Anja Katrin Arbeiter

• Prolongierte Ischämieperioden des Herzens führen zu struktureller Schädigung der Kardiomyozyten, d.h. einer Desorganisation und Zerstörung des kontraktilen und plasmalemmalen Zytoskeletts, welche sich final durch Verlust an Kontraktilität und Ruptur der Plasmamembran manifestieren. Stressproteine können an die Komponenten des Zytoskelettes binden und durch Konformationsschutz der ischämischen Schädigung entgegenwirken. In vorangegangenen Untersuchungen wurde gezeigt, dass es unter Ischämie zu einerProlongierte Ischämieperioden des Herzens führen zu struktureller Schädigung der Kardiomyozyten, d.h. einer Desorganisation und Zerstörung des kontraktilen und plasmalemmalen Zytoskeletts, welche sich final durch Verlust an Kontraktilität und Ruptur der Plasmamembran manifestieren. Stressproteine können an die Komponenten des Zytoskelettes binden und durch Konformationsschutz der ischämischen Schädigung entgegenwirken. In vorangegangenen Untersuchungen wurde gezeigt, dass es unter Ischämie zu einer Translokation des konstitutiv in hoher Konzentration vorkommenden kardialen Stressproteins aB-Crystallin vom Zytosol an die Myofibrillen kommt. Dabei führen bereits kurzdauernde Ischämieperioden zu einer kompletten Umverteilung von aB-Crystallin in die Z/I-Region des Sarkomers. Es war das Ziel dieser Arbeit, diese Bindung von aB-Crystallin an Strukturproteine im Z/I-Banden Bereich näher zu charakterisieren und aB-Crystallin ultrastrukturell zu lokalisieren. Durch Immunogoldmarkierung konnte aB-Crystallin ultrastrukturell im Herzen unter globaler Ischämie in einer Linie parallel zur Z-Scheibe etwa in der Mitte der halben I-Bande lokalisiert werden. Diese Zone entspricht dem Bereich, der als N-Linie bezeichnet wird. In der Frage der in vivo-Bindungspartner von aB-Crystallin waren daher in erster Linie Komponenten der I-Bande, d.h. Aktin und Titin in Betracht zu ziehen. Z-Scheiben Proteine wie a-Actinin treten dagegen in den Hintergrund. Um Anhaltspunkte über die Bindungsstärke des Stressproteins aB-Crystallin an kardiale Myofibrillen unter Ischämie zu erhalten, wurden ischämische Myofibrillen aus dem Rattenherz mit hochmolaren Salzlösungen und chaotropen Substanzen behandelt. Dabei konnte eine sehr hohe Bindungsaffinität von aB-Crystallin an die Myofibrillen festgestellt werden. Die myofibrilläre Bindung zeigte sich resistent gegenüber 1M KCl, 1M NaSCN und 2M Harnstoff, erst 2M NaSCN und 4M Harnstoff, die eine Zerstörung der myofibrillären Integrität bewirken, vermögen die aB-Crystallin-Bindung zu lösen. Aktin dagegen ließ sich bereits durch 0,5M NaSCN-Lösung von den Myofibrillen extrahieren, Bedingungen, unter denen aB-Crystallin noch fest an die Myofibrillen gebunden blieb. Aktin scheidet somit als in vivo-Bindungspartner von aB-Crystallin aus. Dieses Ergebnis immunhistochemischer Untersuchungen konnte auch mit biochemischer Methodik (Immunreplikanalyse) verifiziert werden. Titin zeigte sich wie aB-Crystallin resistent gegenüber den meisten der oben aufgeführten Salzlösungen. Eine deutliche Extraktion von Titin aus den Myofibrillen konnte erst durch Behandlung mit 2M NaSCN sowie 4M Harnstofflösung beobachtet werden, das Extraktionsverhalten entsprach somit dem von aB-Crystallin. Einen Hinweis auf eine Assoziation von aB-Crystallin mit Titin lieferte der Nachweis von aB-Crystallin in isolierten Titinfraktionen aus ischämischen Herzen. Der direkte Beweis für eine aB-Crystallin-Titin-Interaktion konnte im Rahmen dieser Arbeit jedoch nicht erbracht werden. Bindungsstudien, die zwischen ausgewählten nativen, in vitro translatierten Titindomänen und aus der Linse isoliertem aB-Crystallin durchgeführt wurden, waren negativ. Dies ist möglicherweise dadurch bedingt, dass aB-Crystallin erst unter Ischämie mit Titin interagiert und in vitro Kofaktoren benötigt werden. Durch eine Bindung an I-Banden Abschnitte des Titinmoleküls könnte aB-Crystallin eine kardioprotektive Funktion erfüllen, indem es unter Ischämie stabilisierend auf das Filamentsystem einwirkt.…
• Prolonged ischemic periods of the heart lead to structural damage of the cardiomyocytes, i.e. disorganization and destruction of the cellular cytoskeleton with final loss of contractility and rupture of the plasma membrane. Stress proteins can bind to components of the cellular cytoskeleton and play a protective role during various kinds of stresses. Previous studies showed a translocation of the cardiac stress protein áB crystallin from the cytosol, there occurring in constitutive high concentrations, to the myofibrils under ischemia. AlreadyProlonged ischemic periods of the heart lead to structural damage of the cardiomyocytes, i.e. disorganization and destruction of the cellular cytoskeleton with final loss of contractility and rupture of the plasma membrane. Stress proteins can bind to components of the cellular cytoskeleton and play a protective role during various kinds of stresses. Previous studies showed a translocation of the cardiac stress protein áB crystallin from the cytosol, there occurring in constitutive high concentrations, to the myofibrils under ischemia. Already short ischemic periods lead to a complete translocation of áB crystallin into the Z/I region of the myofibrils. The purpose of the present study was to identify the localization of áB crystallin during ischemia at the ultrastructural level and to obtain further information about myofibrillar components that may serve as binding sites for áB crystallin during ischemia. Under global ischemia áB crystallin could be located by immunogold-labelling in the heart in a narrow zone of the I-band parallel to the Z-disk (area of the N2-line).The restriction of áB crystallin to this N2-line indicates binding of áB crystallin to either titin or components of actin filaments. Actin filaments and actin associated proteins such as tropomyosin or troponin complex are not likely candidates for áB crystallin binding because actin became completely extracted of the myofibrils after treatment of cryostat sections of ischemic rat myocardium with 0,5M NaSCN, conditions where áB crystallin and titin remained unchanged.The myofibrillaric binding of áB crystallin and titin resisted extraction with 1M KCl, 1M NaSCN and 2M urea, only 2M NaSCN and 4M urea, which cause a destruction of the myofibrillaric integrity, were able to disrupt the áB crystallin binding. These results of immunocytochemistry could be verified biochemically (immunoblotting). They indicate association of áB crystallin with titin the only remaining non-actin or actin-binding cytoskeletal component of I-bands outside Z-disks. Further evidence for binding of áB crystallin to titin was obtained by dot-blot assays in which biotinylated áB crystallin was demonstrated to bind to a titin-enriched fraction of pig myocardium immobilized on nitrocellulose. Furthermore this titin-enriched fraction was shown to copurify with áB crystallin. However dot-blot binding studies between several in-vitro translated titin domains and purified áB crystallin did not show any detectable binding. These negative results obtained by in vitro binding studies do not exclude interaction between titin fragments and áB crystallin in vivo. The absence of in vitro interaction is possibly due to a different three dimensional structure of the in vitro expressed titin fragments or to the absence of specific ischemia-induced cofactors. Binding of áB crystallin to titin during cardiac ischemia could serve to stabilize titin against denaturation and might provide an endogenous mechanism to delay ischemic damage by stabilizing this critical I-band region of titin with its elastic properties.…