Anonim

Temaer

  • Biofysisk kjemi
  • kardiomyopatier

Først beskrevet på 1950-tallet, er vevstranglutaminase (tTG, transglutaminase 2) et unikt multifunksjonselement av transglutaminasefamilien med effekter som strekker seg ut over sine enzymatiske tiltak. En nylig publisert studie demonstrerer en viktig rolle for endogen tTG i patogenesen av trykkoverbelastningsinducert hjertesvikt, noe som tyder på tverrbindingshandlinger som fremmer diastolisk dysfunksjon og beskyttende matriksbeskyttende effekter som forhindrer kammerutvidelse [1]. Funksjonene til tTG i det sviktende hjerte kan involvere både enzymatiske og ikke-enzymatiske effekter med flere forskjellige cellulære mål og et bredt spekter av molekylære interaksjoner.

Ca2 + -avhengig transamidering, den best karakteriserte enzymatiske funksjonen til tTG, modifiserer proteiner ved å krysse deres reaktive karboksamid-sidekjeder til primære aminer [2]. tTG utøver også enzymatiske funksjoner som ikke krever Ca2 +, som virker som en GTPase, proteinkinase- eller proteindisulfid-isomerase, og deltar i ikke-enzymatiske interaksjoner med mange forskjellige proteiner, som betjener adapter- og signalfunksjoner både i og utenfor cellene [3]. In vitro-studier har indusert tTG i et bredt spekter av cellulære funksjoner, inkludert celleoverlevelse, vedheft og migrasjon, cellevekst, proliferasjon og differensiering [4]. Fraværet av signifikante baseline fenotypiske abnormiteter hos mus med globalt tap av tTG [5] viste at tTG, til tross for det brede repertoaret av antatte cellefunksjoner, ikke spiller en avgjørende rolle for å opprettholde vevshomeostase. I kontrast antyder en voksende bevismasse at tTG overuttrykkes og aktiveres etter vevskader, og kan regulere patofysiologiske responser.

tTG i hjertesykdom

tTG uttrykkes konstitutivt i normalt pattedyrmyokardium, og er oppregulert i skadede og sviktende hjerter [6]. I en nylig publisert studie [1] ga vi de første bevisene som tyder på en viktig rolle for vevstransglutaminase i patogenesen av hjertesvikt. Vi brukte en musemodell av transversal aorta-sammenbrudd som recapitulates kardiomyopati av trykkoverbelastning, en av de vanligste patofysiologiske tilstandene forbundet med hjertesvikt hos mennesker. I det overbelastede hjertet øker tidlig utvikling av hjertehypertrofi og fibrose hjertestivhet som forårsaker diastolisk ventrikulær dysfunksjon, til tross for bevaret systolisk funksjon. På et senere tidspunkt fører vedvarende trykkoverbelastning til progressiv ventrikulær dilatasjon, dekompensering og utvikling av systolisk hjertesvikt. tTG var det eneste medlemmet i transglutaminasefamilien som er oppregulert i det overbelastede musemyokardiet. I remodelleringshjerter var tTG lokalisert i kardiomyocytter, makrofager og interstitiale celler, og ble avsatt i den ekstracellulære matriksen. Eksperimenter i tTG knockout-mus antydet at endogen tTG ikke spiller en signifikant rolle i hjertehemostase, men deltar i hjerteomforming etter trykkoverbelastning, som utøver både skadelige og beskyttende handlinger. tTG fremmer kollagen-tverrbinding, økende kammerstivhet etter trykkoverbelastning, men også beskyttet remodelleringshjertet fra utvidelse, forhindrer overdreven matrise-metalloproteinaseaktivering og hindring av fibroblastproliferasjon. Disse observasjonene markerer den funksjonelle kompleksiteten til tTG, men genererer også flere viktige spørsmål:

Hvilke stimuli induserer tTG-ekspresjon og sekresjon i remodeling-myokardiet?

Overtrykk på hjerteovertrykk aktiverer mekanosensitive signalveier i alle myokardceller. Som respons på biomekanisk stress aktiverer kardiomyocytter integriner, som transduserer nedstrøms mitogenaktiverte proteinkinaskaskader, som kan være involvert i induksjon av tTG-transkripsjon [7]. Mekanisk sensitiv signalering kan også stimulere tTG transkripsjon ved lokalt aktiverende transformerende vekstfaktor (TGF) -β gjennom integrin-avhengige tiltak [8] og gjennom induksjon av TGF-p-aktiverende matrikellulære proteiner. Våre funn tyder på at TGF-β oppregulerer tTG-ekspresjon i både hjertefibroblaster og makrofager gjennom forskjellige signalveier og kan spille en viktig rolle i tTG-induksjon in vivo.

Hva er de viktigste cellulære målene for tTG i det sviktende hjertet?

Med tanke på dets allestedsnærværende uttrykk, kan dets sekresjon og avsetning i den aktiverte ekstracellulære matriksen og dens brede funksjonelle repertoire, tTG ha et bredt spekter av cellulære mål i hjertesvikt (figur 1). Publiserte studier tyder på viktige (og noen ganger motstridende) effekter av tTG på alle celletyper som er involvert i hjerteoppussing. I kardiomyocytter aktiverte tTG overekspresjon cykloxygenase-2 signalering som fremmer celledød og inducerende ventrikulær dysfunksjon [9]. I motsetning til dette antydet tap av funksjonsforsøk at tTG kan beskytte kardiomyocytter fra iskemisk død [10]. tTG-ekspresjon i fibroblaster fremmer celleadhesjon [11], regulerer fibroblastmigrasjon, stimulerer fibronektinsyntese og har blitt involvert i organisering av det fibroblast-avledede ekstracellulære matriksnettverket [12]. tTG uttrykkes også i makrofager, og har blitt implicert i anerkjennelse og fagocytose av apoptotiske celler av profesjonelle fagocytter [13]. En nylig studie viste at tTG er en konsistent og bevart markør av polariserte M2 makrofager hos mennesker og mus [14]; imidlertid, om tTG regulerer makrofagpolarisasjon in vivo, er fortsatt ukjent.

a I det overtrykkede overbelastede myokardiet blir tTG oppregulert og utskilt i interstitiumet. Aktivert tTG spiller en rolle i ekstracellulær matriks (ECM) tverrbinding, som fremmer diastolisk dysfunksjon. Både enzymatisk aktiv og inaktiv tTG kan utøve effekter på kardiomyocytter, fibroblaster og makrofager ved å regulere intracellulære signalkaskader, eller ved å modulere utvendig signalering. I fibroblaster kan tTG modulere ECM syntese og remodeling og kan spille rolle i myofibroblast aktivering. I kardiomyocytter kan tTG fremme hypertrofisk respons, kan modulere celleoverlevelse som respons på stress og kan spille en rolle i diastolisk dysfunksjon. Polariserte M2-makrofager uttrykker tTG. tTG kan være involvert i fagocytotisk funksjon av makrofager og kan spille en rolle i regulering av inflammatorisk gensyntese og makrofagdrevet fibroblastaktivering. b tTG kan interagere med et bredt spekter av proteiner i celleoverflaten, cytoplasma eller ECM. Aktiv tTG kan fremme ECM-tverrbinding. tTG kan også modulere signalresponser på en transamidase-uavhengig måte. tTG kan tilrettelegge fibronektinaktivert integrin-signalering som transduserer en fok-adhesjonskinase (FAK) -kaskade, kan bygge sammen integiner med vekstfaktorreceptorer (slik som trombocytt-avledet vekstfaktorreceptor / PDGFR) og kan aktivere syndekan-medierte responser. Tilleggssymbol: MAPK, mitogenaktivert proteinkinase

Full størrelse bilde

I studien utelukker bruk av en muselinje med globalt tap av tTG konklusjoner angående in vivo-rollen av spesifikke cellulære responser ved å formidle effekten av tTG-tap. Dermed forklarte ikke våre eksperimenter det cellulære grunnlaget for den påfallende økte dødeligheten i tTG null-mus som gjennomførte trykkoverbelastningsprotokoller. Accentuated dilative remodeling på grunn av tap av beskyttende matriksbeskyttende effekter kan være delvis ansvarlig for økt dødelighet i trykk overbelastede tTG knockout dyr; Sværhetsgraden av systolisk dysfunksjon kunne imidlertid ikke utgjøre den observerte effekten på overlevelse. Hvorvidt endogen tTG beskytter myokardiet fra arytmogenese eller defekt impulsgjennomføring er ukjent.

På den annen side kan de observerte effektene på matrisemodellering og fibrose gjenspeile viktige virkninger av tTG på fibroblaster, eller effekter på den fibrøse fenotypen av immunceller (som makrofager). Våre in vitro-funn tyder på at tTG begrenser fibroblast-proliferativ kapasitet og fremmer et matriksbevarende program i hjertefibroblaster ved å fremkalle vævshemmer av metalloproteinaser (TIMP) 1-syntese.

Involver in vivo effekter av tTG enzymatiske effekter

Selv om tTG-ekspresjon er markert indusert i remodeling-myokardiet, er det uklart om økte proteinnivåer er assosiert med accentuert enzymatisk aktivitet. I normalt vev er tTG-aktivitet tett regulert. I cytoplasma hindrer lave Ca2 + konsentrasjoner intracellulær transamidasjonsaktivitet, og GTP / GDP virker som allosteriske hemmere, reduserer tilgjengeligheten av det katalytiske domenet og forhindrer upassende intracellulær tTG-aktivering. I det overbelastede hjertet kan økte kalsiumkonsentrasjoner samarbeide med proinflammatoriske cytokiner som utløser intracellulær tTG-aktivering. I hjerteinterstitium kan høye nivåer av Ca2 + stimulere tTG-mediert transamidaseaktivitet, fremme tverrbinding av ekstracellulære matriksproteiner og føre til dannelse av en protease-resistent matrise. TTG-tverrbindingsaksjonene kan også tjene til lokalisering og aktivering av TGF-p, ytterligere aksentuerende fibrose. Interstitial aktivering av tTG kan imidlertid være forbigående på grunn av frigjøring av mediatorer som inaktiverer tTG, slik som reaktivt oksygen og nitrogenoksyd [15]. Således er den relative signifikansen av enzymatiske tTG-tiltak i patogenesen av hjerteomforming ikke kjent.

Hva er in vivo-betydningen av ikke-enzymatiske funksjoner av tTG?

Ikke-enzymatiske funksjoner av tTG kan spille en viktig rolle ved aktivering av hjerteinterstitiale celler og i patogenesen av myokardfibrose. Gjennom binding med både fibronektin og heparinsulfatproteoglykaner kan tTG fungere som en molekylær bro mellom matrisen og cellene, som aktiverer syndekan-4-mediert signalering [16]. tTG kan også samarbeide med fibronektin for å utløse integrinaktivering og nedstrøms stimulering av Focal adhesion kinase signalering; Disse effektene er transamidase-uavhengige [12]. Videre kan celleoverflate tTG bygge bro p1 integiner med vekstfaktorreseptorer [17]. I vår studie utførte matriksbundet tTG matrikellulære effekter på fibroblaster som induserte TIMP1-ekspresjon på en transamidase-uavhengig måte. De matricellulære tiltakene av tTG kan være spesielt viktige in vivo, da de ikke krever vedvarende enzymatisk aktivering.

Fremtidige retninger

Våre nylig publiserte funn tyder på at tTG er et kritisk stress-indusert signal i det sviktende hjerte, og utøver både profibrotiske effekter som øker ventrikulær stivhet og beskyttende handlinger som opprettholder ekstracellulær matriksintegritet, som forhindrer kammerutvidelse. Med tanke på den potensielle translasjonelle betydningen av tTG-medierte tiltak i hjertesvikt, er studiet av molekylære grunnlaget for effektene av tTG en viktig prioritet. Fremtidige eksperimenter bør fokusere på flere forskjellige retninger. For det første er disseksjon av de enzymatiske og ikke-enzymatiske aktivitetene av tTG i remodeling-myokardiet og identifisering av hovedsubstrater viktig for å designe sikre og effektive terapeutiske strategier. For det andre er det nødvendig med undersøkelse av de cellulære målene for tTG i remodeling-hjertet for å identifisere spesifikke cellulære responser som kan målrettes hos mennesker. For det tredje, karakterisering av molekylære signaler som interagerer med tTG og forståelse av deres rolle i formidling av spesifikke cellulære responser, kan gi kritisk informasjon om spesifikke virkningsmekanismer med direkte translasjonelle implikasjoner. Fjerde, systematisk analyse av endringer i myokardisk tTG-ekspresjon i menneskelig sviktende hjerter, kan gi innsikt i tTGs rolle i spesifikke hjertefeil subpopulasjoner. Med tanke på heterogeniteten av hjertesvikt hos mennesker, kan identifisering av pasienter med fremtredende fibrose og overdreven aktivering av myokardisk tTG-mediert matte-tverrbinding markere en subpopulasjon som kan ha nytte av demping av enzymatiske tTG-tiltak.

Anbefalt Redaksjonens