNA and protein expression analyses of myoblasts and adult muscle tissue revealed high expression levels of many key Ca2+ regulating and buffering proteins in rodent EOMs compared with TA. Among these Ca2+ proteins were slow/cardiac proteins, which normally are not found in fast muscles. For instance, the sarcoplasmic Ca2+ ATPase SERCA2 was elevated along with its regulator phospholamban (PLN). Further, PLN was preferentially endogenously phosphorylated at Thr17 suggesting continuous activation of SERCA2 and possibly the fast isoform SERCA1, the main Ca2+ pumps responsible for removing Ca2+ from the cytoplasm after muscle contraction. Furthermore, Ca2+ buffers, such as calsequestrin (CASQ2) and parvalbumin (PARV) were elevated. These results suggest that EOMs are endowed with a unique and superior Ca2+ homeostasis that facilitates efficient Ca2+ buffering and removal from the cytoplasm. This is in agreement with their continuous and fast activation cycles, as well as with a potential protective mechanism in prevention of Ca2+ overload in DMD. The extreme activity patterns of EOM suggested that a high activity of store-operated Ca2+ entry (SOCE) plays a critical part to replenish Ca2+ for rapid and continuous cycles of contractions. To extend the data on general Ca2+ homeostasis and because of possible implications of store-operated Ca2+ influx and other Ca2+ influx pathways in DMD, the expression patterns of group 1 transient receptor potential (TRP) channels and the proteins Orai1 and STIM1 were studied. The TRP channels, TRPC1, TRPC6 and TRPV4 channel proteins in addition to STIM1 showed higher expression in EOM compared with TA. High TRPC1, TRPV4 and STIM1 levels could play a significant role in the high fatigue resistance, muscle differentiation and SOCE in EOM. In addition, tissue from the mdx mouse model of DMD was investigated. The only channels differentially expressed in mdx EOM compared with normal EOM were TRPM4 and TRPM7 (decreased in mdx EOM) and TRPV4 (increased in mdx EOM). Although, these changes in mdx EOM were of small magnitude, they could point toward subtle compensatory changes related to the disease process. In general, EOMs seem to be unaffected by the disease and inherently protected. In conclusion, the results in this thesis have improved the understanding of the Ca2+ homeostasis in EOMs and suggest that EOM may be better able to prevent prolonged elevation of cytoplasmic Ca2+ levels. These data may help to design new therapeutic approaches targeting Ca2+ handling proteins to ameliorate muscular dystrophy.