Zusammenfassung

Eine kontraktionsinduzierte mechanische Stimulation des Skelettmuskels reguliert die Aktivierung von Mechanismen welche mechanischen Stress erfassen, weiterleiten und zu einer koordinierten, mechanoprotektiven Anpassung übersetzen. Als erste Stressantwort induziert akut erhöhte mechanische Beanspruchung des Skelettmuskels eine rapide subzelluläre Translokation von Chaperonen zur Z-Scheibe wo mechanosensitive Proteine in konzentrierter Form lokalisiert sind. Diese Chaperonumverteilung verhindert Proteinaggregation, ermöglicht die korrekte Proteinfaltung oder führt im Falle von terminaler Schädigung von Proteinen zu deren koordiniertem Abbau. Begleitet wird diese akute Stressantwort von einer vermehrten Phosphorylierung von Signalproteinen welche Proteindegradation, -neusynthese und transkriptionelle Aktivität regulieren. Unter chronisch mechanischem Stress führt die Neusynthese von Strukturproteinen sowie deren Einbau in Z-Scheiben und fokalen Adhäsionen zu einer Zunahme der Stabilität des Sarkomerzytoskeletts und Mechanoprotektion. In Zusammenarbeit mit der Gruppe von Jörg Höhfeld konnten wir zeigen, dass BAG3 eine zentrale Rolle in der Regulation der Proteinhomöosthase im humanen Skelettmuskel nach Krafttraining einnimmt. BAG3 und assoziierte Chaperone und Proteostasefaktoren adaptieren auf mechanische Belastung durch Trainingsbelastung, was die zentrale Rolle von BAG3 als Schlüsselprotein in der Regulation von mechanoprotektiver Anpassung im humanen Skelettmuskel illustriert. Mit dieser Studie möchten wir vorangegangene Untersuchungsbefunde ergänzen und das Wissen um die Regulation von Chaperonen und Degradationssystemen sowie der dazugehörigen, mechanisch aktivierten Signalwege wesentlich vertiefen, welche für die Aufrechterhaltung der Proteinhomöostase im belasteten Skelettmuskel essentiell sind. In unserer Trainingsstudie werden daher 20 männliche Probanden im nicht adaptierten und adaptierten Zustand, akuter, wiederholter und pausierter mechanischer Belastung durch Krafttraining unterzogen. Entnommene Muskelbiopsien werden umfassend auf die Anpassung mechanoprotektiver Mechanismen untersucht. Insbesondere werden Sarkomerschädigung, sowie die Expression, Lokalisation und Phosphorylierung von Chaperonen und Proteostasefaktoren sowie die Regulation der verantwortlichen Signalwege untersucht werden. Wir nehmen an, dass sich mechanoprotektive Systeme differentiell entwickeln, begleitet von einem molekularen Anpassungsmuster, welches spezifische Phasen von vermehrter und verminderter mechanischer Belastung auf molekularer Ebene wiederspiegelt. Die vorliegende Arbeit wird fundamentale Regulationsprinzipien der Mechanoprotektion im humanen Skelettmuskel aufzeigen.
(DFG-Projektnummer 388932620)

Zusammenfassung

Contraction-induced mechanical stimulation is linked to mechanisms that sense, transduce and translate mechanical strain to a coordinated mechanoprotective adaptation of skeletal muscle. In a first line of defense, acute mechanical strain involves subcellular shuttling of chaperones to sites such as Z-disks, where mechanosensitive proteins are concentrated. This prevents aggregation and facilitates the refolding or - in case of terminal damage - the degradation of mechanically unfolded proteins. Chaperone recruitment is accompanied by a rapid activation of signalling pathways that control gene expression, protein synthesis and protein degradation. Under chronic mechanical strain, the sarcomeric cytoskeleton is strengthened through increased incorporation of contractile filaments and proteins that stabilize Z-disks and focal adhesions leading to mechanoprotection. In close collaboration with the Höhfeld lab, we recently showed that the cochaperone BAG3 is of central importance for protein homeostasis in exercised human muscle. BAG3 and its associated chaperones and proteostasis factors respond to acute physical exercise and to repeated mechanical stimulation, identifying the BAG3 machinery as key player in mechanical stress protection in humans. Here, we aim to significantly extent these previous studies and to provide a more comprehensive picture of chaperone and degradation machineries, which are essential for maintaining human muscle under mechanical stress, and of signalling pathways that regulate these machineries in response to mechanical cues. More specifically, we will subject 20 healthy males to conditions of acute not adapted, adapted and decreased mechanical stimulation simulated by resistance exercise. On human skeletal muscle biopsies we will then conduct a detailed analysis of mechanoprotective systems and specifically determine sarcomere damage, expression, localization and phosphorylation of chaperones and other proteostasis factors and analyse the involved signalling pathways. We hypothesize that skeletal muscle mechanoprotective systems adapt differentially under conditions of changing mechanical demand, causing defined molecular signatures that reflect specific responses to conditions of increased and decreased loading. The work will establish fundamental principles of mechanical stress protection in human skeletal muscle.
(DFG-Projekt number 388932620)