Dokument: Auswirkung von Typ-2-Diabetes auf die Skelettmuskelfunktion, das Sarkomerprotein Titin und die Autophagie-Prozesse im Skelettmuskel

Titel:	Auswirkung von Typ-2-Diabetes auf die Skelettmuskelfunktion, das Sarkomerprotein Titin und die Autophagie-Prozesse im Skelettmuskel
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=65828
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20240516-170804-4
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Behrendt, Lukas [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 19,13 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 14.05.2024 / geändert 14.05.2024
Beitragende:	Prof. Krüger, Martina [Gutachter] Prof. Dr. Grandoch, Maria [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 610 Medizin und Gesundheit
Beschreibungen:	Durch Übergewicht und einem Mangel an körperlicher Aktivität kann in den Skelettmuskelzellen ein Energieüberschuss entstehen, der zu einer Insulinresistenz und, bei gestörter ß-Zellfunktion, zum Typ-2-Diabetes führen kann (Kahn et al., 2005; Szoke und Gerich, 2005; Ye, 2013). Gerade ältere Patienten mit Typ-2-Diabetes leiden allerdings häufiger, schneller und ausgeprägter an einem Verlust der Muskelmasse und -Funktion (Hirata et al., 2019; Kalyani et al., 2014; Park et al., 2009; Park et al., 2007). Die genauen Mechanismen der gestörten Muskelfunktion bei metabolischen Stoffwechseländerungen und Diabetes sind noch nicht bekannt. Die physiologische Skelettmuskelfunktion setzt neben aktiver Kraftentwicklung auch eine Dehnbarkeit der Muskelzellen voraus. Diese wird vorrangig durch das Sarkomerprotein Titin definiert, welches aufgrund seiner elastischen Eigenschaften auch als molekulare Feder bezeichnet wird. Titin ist ein bis zu 4,2 Megadalton (MDa) großes Filamentprotein, welches sich mit Aktin und Myosin zusammen in den Sarkomeren von Herz- und Skelettmuskulatur befindet und dort von der Z-Scheibe bis zur M-Linie gespannt ist (Krüger und Linke, 2011). Neben seiner wichtigen Funktion in der Assemblierung des Sarkomers ist Titin an der Zentrierung der Myosinfilamente im Sarkomer beteiligt und ist ein wichtiger Interaktionspartner für Elemente der Proteinqualitätskontrolle (Ehler und Gautel, 2008; Horowits et al., 1989; Kötter et al., 2014a). Die Auswirkung von Diabetes und Insulin auf das Sarkomerprotein Titin wurde bis jetzt hauptsächlich im Herzmuskel untersucht (Hopf et al., 2018; Krüger et al., 2010; Hamdani et al., 2013a). Vorherige Studien haben gezeigt, dass die passive Steifigkeit im Sarkomer unter anderem durch die post-translationale Phosphorylierung von Titin an der, vor allem aus Prolin (P), Glutamat (E), Valin (V) und Lysin (K) bestehenden PEVK-Domäne durch die Proteinkinase Cα (PKCα) gesteigert werden kann (Hidalgo et al., 2009; Kötter et al., 2014a). Um den Einfluss von Typ-2-Diabetes auf die Titin-vermittelte Skelettmuskelfunktion zu untersuchen wurden die passive Steifigkeit und aktive Kraftentwicklung an Quadriceps-Muskelproben von 36 bis 37 Wochen alten diabetischen ZSF1-Obese Ratten und einer Kontrollgruppe bestehend aus ZSF1-Lean Ratten biophysikalisch analysiert. Im diabetischen Rattenmodell ZSF1-Obese zeigten sich die passive Steifigkeit statistisch signifikant reduziert und die aktive Kraftentwicklung tendenziell vermindert. Um die Beteiligung von Titin an der gestörten Skelettmuskelfunktion im diabetischen Rattenmodell ZSF1-Obese zu untersuchen, erfolgte die biochemische Analyse post-translationaler Modifikationen von Titin. Zusätzlich zur ZSF1-Lean Kontrollgruppe bestand bei den biochemischen Analysen eine weitere Gruppe aus genetisch unveränderten Wistar-Wildtyp Ratten. Hierbei zeigte sich im diabetischen Rattenmodell ZSF1-Obese eine erhöhte Phosphorylierung von PEVK an S11878 und unveränderte Phosphorylierung an S12022. Die Aktivität der PKCα zeigte sich hierbei interessanterweise vermindert. Neben der PKCα kann PEVK auch durch die Calcium-Calmodulin-abhängige Proteinkinase IIδ (CaMKIIδ) phosphoryliert werden (Hamdani et al., 2013b; Hidalgo et al., 2013). Da CaMKIIδ bei einer Hyperglykämie, wie sie beim Typ-2-Diabetes vorkommt, bereits eine gesteigerte Aktivität zugesprochen wurde könnte es sein, dass die Phosphorylierung von PEVK im diabetischen Rattenmodell ZSF1-Obese durch eine gesteigerte Aktivität der CaMKIIδ vermittelt wird (Erickson et al., 2013). Dass die passive Steifigkeit trotz erhöhter Phosphorylierung von PEVK an S11878 vermindert war, könnte durch eine bisher noch nicht identifizierte posttranslationale Modifikation von Titin erklärt werden. Dem Sarkomerprotein Titin wurde bereits in mehreren Studien eine wichtige Funktion in der Protein-Qualitätskontrolle und den Autophagie-Prozessen zugesprochen (Centner et al., 2001; Pizon et al., 2002; Kötter et al., 2014a). Eine geregelte Degradation der Proteinstrukturen im Sarkomer ist dabei für den Erhalt der komplexen Skelettmuskelfunktion essenziell (Mitch und Goldberg, 1996; Waterlow et al., 1978). Daher erfolgte in dieser Arbeit zusätzlich die biochemische Analyse der Titindegradation sowie zentraler Autophagie-Prozesse. Hierbei zeigte sich durch ein vermindertes microtubule-associated protein 1A/1B-light chain 3 (LC3) B II/I Verhältnis im Rattenmodell ZSF1-Obese, dass beim Typ-2-Diabetes eine verminderte Aktivität der Autophagie-Prozesse vorliegen könnte, welche zu einer Akkumulation von Titin im Skelettmuskel beitragen und eine gestörte Skelettmuskelfunktion im diabetischen Rattenmodell ZSF1-Obese mitverursachen könnte (Kötter et al., 2014b). Dass sich im Vergleich zum genetisch unveränderten Wistar-Wildtyp auch im Rattenmodell ZSF1-Lean ein tendenziell vermindertes T2/T1 Verhältnis sowie ein statistisch signifikant reduziertes LC3B II/I Verhältnis zeigten, könnte darauf hinweisen, dass die Funktion der Autophagie-Prozesse von der genetischen Veranlagung abhängig ist und somit zum genetischen Einfluss in der Entstehung der ß-Zellinsuffizienz und des Typ-2-Diabetes beiträgt. Obesity and a lack of physical activity can result in excess energy in skeletal muscle cells, which can lead to insulin resistance as well as type 2 diabetes if ß-cell function is impaired (Kahn et al., 2005; Szoke und Gerich, 2005; Ye, 2013). Especially older patients with type 2 diabetes, however, suffer more frequently, faster and excessive loss of muscle mass and function (Hirata et al., 2019; Kalyani et al., 2014; Park et al., 2009; Park et al., 2007). The exact mechanisms of impaired muscle function in metabolic changes and diabetes are not yet known. In addition to active strength development, physiological skeletal muscle function also requires physiological stretchability of the muscle cells, which is mainly defined by the sarcomere protein titin. Titin, also known as a molecular spring due to its elastic properties, is a filament protein, up to 4.2 megadaltons (MDa) which is located together with actin and myosin in the sarcomeres of cardiac and skeletal muscle and extends from the Z-disk to the M-line (Krüger und Linke, 2011). Besides its important function in the assembly of the sarcomere, titin is also involved in the centering of myosin filaments in the sarcomere and is an important interaction partner for elements of protein quality control (Ehler und Gautel, 2008; Horowits et al., 1989; Kötter et al., 2014a). The effect of diabetes and insulin on the sarcomere protein titin has so far mainly been studied in cardiac muscle (Hopf et al., 2018; Krüger et al., 2010; Hamdani et al., 2013a). Previous studies have shown that passive stiffness in the sarcomere can partly be increased by post-translational phosphorylation of titin at the, mainly composed of proline (P), glutamate (E), valine (V) and lysine (K) PEVK domain by protein kinase Cα (PKCα) (Hidalgo et al., 2009; Kötter et al., 2014a). To evaluate the impact of type 2 diabetes on titin-mediated skeletal muscle function, passive stiffness and active force development were analyzed biophysically in quadriceps muscle samples from 36- to 37-week-old diabetic ZSF1-Obese rats and a control group consisting of ZSF1-Lean rats. In the diabetic rat model ZSF1-Obese, passive stiffness was statistically significantly reduced and active force development was tendentially decreased. To investigate the involvement of titin in impaired skeletal muscle function in the diabetic rat model ZSF1-Obese, biochemical analysis of post-translational modifications of titin was performed. Additionally to the ZSF1-Lean control group, the biochemical analyses included a further control group consisting of genetically unmodified Wistar wild-type rats. Here, the diabetic rat model ZSF1-Obese showed increased phosphorylation of PEVK at S11878 and unaltered phosphorylation at S12022. Interestingly, PKCα activity was shown to be reduced. In addition to PKCα, PEVK can also be phosphorylated by calcium calmodulin-dependent protein kinase IIδ (CaMKIIδ) (Hamdani et al., 2013b; Hidalgo et al., 2013). Considering that CaMKIIδ activity has already been reported to be increased in hyperglycemia, as occurs in type 2 diabetes, phosphorylation of PEVK in the diabetic rat model ZSF1-Obese might be mediated by increased CaMKIIδ activity (Erickson et al., 2013). Further, the fact that passive stiffness was reduced despite increased phosphorylation of PEVK at S11878 could be explained by a not yet identified posttranslational modification of titin. Various studies have already assigned an important function in protein quality control and autophagy processes to the sarcomere protein titin (Centner et al., 2001; Pizon et al., 2002; Kötter et al., 2014a). Thereby, regulated degradation of protein structures in the sarcomere is essential for the preservation of the complex skeletal muscle function (Mitch und Goldberg, 1996; Waterlow et al., 1978). Therefore, biochemical analysis of titin degradation and central autophagy processes was also performed in this work. Here, a decreased microtubule-associated protein 1A/1B-light chain 3 (LC3) B II/I ratio in the rat model ZSF1-Obese showed that in type 2 diabetes there could be a decreased activity of autophagy processes, which could contribute to an accumulation of titin in the skeletal muscle and contribute to impaired skeletal muscle function in the diabetic rat model ZSF1-Obese (Kötter et al., 2014b). The fact that, compared to the genetically unaltered Wistar wild-type, the rat model ZSF1-Lean also showed a tendentially reduced T2/T1 ratio as well as a statistically significant reduced LC3B II/I ratio could indicate that the function of autophagy processes is genetically predisposed and thus contributes to the genetic influence in the development of ß-cell insufficiency and type 2 diabetes.
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Fachbereich / Einrichtung:	Medizinische Fakultät » Institute » Institut für Herz- und Kreislaufphysiologie
Dokument erstellt am:	16.05.2024
Dateien geändert am:	16.05.2024
Promotionsantrag am:	21.12.2023
Datum der Promotion:	14.05.2024