Myozelluläre Stressantwort: Regulation von αB-Crystallin infolge von akutem und chronischem krafttrainings-induziertem mechanischem Stress

Die Fähigkeit der Skelettmuskulatur, dem durch kontraktile Aktivität generierten Stress zu widerstehen, ist grundlegend für die Erhaltung ihrer Funktionsfähigkeit während der gesamten Lebensspanne. Im Laufe des Evolutionsprozesses haben Myozyten zu diesem Zweck diverse Strategien entwickelt. Infolge eines Stressereignisses wird in erster Instanz über die akute Stressantwort die Homöostase und folglich die Funktionsfähigkeit der Zellen gesichert, wobei wiederholte Stressereignisse zu einer persistenten Erweiterung der Kompensationskapazitäten bzw. zu einer Anpassung führen. Die spezifische Art der Anpassung hängt in direkter Weise mit der Ausprägung des induzierten Stresses zusammen. Dieser als solcher wiederum ist im physiologischen Sinne ausschließlich über die Spezifik der Stressantwort identifizierbar. Damit ist ein hinreichendes Verständnis zielgerichteter muskulärer Anpassung untrennbar mit einem umfassenden Verständnis der Regulation der molekularen Stressantwort verbunden.
Ein Hauptakteur des myozellulären Sofortschutzmechanismus ist αB-Crystallin (CRYAB), ein zur Familie der kleinen Hitzeschockproteine gehörendes ATP-unabhängiges Chaperon. Als solches besitzt das Protein eine zytoprotektive Funktion, indem es sich entfaltende bzw. fehlgefaltete Proteine „einfängt“, so deren irreversible Aggregation verhindert und sie in Kooperation mit weiteren, ATP-abhängigen Chaperonen ihrer Renaturierung oder aber dem autophagosomalen Abbau zuführt. Aus dem Skelettmuskel ist bekannt, dass CRYAB infolge von kontraktionsinduziertem Stress aus dem Zytosol hin zu zytoskelettalen Strukturen transloziert und mit diesen assoziiert, wodurch eine Stabilisierung und somit ein Schutz vor potenzieller (weiterer) Schädigung einhergeht. Dabei scheint im humanen Skelettmuskel vor allem die mechanische Stresskomponente für die Induzierung von CRYAB infolge kontraktiler Aktivität ausschlaggebend zu sein. Ein wesentlicher Faktor für die Funktion und damit die zytoprotektiven Eigenschaften von CRYAB ist seine Phosphorylierung an Serin 59.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, ein umfassendes Verständnis über die Regulation von CRYAB infolge von krafttrainingsinduziertem mechanischen Stress zu generieren. Aufgrund der Heterogenität des Skelettmuskelgewebes hinsichtlich seiner Fasertypen (Typ I, IIA, IIX) und damit einhergehenden funktionellen Eigenschaften, war es ferner das Ziel, ein fasertypspezifisches Abbild der CRYAB- Regulation zu erzeugen. Die Untersuchung der Regulation umfasste die Phosphorylierung von CRYAB an Serin 59 (pCRYABS59), die Expression des totalen CRYAB, sowie seine Translokation bzw. Assoziation mit Strukturen des Zytoskeletts.
Hierfür wurde in einer ersten Studie die Regulation von CRYAB unter dem Einfluss verschiedener Belastungsarten und damit unterschiedlich hohem kontraktionsinduzierten mechanischen Stress sowie verschiedener Belastungsvolumina untersucht (73). Im Fokus stand dabei die Akutantwort von CRYAB infolge von singulärem, sich nicht wiederholendem Stress. Anknüpfend an die dadurch gewonnenen Erkenntnisse wurde nachfolgend der Einfluss von chronischer Belastung auf die akute 3
CRYAB-Regulation behandelt. Es wurde untersucht, ob die akute myozelluläre Stressantwort infolge von systematisch wiederholter Belastung sowie einer temporären Aussetzung derselben modifiziert wird. Ausgehend von der Annahme, dass eine systematisch wiederholte Stressexposition zu einer Anpassung im Sinne einer erhöhten Resistenz gegenüber dem Stressor führt, galt das Interesse möglichen Faktoren, die zu dieser potenziellen myozellulären mechanischen Stressresistenz beitragen könnten. Hierzu wurde ermittelt, ob das Typ III Intermediärfilament Desmin, ein wichtiges Strukturprotein, das u.a. an der lateralen Kraftübertragung beteiligt ist, im Zuge wiederholter Krafttrainingsreize eine Hochregulierung erfährt.
Zusammenfassend konnten wir zeigen, dass krafttrainingsassoziierte Belastung zu einem starken Anstieg der pCRYABS59 führt, wofür die mechanische Stresskomponente wesentlich ist. Bei systematischer Wiederholung der Belastung kommt es zu einer sukzessiven Abschwächung der pCRYABS59-Antwort und Zunahme der Desminmenge; wird jedoch die regelmäßige Belastungsexposition des Muskels für eine gewisse Zeit ausgesetzt, nimmt die Desminmenge wieder ab- und die pCRYABS59-Antwort zu, infolge erneuter Belastung. Somit stellt es sich dar, als würde das pCRYABS59 Signal der Desminmenge in einer Art inverser Beziehung folgen. Dabei scheint vor allem hoher mechanischer Stress die Desminzunahme zu fördern. Die pCRYABS59-Antwort sowie die Translokation von CRYAB sind fasertypspezifisch und abhängig von der Art der Belastung. Konkreter bedeutet dies, dass während die pCRYABS59 in Typ I Fasern infolge von Belastungen sowohl gegen relativ niedrige als auch gegen hohe äußere Widerstände ansteigt, ein Anstieg in Typ II Fasern lediglich durch hohen Widerstände zu beobachten ist. Grundsätzlich wird CRYAB infolge der Akkumulation eines gewissen Belastungsvolumens (multipler Sätze) phosphoryliert (73). Dabei kann ein erhöhtes Belastungsvolumen die Phosphorylierung von CRYAB in Typ II Fasern begünstigen, auch wenn die reine Intensität (Höhe des äußeren Widerstandes) per se, relativ niedrig ist.
Daraus folgern wir, dass die akute myozelluläre Stressabwehrreaktion in Form der Phosphorylierung von CRYAB an Serin 59, in geeigneter Weise den Einfluss von kontraktionsinduziertem mechanischen Stress, auf Einzelfaserebene anzeigt. Des Weiteren reflektiert CRYAB dabei die Desensibilisierung der Myozyten gegenüber wiederholtem mechanischen Stress, sowie ihre Resensibilisierung im Zuge des Ausbleibens regelmäßiger Stimulation. Ein dynamischer Prozess des Auf- und Abbaus des zytoskelettalen Desminnetzwerkes dient dabei der Anpassung an diese sich ändernden Anforderungen myozellulärer Resistenz gegenüber mechanischem Stress. Diese Erkenntnisse dienen zum einen dem Verständnis der Funktion des Proteins im Rahmen der Stressabwehrreaktion unter praxisrelevanten in vivo Bedingungen. Zum anderen helfen sie dabei, die Effekte diverser akuter Belastungen sowie chronischer Be- und Entlastungsphasen hinsichtlich ihrer fasertypspezifischen sowie zeitlichen Ausprägung besser zu verstehen.