DMPK-Expression und -Lokalisation

Bestrebungen, die Beziehung zwischen der DM-Pathologie und verlängerten Trinukleotid-Repeats im DMPK-Gen initial zu verstehen, umfassen die Analyse der DMPK-mRNA-Spiegel in Patientengeweben. Die meisten dieser Studien zeigten, dass DM1-Mutationen zu einer Abnahme der Gesamtmenge an DMPK-mRNA führen. Auf Grundlage der mRNA-Daten wurden bei DM-Patienten ein Herz sowie Skelettmuskulatur mit niedrigem DMPK-Proteingehalt im Herzen festgestellt. In der Skelettmuskulatur von DM1-Patienten wurde eine Abnahme der DMPK-Konzentration auf etwa 50 % beobachtet; die Proteinabnahme schien unabhängig von der CTG-Repeat-Länge zu sein. Diese Studien deuten darauf hin, dass eine unzureichende Haplotyp-Funktion ein potenzieller Mechanismus der Krankheitsmanifestation ist: Die DMPK-Expression der mutierten Allele ist stark reduziert, während die normale Expression der nicht betroffenen Allele deutlich vermindert ist. Hinsichtlich des Gewebeexpressionsmusters von DMPK zeigte eine In-situ-Hybridisierungsanalyse, dass DMPK-mRNA in einer Reihe adulter Mausgewebe exprimiert wird, darunter Skelettmuskel, Herz, glatte Muskulatur, Knochen, Hoden, Hypophyse, Gehirn, Auge, Haut, Thymus, Lunge, Darmepithel, Knorpel und Leber. In Ovar, Pankreas oder Niere wurde keine DMPK-mRNA nachgewiesen. In sich entwickelnden Maus-Embryonen wird DMPK-mRNA primär in den Skelettstrukturen der Lunge und des Darms sowie in allen großen Muskelgruppen des Herzmuskels, der Skelettmuskulatur und der glatten Muskulatur detektiert.

Struktur und Aktivität von DMPK

Der phylogenetische Baum, der DMPK umfasst, beinhaltet auch ROCK (auch als Rho-Kinase bezeichnet), das ursprünglich als Vermittler der Bildung von Myosin-Leichtketten (MLC) durch die Wirkung von Stressfasern und fokalen Adhäsionen beschrieben wurde, die durch RhoA induziert werden. Die Cell Division Control Protein 42 (Cdc42)-binding Kinase (MRCK) und die Grapefruit-Kinase sind mit DMPK verwandt. Typischerweise bestehen diese Kinasen aus einer aminoterminalen Kinase-Domäne, gefolgt von einer potenziellen Coiled-coil-bildenden Region und einem weiteren funktionellen Motiv am carboxyterminalen Ende.

DMPK-Zielstrukturen

DMPK bevorzugt ein Argininrest (Serin oder Threonin) stromaufwärts der Phosphatakzeptorstelle, gefolgt von einem hydrophoben Rest (Leucin oder Valin) und anschließend einem weiteren basischen Argininrest. Dieses Konsensusmotiv -RxxS/TL/VR- ähnelt PKC, das bevorzugt basische Reste stromauf- und stromabwärts aufweist, sowie CaMK II und der Phosphorylase-Kinase, die bevorzugt stromabwärts hydrophobe Reste besitzen. Damit scheint das DMPK-Phosphorylierungsmotiv zu überlappen, unterscheidet sich jedoch von den zuvor beschriebenen Kinaseklassen. Das Screening einer Bibliothek von etwa 35 synthetischen Peptiden zeigte, dass die optimale DMPK-Substratsequent aus 3 bis 4 Arginin- (oder Lysin-)Resten an unterschiedlichen Positionen am N-Terminus des Phosphatakzeptors bestehen sollte. Beide Studien identifizierten das kleinste DMPK-Substrat-Konsensusmotiv mit einer positiv geladenen Aminosäure an der -2-Position des Ser/Thr-Phosphatakzeptors und einem hydrophoben Rest an der +1-Position.

DMPK-Funktionen

1. Integrität der Skelettmuskulatur

DMPK wird hauptsächlich in der Skelettmuskulatur und im Myokard exprimiert. In der Skelettmuskulatur enthält das DMPK-Gen einen Promotor mit niedriger Aktivität, der mit Enhancer-Elementen im ersten Intron zusammenwirkt, einschließlich einer konservierten MyoD-responsiven E-Box. In L6E9- und C2C12-Muskelzellen wird die Expression von DMPK über typische myogene Signalwege (d. h. Phosphatidylinositol-3-Kinase, Nuclear Factor B, Stickstoffmonoxid-Synthase und p38-Mitogen-aktivierte Proteinkinase) hochreguliert und unterstützt damit die funktionelle Bedeutung von DMPK.

2. Zieluntereinheit der Myosinphosphatase

DMPK phosphoryliert in vitro die C-terminale Domäne der Zieluntereinheit der Myosinphosphatase (MYPT1) in ähnlicher Weise wie die Rho-Kinase; diese Phosphorylierung hemmt die Phosphataseaktivität von MYPT1. Eine Folge der Hemmung der Myosinphosphatase ist ein Anstieg des Phosphorylierungsniveaus der Myosin-Leichtkette, was zu einer Ca2+-Sensitivierung in glatter Muskulatur und zu Zytoskelett-Umstrukturierungen (Zunahme von Stressfasern und fokalen Adhäsionen) in nicht-muskulären Zellen führt. Weitere Untersuchungen zum Phosphorylierungsstatus und zur Aktivität von MYPT1 in DMPK-Knockout- und DMPK-überexprimierenden Mäusen könnten dazu beitragen, die Rolle von DMPK bei der zytoskelettalen Reorganisation zu verstehen.

3. Zellmetabolismus

DMPK wird in der Muskulatur hoch exprimiert, die ein zentrales Zielgewebe der insulinabhängigen Regulation des Glukosestoffwechsels ist [68]. Wir haben kürzlich gezeigt, dass dmpk−/−-Mäuse eine verminderte Insulinsensitivität in Herz- und Skelettmuskulatur, jedoch eine normale Insulinsignalübertragung im Fettgewebe und in der Leber aufweisen, in denen DMPK nicht nachweisbar ist [69]. Dmpk−/−-Mäuse zeigen eine beeinträchtigte insulininduzierte Glukoseaufnahme und GLUT4-Translokation in der Muskulatur. Die metabolische Veränderung bei dmpk−/−-Mäusen spiegelt sich in einer Glukoseintoleranz sowie erhöhten zirkulierenden Insulin- und Lipidspiegeln bei gefütterten Mäusen wider. Wie bei DM1-Patienten beobachtet, zeigen dmpk−/−-Mäuse in Glukosetoleranztests höhere Plasmainsulinkonzentrationen als Wildtyp-Mäuse.

Referenz

1. Kaliman P; et al. Myotonic dystrophy protein kinase (DMPK) and its role in the pathogenesis of myotonic dystrophy 1. Cellular Signalling, 2008, 20(11):1935-1941.