Universität zu Köln

Filipova, Dilyana (2018). From excitation-contraction coupling to gene expression: Roles of RYR1 and Cav1.1 in myogenesis. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The main function of differentiated skeletal muscle is contraction, allowing for movement. However, contraction also has important developmental roles and thus is indispensable for proper muscle formation and organization. On a molecular level, the initiation of skeletal muscle contraction relies on the interplay of two mechanically coupled Ca2+ channels - the principal subunit of the 1,4 dihydropyridine receptor (Cav1.1) and the type 1 ryanodine receptor (RYR1), the key event in the process of excitation-contraction coupling (ECC). While multiple functional and structural studies over the last decades have led to a deeper understanding of the roles of Cav1.1 and RYR1 in ECC, their specific involvement in muscle development and in gene expression remains obscure. The present work analyzes the morphological and global transcriptomic changes occurring in limb skeletal muscle from RYR1- and Cav1.1-deficient (RYR1-/- and Cav1.1-/-, respectively) mice at the beginning (E14.5) and at the end (E18.5) of secondary myogenesis. In both models initial muscle structure alterations are already observable E14.5. At this stage, increased apoptosis is observed only in Cav1.1-/- limb skeletal muscle. Microarray analyses reveal discrete transcriptomic changes in both mutants at E14.5, with downregulation of genes primarily associated with innervation and neuron development in RYR1-/-, and with muscle contraction in Cav1.1-/- skeletal muscle. At E18.5, both RYR1-/- and Cav1.1-/- skeletal muscles are characterized by more severe structural malformation, fibrosis, and signs of developmental retardation. At this stage a high number of the detected differentially expressed genes (DEGs) overlap i RYR1 /- and Cav1.1-/-. Both mutants display a failure to upregulate the expression of many genes involved in the buildup of the contractile machinery and exhibit changes in the expression of global signaling pathways and multiple microRNAs. Mutant-specific transcriptomic changes point to changes in the composition of the extracellular matrix in RYR1-/- muscle and in the lipid metabolism in Cav1.1-/- muscle. Finally, the absence of RYR1 in RYR1-/- mice alters the ratio of Cav1.1 splice variants at E14.5, and the total Cav1.1 mRNA levels at E18.5. Taken together, the results of this work highlight the importance of Cav1.1 and RYR1 for the proper execution of the developmental gene expression program during secondary myogenesis in mouse limb skeletal muscle. Furthermore, it provides insights into mutual but also specific roles of each Ca2+ channel during skeletal muscle development.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Als Hauptfunktion der differenzierten Skelettmuskulatur gilt die Kontraktion, welche den Lebewesen die aktive Bewegung ermöglicht. Die Kontraktion spielt jedoch auch eine wichtige Rolle in der Myogenese und ist daher unerlässlich für die korrekte Ausbildung und Organisation des muskuloskeletalen Systems. Auf molekularer Ebene erfordert die Initiierung der Skelettmuskelkontraktion das Zusammenspiel zweier mechanisch gekoppelter Ca2+ Kanäle, der Hauptuntereinheit des 1,4-Dihydropyridin-Rezeptors (Cav1.1) und des Typ 1 Ryanodin-Rezeptors (RYR1), im Rahmen der sogennanten elektromechanischen Kopplung (ECC). Obwohl mehrere funktionelle und strukturelle Studien im Laufe letzten Jahrzehnten ein tieferes Verständnis der Rolle von Cav1.1 und RYR1 beim ECC ermöglicht haben, bleibt die genaue Rolle, die sie bei der Regulation der Genexpression während der Muskelentwicklung spielen unklar. Die vorliegende Arbeit untersucht die morphologischen und globalen Veränderungen im Transkriptom der Extremitätenmuskulatur von RYR1- und Cav1.1-defizienten (RYR1-/- und Cav1.1 / ) Mäusen zu Beginn (E14.5) und am Ende (E18.5) der sekundären Myogenese. In beiden Modellen sind bereits zum Zeitpunkt E14.5 erste Veränderungen der Muskelstruktur feststellbar. In diesem Stadium wird in Cav1.1-/- Skelettmuskeln auch eine erhöhte Apoptoserate beobachtet. Microarray-Analysen zeigen diskrete Veränderungen des Transkriptoms beider Mutanten zum Zeitpunkt E14.5, mit einer Herunterregulation von Genen, die hauptsächlich mit Innervation und Neuronenentwicklung in RYR1-/-- und mit Muskelkontraktion in Cav1.1-/--Skelettmuskeln assoziiert sind. Zum Zeitpunkt E18.5 weist sowohl die RYR1-/-- als auch die Cav1.1-/--Skelettmuskulatur schwerere strukturelle Anomalien, Fibrose sowie Anzeichen einer Entwicklungsverzögerung auf. Dieses späte Stadium ist durch einen hohen Überlappungsgrad der identifizierten differentiell exprimierten Gene (DEGs) zwischen RYR1-/- und Cav1.1-/- gekennzeichnet: Beide Mutanten zeigen eine fehlerhafte Regulation zahlreicher Gene, die am Aufbau der kontraktilen Maschinerie beteiligt sind, Veränderungen in der Expression von Transkripten globaler Signalwege sowie von multiplen microRNAs. Mutantenspezifische Transkriptomveränderungen zu E18.5 deuten auf Veränderungen in der Zusammensetzung der extrazellulären Matrix in RYR1-/--Muskeln und im Lipidstoffwechsel in Cav1.1-/--Muskeln hin. Zudem beeinträchtigt das Fehlen von RYR1 im Muskel das normale Verhältnis von Cav1.1 Spleißvarianten zum Zeitpunkt E14.5 sowie den Gesamt-Expressionslevel von Cav1.1 mRNA zum Zeitpunkt E18.5. Zusammenfassend heben die Ergebnisse dieser Arbeit die Bedeutung von Cav1.1 und RYR1 für die korrekte Durchführung des Genexpressionsprogramms während der sekundären Myogenese in Skelettmuskeln der Maus hervor. Darüber hinaus ergeben sich Einblicke in die Synergie, aber auch in die spezifischen Rollen der beiden Ca2+-Kanäle während der Skelettmuskelentwicklung. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Filipova, Dilyana d.filipova@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-85098
Date:	28 May 2018
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Medicine > Physiologie und Pathophysiologie > Institut für Vegetative Physiologie
Subjects:	Natural sciences and mathematics Life sciences Medical sciences Medicine
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language RYR1, Cav1.1, myogenesis, gene expression, microarray, skeletal muscle, muscle development, mouse genetics, calcium channel, excitation-contraction coupling, paralysis English
Date of oral exam:	20 July 2018
Referee:	Name Academic Title Gehring, Niels Prof. Dr. Herzig, Stefan Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/8509