Wie Herzmuskelzellen ihre Elastizität regulieren

Sie entdeckten bislang unbekannte Mechanismen, die die Elastizität des Riesenproteins Titin und somit die Steife des Herzmuskels regulieren. Die Ergebnisse beschreibt das Team um Prof. Dr. Wolfgang Linke mit Kolleginnen und Kollegen aus den USA und aus Düsseldorf in zwei Artikeln in den Zeitschriften „Cell“ und „Journal of Cell Biology“.

Herzversagen legt sensible Proteinbereiche im Titin frei

Titin, das größte Protein im menschlichen Körper, verhält sich wie eine Feder, die die Muskelzelle spannt oder erschlaffen lässt. Seine Federregion besitzt bestimmte Proteineinheiten, die sogenannten Immunglobulin-Domänen, die wie an einer Perlenschnur aufgereiht sind. Unter Stressbedingungen, zum Beispiel bei akutem Herzversagen, wird die Federregion übermäßig stark gedehnt; die Immunglobulin-Domänen entfalten sich.

Die Wissenschaftler fanden heraus, dass dadurch Proteinbereiche offengelegt werden, die besonders anfällig für oxidative Modifikation sind. Das heißt, bestimmte Moleküle binden an die nun freigelegte Aminosäure Cystein, wodurch die entfalteten Immunglobulin-Domänen nicht zu ihrer ursprünglichen Struktur zurückkehren können.

Dadurch sinkt die Steife der Herzwand, und Titin kann seine Aufgabe als Sensor der mechanischen Spannung der Herzmuskelzellen nicht mehr vollständig wahrnehmen. Das schränkt die Pumpfunktion des Herzens ein.

Kleine Proteine schützen Titin vor Stresseffekten

In einer zweiten Arbeit zeigten Linke und seine Kollegen, dass die Herzmuskelzellen aber auch Mechanismen besitzen, um die elastische Region des Titins vor Stresseffekten zu schützen. Stress bedeutet dabei Überdehnung oder chemische Bedingungen, die für die Proteine schädlich sind, etwa ein gestörter Säure-Base-Haushalt. Üblicherweise klumpen Immunglobulin-Domänen unter solchen Stressbedingungen zusammen, was die Funktion des Proteins schädigen würde.

Die Forscher zeigten jedoch, dass kleine Proteine zu den entfalteten Titinbereichen wandern und verhindern, dass die „Perlen“ der Federregion verklumpen. Das wirkt einer krankhaften Veränderung der Titinelastizität bei Herzinfarkten oder chronischer Herzschwäche entgegen. Bei den schützenden Proteinen handelt es sich um die Hitzeschockproteine alpha-B-Crystallin und HSP27.

Titelaufnahmen

J. Alegre-Cebollada, P. Kosuri, D. Giganti, E. Eckels, J.A. Rivas-Pardo, N. Hamdani, C.M. Warren, R.J. Solaro, W.A. Linke, J.M. Fernández (2014): S-glutathionylation of cryptic cysteines enhances titin elasticity by blocking protein folding, Cell, DOI: 10.1016/j.cell.2014.01.056
S. Kötter, A. Unger, N. Hamdani, P. Lang, M. Vorgerd, L. Nagel-Steger, W.A. Linke (2014): Human myocytes are protected from titin aggregation-induced stiffening by small heat shock proteins, The Journal of Cell Biology, DOI: 10.1083/jcb.201306077

Weitere Informationen

Prof. Dr. Wolfgang Linke, Abteilung für Kardiovaskuläre Physiologie, Institut für Physiologie, Medizinische Fakultät der Ruhr-Universität, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-29100, E-Mail: wolfgang.linke@rub.de