The mechanisms of cardiac thin filament regulation in health and disease.
健康和疾病中心脏细丝调节的机制。
基本信息
- 批准号:10343934
- 负责人:
- 金额:$ 59.24万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2022
- 资助国家:美国
- 起止时间:2022-01-01 至 2025-12-31
- 项目状态:未结题
- 来源:
- 关键词:3-DimensionalActinsAffectAlgorithmsBepridilBindingBinding SitesCardiacCardiac Muscle ContractionCardiomyopathiesCardiovascular DiseasesCommunicationComplexComputing MethodologiesCryoelectron MicroscopyDataDevelopmentDiseaseDistalDistantElectron MicroscopyEquilibriumGeneticGoalsHealthHeart DiseasesHypertrophic CardiomyopathyIncubatedKnowledgeLeadLobeMicrofilamentsMissionModelingMolecularMolecular ConformationMuscle functionMutationMyocardiumMyosin ATPasePathogenesisPathogenicityPhenotypePhosphorylationPhysiologicalRegulationResearchSideSiteStriated MusclesStructureSurfaceTailTestingTherapeutic InterventionThickThin FilamentThinnessTimeTropomyosinTroponinTroponin CTroponin ITroponin TUnited States National Institutes of HealthVariantgenetic regulatory proteinimprovedindividualized medicineinherited cardiomyopathyinnovationinterdisciplinary approachmultidisciplinarymuscle physiologymutantoutcome predictionpublic health relevancerational designreconstructiontool
项目摘要
Project Summary
Cardiomyopathies are the most common genetic cardiovascular disease worldwide. The presence of cardiac
troponin variants accounts for at least 15% of all familial cardiomyopathy cases. Cardiac muscle contraction is
regulated by free intracellular Ca2+ concentration via two thin filament regulatory proteins – tropomyosin and
troponin complex. Ca2+ binding to troponin displaces tropomyosin from myosin-binding sites and allows formation
of myosin cross-bridges, which on their own contribute to thin filament activation. Troponin complex is composed
of Ca2+ sensing troponin C, actin-binding troponin I, and Tm-bound troponin T. For decades, the helical approach
to electron microscopy reconstruction of the thin filament eliminated information on the structure of the Tn
complex. Hence, the complex interactions among components of the thin filament remained unknown. We
developed cryo-EM non-helical algorithm to the reconstruction of native cardiac thin filaments to reveal the
structure of the whole troponin complex at physiological Ca2+ levels. We show that the thin filament is comprised
of an array of Ca2+-free and Ca2+-bound non-equivalent troponin complexes with short-range cooperativity
between adjacent units. Troponin variants associated with inherited cardiomyopathies affect thin filament Ca2+-
dependent activation. We hypothesize that: (1) dilated (DCM) or hypertrophic (HCM) cardiomyopathy variants in
troponin affect thin filament regulation by: (a) altering the equilibrium between Ca2+-free and Ca2+-bound troponin
complexes via conformational changes in Ca2+-sensing troponin C unit; and/or (b) altering the distribution of
Ca2+-free and Ca2+-bound troponin complexes by changing communication between the adjacent troponins
along and across the thin filament. To test our hypothesis we chose 4 strategically located mutations. In Aim 1
we will utilize pathogenic variants in troponin C located in distal parts of Ca2+-sensing troponin N-lobe to evaluate
how they affect the equilibrium between Ca2+-free and Ca2+-bound troponin complexes, and if they affect
communication between troponin units that may curb activating effect of rigor myosin-S1. In Aim 2 we will focus
on highly penetrant pathogenic variants in troponin T located in N-terminus of troponin T, which stabilizes the
interaction between tropomyosin cables belonging to adjacent troponin units. We will evaluate how these
mutations affect the communication between neighboring troponins and activation by myosin-S1. To reveal how
distal parts of the troponin complex (Ca2+ sensing troponin C and N-terminus of troponin T) communicate, we
will use a Ca2+ sensitizer, which binds to troponin C to revert effects of a troponin T variant. Our multidisciplinary,
multi-PI approach with collective expertise in structural, functional and computational methods will reveal how
the complex interactions between components of the thin filament make heartbeats possible. Successful
execution of the aims may set the ground for the development of tailored therapies that could potentially modulate
the structure of the thin filament to treat various forms of heart disease.
项目概要
心肌病是全世界最常见的遗传性心血管疾病。
肌钙蛋白变异占所有家族性心肌病病例的至少 15%。
通过两种细丝调节蛋白 - 原肌球蛋白和游离细胞内 Ca2+ 浓度进行调节
Ca2+ 与肌钙蛋白的结合取代了肌球蛋白结合位点的原肌球蛋白并允许其形成。
肌球蛋白跨桥,其本身有助于细丝肌钙蛋白复合物的激活。
Ca2+ 感应肌钙蛋白 C、肌动蛋白结合肌钙蛋白 I 和 Tm 结合肌钙蛋白 T。几十年来,螺旋方法
细丝的电子显微镜重建消除了 Tn 结构的信息
因此,细丝成分之间复杂的相互作用仍然未知。
开发了冷冻电镜非螺旋算法来重建天然心脏细丝,以揭示
整个肌钙蛋白复合物在生理 Ca2+ 水平上的结构我们表明细丝是由其组成的。
一系列具有短程协同作用的无 Ca2+ 和 Ca2+ 结合的非等价肌钙蛋白复合物
与遗传性心肌病相关的肌钙蛋白变异会影响细丝 Ca2+-。
我们追求:(1)扩张型(DCM)或肥厚型(HCM)心肌病变异。
肌钙蛋白通过以下方式影响细丝调节: (a) 改变无 Ca2+ 和 Ca2+ 结合肌钙蛋白之间的平衡
通过 Ca2+ 感应肌钙蛋白 C 单元的构象变化和/或 (b) 改变复合物的分布;
通过改变相邻肌钙蛋白之间的通讯来形成无 Ca2+ 和 Ca2+ 结合的肌钙蛋白复合物
为了检验我们的假设,我们在目标 1 中选择了 4 个战略性定位的突变。
我们将利用位于 Ca2+ 感应肌钙蛋白 N 叶远端的肌钙蛋白 C 的致病性变异来评估
它们如何影响无 Ca2+ 和 Ca2+ 结合肌钙蛋白复合物之间的平衡,以及它们是否影响
肌钙蛋白单元之间的通讯可能会抑制僵直肌球蛋白-S1 的激活作用。在目标 2 中,我们将重点关注。
位于肌钙蛋白 T N 末端的高渗透致病性变异,可稳定
我们将评估属于相邻肌钙蛋白单元的原肌球蛋白电缆之间的相互作用。
突变影响邻近肌钙蛋白之间的通讯以及肌球蛋白-S1 的激活。
肌钙蛋白复合物的远端部分(Ca2+ 感应肌钙蛋白 C 和肌钙蛋白 T 的 N 末端)进行通信,我们
将使用 Ca2+ 敏化剂,它与肌钙蛋白 C 结合以恢复肌钙蛋白 T 变体的作用。
具有结构、功能和计算方法方面集体专业知识的多 PI 方法将揭示如何
细丝组件之间复杂的相互作用使心跳成功成为可能。
这些目标的执行可能为开发定制疗法奠定基础,这些疗法可能会调节
细丝的结构可治疗各种形式的心脏病。
项目成果
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专著数量(0)
科研奖励数量(0)
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