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Effects of cardiomyopathy-causing mutations in the coiled-coil regions in troponin core domain on the ATPase activity and physiological functions of myofibrils

心筋症を引き起こすトロポニン変異部位に種々変異を導入した際の筋原繊維ATPase活性変化と生理機能変化

松本 富美子; 前田 佳代*; Piroddi, N.*; Belus, A.*; Poggesi, C.*; 前田 雄一郎*; 藤原 悟

Matsumoto, Fumiko; Maeda, Kayo*; Piroddi, N.*; Belus, A.*; Poggesi, C.*; Maeda, Yuichiro*; Fujiwara, Satoru

肥大型心筋症(HCM)は、心筋のトロポニン(Tn; TnT, TnI, TnCの三量体で構成)の変異が原因となる遺伝性の疾患である。HCMは張力-カルシウム感受性の異常として定義されるが、その発症の分子機構は未だ解明されていない。心筋症を発症させる変異はTn分子中に散在するが、われわれはTnの機能と深くかかわると考えられるコイルドコイル部位にある2つの変異(TnT(E244D)とTnT(K247R))に注目した。本研究では、これらの変異が心筋の機能異常を引き起こす原因を探るために、アミノ酸側鎖の体積や電荷の異なる種々の変異を導入した筋原繊維のATPase活性変化と張力測定を行った。その結果、変異を導入した筋原繊維のATPase活性と張力変化がパラレルであることを明らかにし、またこれまで不明であったTnT(K247R)心筋症がカルシウム感受性を変えることなく最大張力を増大させる疾患であることを発見した。さらに、Tnのアミノ酸変異によるHCM疾患の原因は、コイルドコイルの外側部位で形成されている水素結合ネットワークの異常に起因することを生化学実験と計算シミュレーションから明らかにした。

Hypertrophic cardiomyopathy (HCM) is an autosomal dominant cardiac disease resulting from mutations in genes encoding contractile proteins, including troponin. HMC is characterized by functional aberration on the force-pCa relationship. Only a few HMC-causing mutations have been mapped on the coiled-coil region in the Tn core. Here we focus on two mutations in this region, E244D and K247R of TnT. Whereas E244D has been reported to show an increase of the maximum level of ATPase activity without changing the Ca$$^{2+}$$ sensitivity (Yanaga et. al., 1999), the functional consequence of K247R mutation has not been analyzed. We showed from the ATPase measurements of myofibrils containing the mutants K247R that this mutation exhibits similar functional consequences to the mutation E244D. Moreover, in order to understand how the mutations at these residues cause functional aberrations, we prepared various mutants of TnT (E244D, E244M, E244A, E244K, K247R, K247E, and K247A), having various volumes and charges, and measured ATPase activity of myofibrils containing these mutants TnT. The effect of mutations on the maximum ATPase activity level was different from each other while the Ca$$^{2+}$$ sensitivity was unchanged. To gain insight into the relationship between the ATPase activity and (possible) structural changes caused by these mutations, we carried out energy minimization/molecular dynamics calculations based on the crystal structure of the Tn-core. The results suggested that the stable hydrogen bond network at this region is important for the "proper" function of Tn.

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