On the Evolution, Function and Pathogenesis of Intermediate Filaments
Gullmets, Josef (2017-06-02)
Gullmets, Josef
Åbo Akademi - Åbo Akademi University
02.06.2017
Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-12-3551-1
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-12-3551-1
Tiivistelmä
Intermediärfilament (IF) är nukleära och cytoplasmiska strukturprotein. I människans genom ingår 70 gener som kodar för 74 hittills kända intermediärfilament. Mutationer i dessa gener orsakar många allvarliga sjukdomar. IF förser cellen med en dynamisk stödstruktur som effektivt kan monteras upp och ned. IF:ens kapacitet till upp- och nedmontering möjliggör att denna stödstruktur kan ommodelleras kontinuerligt, vilket är viktigt för cellens rörlighet samt för rekonstruktionen av kärnmembranet vid celldelning. Under evolutionen har IF:en blivit mer och mer funktionellt specialiserade. Adaptionen av IF:ens funktion och deras utbredda uttryckning reflekterar hur viktig IF:en har blivit för multicellulära organismer. De nukleära IF:en är ursprunget till de cytoplasmiska intermediärfilamenten (cytoIF) och deras uttryckning är konserverad i alla multicellulära organismer. CytoIF:en är också mycket konserverade och de uttrycks i alla eumetazoa organismer, förutom i artropoderna.
Denna doktorsavhandling är indelad i tre projekt. Det första projektet behandlar varför Arthropoda är det enda fylum inom eumetazoerna som saknar cytoIF. I detta projekt har ett humant cytoIF, vimentin, transgent uttryckts i Drosophila, för att studera proteinets kapacitet att monteras och bilda IF-nätverk i artropodvävnad. Slutsatsen är att humant vimentin kan forma nätverk i epitelvävnader i Drosophila, vilket påvisar kompatibilitet mellan cytoIF och Drosophila.
Den andra studien behandlar ett mindre känt cytoIF, nestin. En nestin knock-out mus användes för att studera följderna av avsaknaden av nestin i muskelvävnad. Resultaten visar att knock-out av nestin leder till försämrad läkning av muskler. Läkning hos skelettmuskler är beroende av satellitceller, och denna studie visar att hastigheten i celldelningen är nedsatt i satellitceller som isolerats från nestin knock-out-möss.
Mutationer i nukleära IF, laminer, ger upphov till muskeldystrofi och för tidigt åldrande. I det tredje projektet som ingår i denna doktorsavhandling, undersöks en punktmutation i LMNA-genen. Denna mutation är associerad med dilaterad kardiomyopati (DCM). Mutationen, p.S143P i lamin A/C har identifierats i finska patienter och orsakar sent uppkommande DCM med ledningsdefekter. Patientfibroblaster, inducerade pluripotenta stamceller (iPSC) differentierade till kardiomyocyter och Drosophila användes för att studera fenotypen av p.S143P-mutationen. Studien visar att mutationen orsakar i patentfibroblasterna en oförmåga hos de muterade laminerna att normalt inkorporeras i laminan. De muterade laminerna återfanns i stället i nukleoplasman och bildade ibland stora intranukleära aggregat. Dessa fenotyper ledde till endoplasmatisk retikulär (ER) stress. Dessa resultat kunde också reproduceras i kardiomyocyter deriverade från iPSC samt i Drosophila.
Sammanfattningsvis beskriver studierna som utförts inom ramen för denna doktorsavhandling nya strukturella och funktionella aspekter hos både nukleära och cytoplasmiska IF. Dessa resultat fördjupar vår insikt i IF:ens dynamik och kan komma att gynna utvecklingen av mediciner för att bota sjukdomar som är associerade till IF. ----------
Intermediate filaments (IFs) are nucleoskeletal and cytoskeletal proteins. The human IF protein family consists of 70 genes coding for 74 known proteins and their mutations cause various serious diseases. The IFs provide the cell with a dynamic scaffold that can be effectively assembled and disassembled. The assembly-property of IFs enables the IF scaffold to be continuously remolded, which is important for the motility of the cell and for the deconstruction and reconstruction of the nuclear membrane during mitosis. During evolution, the IFs have, since their emergence, become increasingly functionally differentiated. The adaptation of the IF function and spatial expression reflects how instrumental the IFs have become for multicellular organisms. The nuclear IFs, which are precursors to the cytoplasmic IFs (cytoIFs), are conserved in all multicellular organisms. The cytoIFs are also very conserved throughout the eumetazoans except for the arthropods.
This thesis is divided into three projects, the first of which deals with the question why Arthropoda is the only eumetazoan phyla lacking cytoIFs. We transgenically express a human cytoIF, vimentin, in Drosophila to study cytoIF expression and assembly in arthropod tissue. We conclude that human vimentin forms networks in epithelial tissue in Drosophila, suggesting some compatibility for cytoIFs in Drosophila specifically in epithelial tissue.
The second study deals with the less well characterized cytoIF nestin. We utilized a nestin null mouse model to investigate muscle physiology following nestin knock out. We show that nestin knock out results in impaired muscle regeneration. Skeletal muscle regeneration is dependent on satellite cells, and we could show that there was a defect in the proliferation rate of satellite cells isolated from nestin knock out mice.
Mutations in lamins give rise to muscular dystrophies and premature aging. In the third project included in this thesis, we investigate a point mutation in the LMNA gene associated with dilated cardiomyopathy (DCM). The mutation, p.S143P in lamin A/C, has been identified in the Finnish population and gives rise to late onset DCM with conduction defects. Patient fibroblasts, induced pluripotent stem cells (IPSCs) differentiated into cardiomyocytes and Drosophila were used to investigate the disease phenotype of the p.S143P mutation. We showed that in the patient fibroblasts, the mutation causes inability of mutant lamins to incorporate into the lamina. Instead, the mutant lamins are found in the nucleoplasm and frequently form intranuclear aggregates which eventually lead to endoplasmic reticulum (ER) stress. These findings were further validated in iPSC derived cardiomyocytes as well as in Drosophila.
In summary, the work described in this thesis characterized new structural and functional aspects of both cytoplasmic and nuclear IFs. These findings deepen our understanding of IF dynamics and may benefit molecular targeting of IF related diseases.
Denna doktorsavhandling är indelad i tre projekt. Det första projektet behandlar varför Arthropoda är det enda fylum inom eumetazoerna som saknar cytoIF. I detta projekt har ett humant cytoIF, vimentin, transgent uttryckts i Drosophila, för att studera proteinets kapacitet att monteras och bilda IF-nätverk i artropodvävnad. Slutsatsen är att humant vimentin kan forma nätverk i epitelvävnader i Drosophila, vilket påvisar kompatibilitet mellan cytoIF och Drosophila.
Den andra studien behandlar ett mindre känt cytoIF, nestin. En nestin knock-out mus användes för att studera följderna av avsaknaden av nestin i muskelvävnad. Resultaten visar att knock-out av nestin leder till försämrad läkning av muskler. Läkning hos skelettmuskler är beroende av satellitceller, och denna studie visar att hastigheten i celldelningen är nedsatt i satellitceller som isolerats från nestin knock-out-möss.
Mutationer i nukleära IF, laminer, ger upphov till muskeldystrofi och för tidigt åldrande. I det tredje projektet som ingår i denna doktorsavhandling, undersöks en punktmutation i LMNA-genen. Denna mutation är associerad med dilaterad kardiomyopati (DCM). Mutationen, p.S143P i lamin A/C har identifierats i finska patienter och orsakar sent uppkommande DCM med ledningsdefekter. Patientfibroblaster, inducerade pluripotenta stamceller (iPSC) differentierade till kardiomyocyter och Drosophila användes för att studera fenotypen av p.S143P-mutationen. Studien visar att mutationen orsakar i patentfibroblasterna en oförmåga hos de muterade laminerna att normalt inkorporeras i laminan. De muterade laminerna återfanns i stället i nukleoplasman och bildade ibland stora intranukleära aggregat. Dessa fenotyper ledde till endoplasmatisk retikulär (ER) stress. Dessa resultat kunde också reproduceras i kardiomyocyter deriverade från iPSC samt i Drosophila.
Sammanfattningsvis beskriver studierna som utförts inom ramen för denna doktorsavhandling nya strukturella och funktionella aspekter hos både nukleära och cytoplasmiska IF. Dessa resultat fördjupar vår insikt i IF:ens dynamik och kan komma att gynna utvecklingen av mediciner för att bota sjukdomar som är associerade till IF.
Intermediate filaments (IFs) are nucleoskeletal and cytoskeletal proteins. The human IF protein family consists of 70 genes coding for 74 known proteins and their mutations cause various serious diseases. The IFs provide the cell with a dynamic scaffold that can be effectively assembled and disassembled. The assembly-property of IFs enables the IF scaffold to be continuously remolded, which is important for the motility of the cell and for the deconstruction and reconstruction of the nuclear membrane during mitosis. During evolution, the IFs have, since their emergence, become increasingly functionally differentiated. The adaptation of the IF function and spatial expression reflects how instrumental the IFs have become for multicellular organisms. The nuclear IFs, which are precursors to the cytoplasmic IFs (cytoIFs), are conserved in all multicellular organisms. The cytoIFs are also very conserved throughout the eumetazoans except for the arthropods.
This thesis is divided into three projects, the first of which deals with the question why Arthropoda is the only eumetazoan phyla lacking cytoIFs. We transgenically express a human cytoIF, vimentin, in Drosophila to study cytoIF expression and assembly in arthropod tissue. We conclude that human vimentin forms networks in epithelial tissue in Drosophila, suggesting some compatibility for cytoIFs in Drosophila specifically in epithelial tissue.
The second study deals with the less well characterized cytoIF nestin. We utilized a nestin null mouse model to investigate muscle physiology following nestin knock out. We show that nestin knock out results in impaired muscle regeneration. Skeletal muscle regeneration is dependent on satellite cells, and we could show that there was a defect in the proliferation rate of satellite cells isolated from nestin knock out mice.
Mutations in lamins give rise to muscular dystrophies and premature aging. In the third project included in this thesis, we investigate a point mutation in the LMNA gene associated with dilated cardiomyopathy (DCM). The mutation, p.S143P in lamin A/C, has been identified in the Finnish population and gives rise to late onset DCM with conduction defects. Patient fibroblasts, induced pluripotent stem cells (IPSCs) differentiated into cardiomyocytes and Drosophila were used to investigate the disease phenotype of the p.S143P mutation. We showed that in the patient fibroblasts, the mutation causes inability of mutant lamins to incorporate into the lamina. Instead, the mutant lamins are found in the nucleoplasm and frequently form intranuclear aggregates which eventually lead to endoplasmic reticulum (ER) stress. These findings were further validated in iPSC derived cardiomyocytes as well as in Drosophila.
In summary, the work described in this thesis characterized new structural and functional aspects of both cytoplasmic and nuclear IFs. These findings deepen our understanding of IF dynamics and may benefit molecular targeting of IF related diseases.