Η απουσία της μυοειδικής πρωτεΐνης ενδιάμεσων ινιδίων δεσμίνης οδηγεί σε διατατική μυοκαρδιοπάθεια, η οποία χαρακτηρίζεται από μιτοχονδριακές διαταραχές και κυτταρικό θάνατο καθώς και από εκτεταμένη ίνωση και ασβεστίωση του μυοκαρδίου. Προκειμένου να διασαφηνιστεί ο μηχανισμός που οδηγεί στο φαινότυπο απουσίας δεσμίνης, πραγματοποιήθηκε πρωτεωμική ανάλυση μιτοχονδρίων από το φυσιολογικό μυοκάρδιο και από το μυοκάρδιο απουσίας δεσμίνης. Σημαντικές διαφορές εντοπίστηκαν σε πρωτεΐνες που σχετίζονται με το μεταβολισμό ακετικού οξέος και κετονοσωμάτων, στο μεταφορέα μαλικού-ασπαρτικού, στο σύμπλοκο PDH, στον μεταβολισμό αμινοξέων, στην αναπνοή και στη μεταφορά ενέργειας. Αναζητήθηκε να ελεγχθεί αν οι μιτοχονδριακές διαταραχές και συνεπώς η μυοκαρδιοπάθεια απουσίας δεσμίνης μπορεί να βελτιωθεί από την υπερέκφραση των μικρών θερμεπαγόμενων πρωτεϊνών, αΒ-κρυσταλλίνης και HSP25. Πραγματοποιήθηκε υπερέκφραση των μικρών θερμεπαγόμενων πρωτεϊνών αΒ- κρυσταλλίνης και HSP25 ανεξάρτητα στο μυοκάρδιο χωρίς δεσμίνη υπό τον έλεγχο του υποκινητή της α βαριάς αλυσίδας της μυοσίνης (αMHC). Η υπερέκφραση τόσο της αΒ-κρυσταλλίνης, όσο και της HSP25 είχε ως αποτέλεσμα την υψηλού βαθμού βελτίωση της μορφολογίας του μυοκαρδίου, όπως προκύπτει από τη μείωση της ίνωσης και της ασβεστίωσης και την αναίρεση των διαταραχών υπερδομής, όπως η διόγκωση και η βλάβη των μιτοχονδρίων καθώς και η άτακτη διευθέτηση και καταστροφή των μυοϊνιδίων. Η καρδιακή λειτoυργία θεραπεύθηκε σε σημαντικό βαθμό στην περίπτωση της HSP25 και σε μεγαλύτερο βαθμό στην περίπτωση της αΒ- κρυσταλλίνης, όπως προκύπτει από τη βελτίωση της συστολικής λειτουργίας, την αύξηση του πάχους του οπίσθιου τοιχώματος της αριστερής κοιλίας και τη μείωση της καταπόνησης που αυτό υφίσταται. Επίσης, στην περίπτωση της αΒ- κρυσταλλίνης, τα πρότυπα παρουσιάζουν 100% βιωσιμότητα σε πρωτόκολλο υποχρεωτικής άσκησης υπό μορφής κολύμβησης διάρκειας 24 ημερών, ενώ στις ίδιες συνθήκες τα πρότυπα χωρίς δεσμίνη εμφανίζουν 50% βιωσιμότητα. Παράλληλα, η υπερέκφραση αΒ-κρυσταλλίνης προσδίδει σημαντική προστασία έναντι των ελεύθερων ριζών οξυγόνου και αζώτου, όπως προκύπτει από πειράματα καλλιεργειών ενήλικων μυοκαρδιοκυττάρων με σήμανση με τον ιχνηθέτη CM-H2DCFDA. Το ίδιο xi συμπέρασμα προκύπτει από τη μείωση του μιτοχονδριακού ανιόντος υπεροξειδίου μετά από σήμανση με MitoSox Red. Ομοίως, η υπερέκφραση της αΒ-κρυσταλλίνης προστατεύει τα κύτταρα από την επίδραση οξειδωτικών ερεθισμάτων, όπως η επίδραση H202 επί της καλλιέργειας, όπως αποδεικνύεται από τη σήμανση με τον ιχνηθέτη CM-H2DCFDA. Παράλληλα, η αΒ-κρυσταλλίνη προσδίδει προστασία έναντι της αύξησης της διαβατότητας του μιτοχονδριακού πόρου μεταβατικής διαβατότητας (MPTP) και της πτώσης του μιτοχονδριακού δυναμικού (Δψ), όπως προκύπτει από τη σήμανση ενήλικων μυοκαρδιοκυττάρων με τον ποτενσιομετρικό ιχνηθέτη TMRM. Τόσο η αΒ-κρυσταλλίνη όσο και η HSP25 ενδέχεται να προστατεύουν το μυοκάρδιο χωρίς δεσμίνη μέσω της δράσης τους ως μοριακών συνοδών, προσδίδοντας αντιοξειδωτική προστασία μέσω αύξησης των επιπέδων γλουταθειόνης και δρώντας ως πλειοτροπικά αποπτωτικά μόρια / The absence of the muscle-specific intermediate protein desmin leads to dilated cardiomyopathy, which is characterized by mitochondrial defects and significant cell death, as well as extensive fibrosis and calcification. In an attempt to elucidate the mechanism leading to the desmin deficient phenotype, we performed a proteomics analysis of mitochondria isolated from wild type and desmin null myocardium. Significant differences were found in acetate and ketone metabolism, in malate-aspartate shuttle, PDH complex, aminoacid metabolism, as well as respiration and energy shuttling. We sought to investigate whether the mitochondrial abnormalities and consequently the desmin null cardiomyopathy could be improved by the overexpression of the small heat shock proteins aB-crystallin and HSP25. We overexpressed the two proteins independently in the desmin deficient myocardium under the control of the αΜΗC promoter. The overexpression of the two proteins resulted in significant improvement of myocardial morphology, as demonstrated by the reduction of fibrosis and calcification and the correction of ultrastructural defects, such as mitochondrial swelling and destruction and irregular positioning and deterioration of myofibrils. Cardiac function was ameliorated to a significant degree by HSP25 overexpression and to even higher extent by aBcrystallin overexpression, as proven by the improvement of systolic function, the increase in posterior wall thickness and the reduction of r/h, an indicator of LV wall stress. In addition, in the case of αΒ-crystallin overexpression, desmin null mice demonstrate a rate of 100% survival in an obligatory exercice swimming protocol, while under the same conditions, only 50% of desmin null mice survive. Also, αΒ-crystallin overexpression provides significant protection against reactive oxygen and nitrogen species, and more specifically against mitochondrial superoxide ion, as proven by tissue culture experiments with adult cardiomyocytes and CM-H2DCFDA and MitoSox Red staining. Similarly, αΒ-crystallin overexpression protects desmin null cardiomyocytes from oxidative insults, such as hydrogen peroxide, as demonstrated by CMH2DCFDA staining. Moreover, αΒ-crystallin protects against the permeability increase of MPTP and the decrease of mitochondrial potential (Δψ), as demonstrated by staining of adult cardiomyocytes with TMRM. αΒ-crystallin and HSP25 may protect the desmin null myocardium by acting as molecular chaperons, by providing antioxidant protection through their capacity to increase glutathione levels and by acting as pleiotropic anti-apoptotic molecules.

Η δεσμίνη, η μυοειδική πρωτεΐνη των ενδιαμέσων ινιδίων, δημιουργεί ένα εκτενές δίκτυο που συνδέει τη συσταλτή συσκευή των μυοκυττάρων με την κυτταροπλασματική μεμβράνη -στο επίπεδο των εμβόλιμων δίσκων για τα καρδιομυοκύτταρα- τον πυρήνα και διάφορα μεμβρανώδη κυτταρικά οργανίδια. Σκοπός αυτής της εργασίας ήταν η διερεύνηση του μηχανισμού καρδιοπροστασίας που παρέχει ο κυτταροσκελετός της δεσμίνης in vivo, καθώς και η γενικότερη συμμετοχή της στα μονοπάτια της απόπτωσης. Η αποδιοργάνωση του κυτταροσκελετού είναι μια βασική διαδικασία για την εξέλιξη του μονοπατιού της απόπτωσης. Τόσο τα μικροϊνίδια της ακτίνης, όσο και τα ενδιάμεσα ινίδια -συμπεριλαμβανομένων και των πυρηνικών λαμινών- αποτελούν υπόστρωμα πέψης για διάφορα μέλη της οικογένειας των κασπασών. Η δεσμίνη είναι γνωστό ότι πέπτεται in vitro από ανασυνδυασμένη κασπάση-6, στο 263 ασπαρτικό οξύ. Το αμινοτελικό προϊόν αυτής της πέψης δεν είναι ικανό να συμμετέχει στη συγκρότηση ινιδίων, αλλά αντίθετα παρεμποδίζει αυτή τη διαδικασία σχηματίζοντας συσσωματώματα. Ως in vivo μοντέλο επαγωγής της απόπτωσης χρησιμοποιήθηκαν διαγονιδιακά ποντίκια που υπερεκφράζουν, ειδικά στην καρδιά, τον Παράγοντα Νέκρωσης Όγκων (Tumor Necrosis Factor, TNF-α). O TNF-α έχει βρεθεί ότι επάγει διαφορετικά μονοπάτια κυτταρικού θανάτου ενεργοποιώντας, μεταξύ άλλων, μέλη της οικογένειας των πρωτεολυτικών ενζύμων, των κασπασών. Το μυοκάρδιο των ποντικιών που υπερεκφράζει TNF-α (ΜΗCsTNF) χαρακτηρίζεται αρχικά από ομόκεντρη υπερτροφία των καρδιομυοκυττάρων που ακολουθείται από διάταση τόσο των κόλπων, όσο και των κοιλιών. Τα ποντίκια αυτά πεθαίνουν από καρδιακή ανεπάρκεια σε ποσοστό 25% πριν τη συμπλήρωση του έκτου μήνα ζωής. Στο μυοκάρδιο των ΜΗCsTNF ποντικιών ελέγχθηκε αρχικά ο υποκυτταρικός εντοπισμός της δεσμίνης. Η δεσμίνη στην καρδιά των ΜΗCsTNF ποντικιών έχει χάσει τον εντοπισμό της στους εμβόλιμους δίσκους, αλλά διατηρεί, εν μέρει, την παρουσία της στους Ζ-δίσκους. Προκειμένου να διαπιστωθεί εάν εκτός από τη δεσμίνη, έχει αλλοιωθεί η παρουσία και άλλων πρωτεϊνών των εμβόλιμων δίσκων, μελετήθηκε στο μυοκάρδιο αυτών των ποντικιών, η υποκυτταρική κατανομή της δεσμοπλακίνης, της β-κατενίνης και της κοννεξίνης 43, που είναι χαρακτηριστικές πρωτεΐνες των δεσμοσωμάτων, των συνδέσμων πρόσδεσης και των χασματοσυνδέσμων, αντίστοιχα. Οι πρωτεΐνες αυτές αρχικά φαίνεται να αγκυροβολούνται στους εμβόλιμους δίσκους, παροδικά όμως απομακρύνονται και κατευθύνονται προς την πλευρική επιφάνεια των καρδιομυοκυττάρων. Μελέτη με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο αποκάλυψε ότι εκτός από την κατανομή συγκεκριμένων πρωτεϊνών, είναι διαταραγμένη και η γενική αρχιτεκτονική των εμβόλιμων δίσκων. Επιπρόσθετα, πιστοποιήθηκε ότι η δεσμίνη πέπτεται in vivo και συσσωρεύεται σε συσσωματώματα. Η παρουσία συσσωματωμάτων δεσμίνης έχει συσχετιστεί με αρκετές κληρονομικές μυοπάθειες στον άνθρωπο, οι οποίες χαρακτηρίζονται ως Μυοπάθειες Σχετιζόμενες με τη Δεσμίνη (Desmin Related Myopathies, DRM). Μεταλλάξεις, αλλά και τροποποιήσεις στη δεσμίνη ή σε άλλες πρωτεΐνες με τις οποίες αλληλεπιδρά προκειμένου να δημιουργήσει το συνεχόμενο κυτταροσκελετικό δίκτυο, έχουν ως συνέπεια τη συγκέντρωση συσσωματωμάτων στο κυτταρόπλασμα και έχουν ενοχοποιηθεί για τη διατατική μυοκαρδιοπάθεια και την εξέλιξη της καρδιακής ανεπάρκειας. Στο μυοκάρδιο των ΜΗCsTNF ποντικιών πιστοποιήθηκε η παρουσία δύο διαφορετικών ειδών συσσωματωμάτων της δεσμίνης. Τα πρώτα εμφανίζουν διάχυτο κυτταροπλασματικό πρότυπο και η δεσμίνη σε αυτά συνεντοπίζεται με την HSP25, ενώ τα δεύτερα τείνουν να περιοριστούν κοντά στον πυρήνα και εδώ η δεσμίνη συνεντοπίζεται με την ουμπικουϊτίνη. Μελέτη της υπερδομής των συσσωματωμάτων έδειξε ότι ποικίλουν σε μέγεθος και σύσταση, καθώς περιέχουν κυστίδια, μιτοχόνδρια, μεμβρανώδες υλικό και υλικό υψηλής πυκνότητας, που φαίνεται ότι παρεμποδίζουν, εκτός από τη λειτουργία του πρωτεασώματος, την συσταλτική ικανότητα των μυοϊνιδίων και συμβάλλουν στην εξέλιξη της καρδιακής ανεπάρκειας. Προκειμένου να μελετηθεί η σπουδαιότητα της δεσμίνης στην παθολογία του μυοκαρδίου που υπερεκφράζει TNF-α, ΜΗCsTNF ποντίκια διασταυρώθηκαν με ποντίκια που δεν εκφράζουν δεσμίνη (des-/-). Τα des-/- ποντίκια χαρακτηρίζονται από μια παροδική υπερτροφία των καρδιομυοκυττάρων, η οποία ακολουθείται από ανάπτυξη διατατικής μυοκαρδιοπάθειας με εξέχοντα χαρακτηριστικά τις ανωμαλίες στα μιτοχόνδρια, το μαζικό κυτταρικό θάνατο και τις εκτενείς εναποθέσεις ασβεστίου στην εξωτερική επιφάνεια της καρδιάς και κολλαγόνου στο εσωτερικό της. Τα ΜΗCsTNF des-/- ποντίκια παρουσίασαν δραματική μείωση και στις δύο μορφές συσσωματωμάτων, ενώ η δεσμοπλακίνη και η β-κατενίνη -πρωτεΐνες που ανήκουν σε μια ενιαία και διαπλεκόμενη μορφή κυτταρικών συνδέσεων, την “area composita”- διατήρησαν σημαντικά την παρουσία τους στους εμβόλιμους δίσκους. Οι παρατηρήσεις αυτές υπογραμμίζουν το βαθμό στον οποίο η δεσμίνη συμμετέχει στην εξέλιξη του ΜΗCsTNF φαινοτύπου. Παραδόξως, στο μυοκάρδιο των ΜΗCsTNF des-/- ποντικιών δεν παρατηρούνται τα μορφολογικά χαρακτηριστικά που προκαλεί η έλλειψη της δεσμίνης, ενώ διατηρούνται αυτά της υπερέκφρασης του TNF-α, υποδηλώνοντας ενδεχόμενη προστατευτική δράση του TNF-α για τα des-/- καρδιομυοκύτταρα. Η διερεύνηση του μηχανισμού της πέψης της δεσμίνης από την κασπάση-6, αλλά και της απομάκρυνσής της από τους εμβόλιμους δίσκους, με τις συνακόλουθες συνέπειες, αποτέλεσε τον επόμενο στόχο αυτής της εργασίας. Για το σκοπό αυτό, δημιουργήθηκαν διαγονιδιακά ποντίκια που εκφράζουν τη μεταλλαγμένη δεσμίνη D263E, η οποία στο 263 αμινοξύ φέρει αντί για ασπαρτικό, γλουταμινικό οξύ. Η D263E δεσμίνη δεν πέπτεται από τις κασπάσες στο ΜΗCsTNF μυοκάρδιο, διατηρεί σε μεγάλο βαθμό την παρουσία της στους εμβόλιμους δίσκους και φαίνεται ότι συγκρατεί και τις υπόλοιπες πρωτεΐνες της “area composita” στη δομή αυτή. Επιπλέον, τα συσσωματώματα της ουμπικουϊτίνης μειώνονται σημαντικά και χάνεται ο συνεντοπισμός με τη δεσμίνη σε όσα από αυτά σχηματίζονται. Τέλος, η παρουσία της D263E δεσμίνης μείωσε τον αριθμό των αποπτωτικών καρδιομυοκυττάρων στο ΜΗCsTNF μυοκάρδιο και βελτίωσε σημαντικά την καρδιακή λειτουργία. Συνοψίζοντας, τα αποτελέσματα αυτής της εργασίας υπογραμμίζουν ότι η δεσμίνη είναι ένα μόριο με σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη της μυοκαρδιοπάθειας και της καρδιακής ανεπάρκειας, στο μοντέλο που προκαλείται από την υπερέκφραση του TNF-α. Η συμμετοχή της στο μονοπάτι της απόπτωσης ως υπόστρωμα πέψης για τις κασπάσες και οι επακόλουθες συνέπειες, αποτελούν βάση μελέτης του ρόλου των ενδιαμέσων ινιδίων και για άλλες εκφυλιστικές νόσους. / Desmin, the muscle specific intermediate filament protein, forms a three-dimensional scaffold which links the contractile apparatus to the plasma membrane intercalated disks (IDs), the nucleus and also other membranous cellular organelles. The main goal of this study was to assess the mechanism of cardioprotection by the desmin cytoskeleton in vivo and its participation in the apoptotic pathway. Disruption of the cytoskeleton is a key event in apoptotic cell death pathways. Both actin microfilaments and intermediate filaments -including the nuclear lamins- are substrates for cleavage by different members of the caspase family. Desmin is known to be specifically cleaved in vitro, by caspase-6, at the 263 aspartic acid residue. The amino-terminal product of desmin cleavage is completely unable to assemble into filaments and forms intracellular aggregates. The in vivo model used for the induction of apoptosis was transgenic mice that overexpress specifically in the heart the Tumor Necrosis Factor-α (ΤΝF-α). ΤΝF-α has been described to induce several cell death pathways that converge on activation of different members of the caspase proteolytic enzyme family. The myocardium of mice that overexpress ΤΝF-α (ΜΗCsTNF) is characterized by concentric hypertrophy of cardiomyocytes followed by chamber dilation. 25% of ΜΗCsTNF mice die by heart failure before the age of sixth month. We examined the subcellular localization of desmin in the myocardium of ΜΗCsTNF mice. Desmin is absent from the IDs of ΜΗCsTNF myocardium whereas it preserves, in part, its presence at Z-disks. In order to delineate whether the relocalization of desmin influences the position of other ID proteins, we examined the subcellular localization of desmoplakin, β-catenin and connexin 43, which are characteristic proteins of desmosomes, adherent junctions and gap junctions respectively. At early stages, these proteins localize almost normally in MHCsTNF cardiomyocytes, however, in the 3-month old MHCsTNF mice, all studied proteins were primarily localized at the lateral, non-junctional, side of the cardiomyocytes. Ultrastructural study of the MHCsTNF myocardium revealed that the overall ID architecture is altered. Additionally, we show that desmin is cleaved in vivo and accumulates into cytoplasmic aggregates. The presence of desmin positive aggregates has been correlated with several human inherited myopathies called Desmin Related Myopathies (DRM). Mutations within its gene or in the genes of other desmin associated cytoskeletal proteins, result in accumulation of aggregates in the cytoplasm and have been linked to Dilated Cardiomyopathy (DCM) and heart failure. In the MHCsTNF myocardium we observe two distinct kinds of aggregates that are positive for desmin. The first ones are diffused in the cytoplasm and desmin colocalizes with HSP25, while in the second category the aggregates tend to be restricted near the nucleus and desmin colocalizes with ubiquitin. Ultrastructural study of the aggregates reveals that they are variable in size and composition, consisting of vesicles, mitochondria, membranous whorls and, occasionally, clumps of electron dense material, suggesting that, in addition to other functions such as proteasome activity, they may interfere with the sarcomere contraction thereby leading to impairment of cardiac function. In order to study the importance of desmin in the development of the ΜΗCsTNF pathology, we crossed ΜΗCsTNF mice with desmin null mice (des-/-). In desmin-deficient mice transient cardiomyocyte hypertrophy is followed by development of a DCM that is characterized by mitochondrial functional, ultrastructural and other defects, extensive cell death, fibrotic lesions and calcium deposition at the external surface of the heart. ΜΗCsTNF des-/- mice showed significant decrease in both kind of aggregates, whereas desmoplakin and β-catenin -proteins that belong to the uniform cardiomyocyte junctional structure “area composita”- preserve at high degree their presence at IDs. These observations underline the level at which desmin participates in the progress of ΜΗCsTNF phenotype. Surprisingly, the myocardium of ΜΗCsTNF des-/- mice eliminated the morphological defects caused by the absence of desmin while retained those caused by TNF-α overexpression, suggesting a possible counteracting action of TNF-α in the des-/- cardiomyocytes. To investigate the mechanism and the importance of desmin cleavage by caspase-6 and its withdrawal from IDs with the concomitant consequences, we generated transgenic mice with cardiac-restricted expression of a desmin mutant (D263E), harboring a substitution of the 263 aspartic acid (D) with a glutamic acid (E), which renders desmin resistant to caspase mediated cleavage. We showed that D263E desmin is indeed resistant to caspase cleavage in the ΜΗCsTNF myocardium, largely retains its proper ID localization and allows the same for the other proteins of the area composita. Additionally, the ubiquitin positive aggregates are diminished and the few generated do not colocalize with desmin. Importantly, D263E desmin expression attenuated cardiomyocyte apoptosis, prevented left ventricular wall thinning and improved function of MHCsTNF hearts. To summarize, the data presented in this study underline that desmin is a target and mediator of ΤΝF-α induced cardiomyopathy and heart failure. Its contribution in the pathway of apoptosis as a substrate for caspase cleavage and the subsequent participation in the formation of aggregates and the alteration of the ID architecture is the baseline for the study of the role of Intermediate Filaments in degenerative diseases.

Το επιστημονικό ενδιαφέρον της παρούσας διδακτορικής διατριβής εστιάζεται στο ρόλο του κυτταροσκελετού της δεσμίνης (desmin), της μυοειδικής πρωτεΐνης, μέλος της οικογένειας των ενδιάμεσων ινιδίων, στη διατήρηση και τη λειτουργία του καρδιακού μυός. H καταστολή της έκφρασης της δεσμίνης σε μύες με τη χρησιμοποίηση της γονιδιακής στόχευσης, έδειξε πως η έκφραση της δεσμίνης είναι απαραίτητη για τη διατήρηση της λειτουργικής και δομικής ακεραιότητας του καρδιακού μυός. Μύες που δεν εκφράζουν δεσμίνη αναπτύσσουν διατατική καρδιομυοπάθεια, που χαρακτηρίζεται από ανωμαλίες σε υποκυτταρικά οργανίδια, όπως είναι τα μιτοχόνδρια, εκτεταμένη ίνωση και εναπόθεση ασβεστίου, με επακόλουθο τον κυτταρικό θάνατο, και τελικά την καρδιακή ανεπάρκεια. Πιο συγκεκριμένα σε μια προσπάθεια διερεύνησης της βιολογικής δράσης της δεσμίνης, μελετήθηκαν οι πρωτεϊνικές αλληλεπιδράσεις αυτού του μορίου. Η ανεύρεση μορίων με τα οποία η δεσμίνη αλληλεπιδρά μπορεί να δώσει σημαντικές πληροφορίες για τη βιολογικής της δράση και να βοηθήσει στην κατανόηση της παθολογίας που παρατηρείται σε επίμυς όπου έχει κατασταλεί η έκφρασή της (διαγονιδιακό μοντέλο διατατικής καρδιομυοπάθειας που έχει δημιουργηθεί από το εργαστήριό μας, des-/-) ή σε ασθενείς με καρδιομυοπάθειες εξαιτίας μεταλλαγών στο μόριο της δεσμίνης. Για το σκοπό αυτό εφαρμόστηκε η μέθοδος του διυβριδικού συστήματος ζύμης (Yeast two-hybrid), όπου χρησιμοποιήθηκε τμήμα του μορίου της δεσμίνης (το αμινο-τελικό άκρο), με το οποίο ‘σαρώθηκε’ (screening) μια cDNA καρδιακή βιβλιοθήκη, και βρέθηκε ένας αριθμός δυνητικών αλληλεπιδράσεων. Η σάρωση αποκάλυψε την αλληλεπίδραση της δεσμίνης με ένα νέο μόριο, τη Myospryn, μια μυοειδική πρωτεΐνη 413 kDa, μέλος της οικογένειας των TRIM-like πρωτεϊνών. Η πρωτεΐνη myospryn βρέθηκε αρχικά να αλληλεπιδρά με την πρωτεΐνη dysbindin, η οποία εμπλέκεται σε διαδικασίες διαμετακίνησης πρωτεϊνών, κυστιδίων και βιοσύνθεσης οργανιδίων, και αποτελεί συστατικό ενός πρωτεϊνικού συμπλόκου υπεύθυνου για τη βιογένεση λυσοσωμάτων και λυσοσωματικά συσχετιζόμενων οργανιδίων, γνωστό ως Biogenesis of Lysosome Related Organelles (BLOC-1). Η πρόσδεση της δεσμίνης με τη myospryn επαληθεύτηκε με in vitro μεθόδους (GST pull down assay, Co-immunoprecipitation). H ανάλυση ανοσοαποτύπωσης (western blot) απεκάλυψε ότι το ανοσολογικό σύμπλοκο που κατακρημνίζεται με χρήση αντισωμάτων δεσμίνης περιέχει, εκτός της myospryn, και δυο τουλάχιστον υπομονάδες του πρωτεϊνικού συμπλόκου BLOC-1, dysbindin και pallidin. Πειράματα με το δι-υβριδικό σύστημα ζύμης απεκάλυψαν την ακριβή περιοχή αλληλεπίδρασης των δύο πρωτεϊνών, και η οποία περιλαμβάνει τα αα58-103 του αμινο-τελικού άκρου της δεσμίνης και τα τελευταία 24αα του καρβόξυ-τελικού άκρου του μορίου της myospryn, που αντιστοιχούν στο SPRY τμήμα του TRIM-like μοτίβου της οικογένειας των πρωτεϊνών στην οποία ανήκει η myospryn. Πειράματα ανοσοφθορισμού σε απομονωμένα καρδιομυοκύτταρα απεκάλυψαν ότι η myospryn τοπολογείται στην περιφέρεια του πυρήνα, σε στενή γειτνίαση με τις μεμβράνες του ενδοπλασματικού δικτύου, και στο σημείο αυτό αλληλο-επικαλύπτεται με τη δεσμίνη, η οποία σχηματίζει ένα δίκτυο ινιδίων που διατρέχει όλο το μήκος του κυττάρου. Στον ενήλικο καρδιακό ιστό, η myospryn βρίσκεται κυρίως στους εμβόλιμους δίσκους, καθώς και στο επίπεδο της πλασματικής μεμβράνης, του σαρκολείματος, όπου και αλληλοεπικαλύπτεται με τη δεσμίνη. Η αλληλο-επικάλυψη των δυο πρωτεϊνών είναι έντονη στο επίπεδο των εμβόλιμων δίσκων. Δείχθηκε πως η myospryn άλληλο-επικαλύπτεται με τα λυσοσώματα καθώς και ότι η δεσμίνη είναι απαραίτητη τόσο για τη σωστή τοπολόγηση της myospryn, όσο και για αυτήν των λυσοσωμάτων. Τέλος, με πειράματα καταστολής τηw έκφρασης της myospryn, αποκαλύφθηκε πως η παρουσία της myospryn είναι απαραίτητη προκειμένου η δεσμίνη να μπορεί να ανοσοκατακρημνίσει τις υπομονάδες του BLOC-1, dysbindin και pallidin Τέλος, στην προσπάθεια χαρακτηρισμού του λειτουργικού ρόλου της myospryn συμπεριλήφθηκε η χρησιμοποίηση του μοντέλου του D. rerio (zebrafish). Χρησιμοποιώντας την τεχνολογία των antisense morpholinos, ήταν δυνατή η παρεμπόδιση της έκφρασης της myospryn και η μελέτη των επιπτώσεων στην ανάπτυξη και λειτουργία του καρδιακού ιστού. Η καταστολή της έκφρασης της myospryn είχε ως αποτέλεσμα σοβαρές δομικές και λειτουργικές ανωμαλίες στο καρδιακό σύστημα ατόμων Danio rerio, καταδεικνύοντας την σπουδαιότητα αυτού του μορίου στην ανάπτυξη του καρδιακού συστήματος του D.rerio. Συμπερασματικά η παρούσα διδακτορική διατριβή διαπραγματεύεται τις πρωτεϊνικές αλληλεπιδράσεις της μυοειδικής πρωτεΐνης δεσμίνης, αποκαλύπτοντας νέους ρυθμιστικούς ρόλους για το μόριο αυτό. / The scientific interest of this PhD thesis is mainly the role of desmin cytoskeleton (the muscle-specific intermediate filament) in myocyte maintenance and function. The ablation of desmin expression in mice by gene targeting demonstrated that desmin expression is crucial for maintanance of healthy muscle. Mice null for desmin develop dilated cardiomyopathy characterized by mitochondrial abnormalities, extensive cardiomyocyte death, fibrosis, calcification and eventually heart failure. Study of desmin protein interactions could facilitate our understanding of the molecular mechanisms responsible for the observed pathology. To that end, we have performed a yeast two-hybrid screening of a cardiac cDNA library We showed that the desmin amino-terminal domain [Naa(1 -103)] binds to a 413kDa TRIM-like protein, myospryn, originally identified as the muscle-specific partner of dysbindin, a component of the Biogenesis of Lysosome Related Organelles Complex 1 (BLOC-1). Binding of desmin with myospryn was confirmed with GST pull down assays and co-immunoprecipitation experiments. Western blot analysis revealed that the complex immunoprecipitated by desmin antibodies, in addition to myospryn contained the BLOC-1 components dysbindin and pallidin. Deletion analysis revealed that only the [Naa(1 -103)] fragment of desmin binds to myospryn carboxyl terminus and that this association takes place through the 24aa long C-terminal end of the SPRY domain of myospryn. Using an antibody against the COOH terminus of myospryn, we demonstrated that myospryn co-localizes with desmin at the periphery of the nucleus, in close proximity to the endoplasmic reticulum, of mouse neonatal cardiomyocytes. In adult heart muscle, the two proteins co localize, predominantly, at intercalated discs and costameres. We also showed that myospryn colocalizes with lysosomes. Using desmin null hearts, we demonstrated that desmin is required for both the proper perinuclear localization of myospryn, as well as the proper positioning of lysosomes, thus suggesting a potential role of desmin IFs in lysosomes and lysosome-related organelle biogenesis and/or positioning. siRNAs experiments for myospryn knock down revealed that when myospryn is absent, desmin is not able to immunoprecipitate BLOC-1 subunits. Additionally, the in vivo role of myospryn was examined using the model of D. rerio. Using a splice morpholino for knocking down myospryn transcript, we examined the effects on zebrafish heart development and function caused by the absence of myospryn, where it was shown that myospryn is essential for the early heart development in D.rerio. In summary, this work reveals the association of desmin with a novel molecule, myospryn, and it sheds light on novel regulatory role for this member of intermediate filament family.

Η ΒΥΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. / Η δεσμίνη, το μυοειδικό μέλος της οικογένειας των ενδιάμεσων ινιδίων, εκφράζεται σε καρδιακό, γραμμωτό και λείο μυ. Στις ώριμες γραμμωτές μυϊκές ίνες, το δίκτυο των ενδιάμεσων ινιδίων δεσμίνης περιβάλλει τους Ζ-δίσκους, ενώνοντας τον ένα με τον άλλο και φαίνεται να συνδέει ολόκληρη τη συσταλτή συσκευή με το σαρκείλημμα, διάφορα μεμβρανώδη οργανίδια και τον πυρήνα. Σε μια προσπάθεια να κατανοηθεί η μοριακή φύση αυτών των αλληλεπιδράσεων, το εργαστήριο ξεκίνησε έναν έλεγχο χρησιμοποιώντας το σύστημα διπλού υβριδίου ζύμης, χρησιμοποιώντας διαφορετικά τμήματα της δεσμίνης, συμπεριλαμβανόμενων των περιοχών της κεφαλής και της ουράς του μορίου. Χρησιμοποιώντας την περιοχή του Ν-τελικού άκρου της δεσμίνης, βρέθηκαν αρκετές πιθανές πρωτεΐνικές αλληλεπιδράσεις. Αυτές περιλάμβαναν τη Smp3 mannosyltransferase, μια πρωτεΐνη με PDZ περιοχές και την prosaposin. Η Smp3 mannosyltransferase προσθέτει την 4η μαννόζη στη φωσφατιδυλοϊνοσιτόλη κατά τη μετα-μεταφραστική τροποποίηση των γλυκοζυλοφωσφτιδυλοϊνοσιτολίων (GPIs). Η πρωτεΐνη με PDZ περιοχές (η οποία φαίνεται να είναι η MUPP1) περιέχει 13 PDZ περιοχές και είναι γνωστό ότι συνδέει τις διαμεμβρανικές περιοχές των στενοσυνδέσμων με ενδοκυττάρια μηνυματοφόρα μόρια. Η prosaposin είναι μια γλυκοπρωτεΐνη 511 αμινοξέων, η οποία αποτελεί πρόδρομο μόριο για τις τέσσερις saposins (sphingolipid activator proteins A, B, C, D). Ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η επιβεβαίωση των αλληλεπιδράσεων αυτών και η περαιτέρω μελέτη της πιο σημαντικής. Χρησιμοποιώντας τη μέθοδο GST pull down βρέθηκε ότι το αμινοτελικό άκρο της δεσμίνης όντως αλληλεπιδρά με την Smp3 mannosyltransferase, την πρωτεΐνη PDZ και την prosaposin. Περαιτέρω ανάλυση με την prosaposin έδειξε ότι το αμινοτελικό άκρο της δεσμίνης αλληλεπιδρά με το τμήμα της prosaposin που αντιστοιχεί στη saposin D και όχι με το καρβοξυτελικό άκρο της prosaposin, το οποίο περιέχει μια saposin-like περιοχή. Τα παραπάνω αποτελέσματα αν επιβεβαιωθούν in vivo, προτείνουν έναν πιθανό ρόλο της δεσμίνης στη συγκρότηση πρωτεϊνικών συμπλόκων, τον έλεγχο της αναγέννησης και ανακύκλωσης μεμβρανών, τη μεταγωγή σήματος, το μεταβολισμό των λιπιδίων και τη μεταφορά στα υποκυτταρικά οργανίδια. / Desmin, the muscle-specific member of the intermediate filaments family, is expressed in cardiac, skeletal and smooth muscle. In the mature striated myofibrils, the network of desmin intermediate filaments surrounds Z-discs, extends from one Z-disc to the other and seems to associate with the nucleus, the plasma membrane and other membranous organelles, including mitochondria and sarcoplasmic reticulum. In an effort to understand the molecular nature of these interactions, the laboratory has started a global yeast two-hybrid screen using different desmin fragments, including the head and tail domains of the molecule. Using the desmin N-terminal domain, several potential interacting proteins were found. These include prosaposin, a protein with PDZ domains and Smp3 mannosyltransferase. Smp3 mannosyltransferase adds the 4th mannose to phosphatidyloinositol during the post-translation modification of GPIs. The protein with PDZ domains, which seems to be MUPP1, has 13 PDZ domains and is known to connect the transmembrane domains of the tight junctions with messenger molecules. Prosaposin is a glycoprotein with 511 amino acids, which is cleaved in four mature saposins (sphingolipid activator proteins), when it reaches the lysosomes. The purpose of this work is to verify these interactions and further study the most important one. Using the GST pull down assays, it was verified that the amino terminus of desmin interacts indeed with Smp3 mannosyltransferase, protein PDZ and prosaposin. Further analysis with prosaposin demonstrated that the amino terminus of desmin interacts with the part of prosaposin that corresponds to saposin D and not with the downstream carboxy terminus of prosaposin that contains a saposin-like domain. All the above data, if verified in vivo could suggest a possible role of desmin in the assembly and stabilization of protein-complexes, in the control of biogenesis and regeneration of membranes, in signal transduction, in lipid metabolism and trafficking towards subcellular organelles.

Η μυο-ειδική πρωτεΐνη δεσμίνη, αποτελεί μέλος των πρωτεϊνών του κυτταροσκελετού των ενδιαμέσων ινιδίων και εκφράζεται στους λείους και τους γραμμωτούς μυς. Στους συσταλτούς μύες, το πλέγμα του κυτταροσκελετού της Δεσμίνης περιβάλλει τους Ζ-δίσκους διασυνδέοντάς τους, ενώ παράλληλα συνδέει μεταξύ τους τις συσταλτές περιοχές της μυικής ίνας με την σαρκοπλασματική μεμβράνη, με διάφορα οργανίδια και με τον πυρήνα. Για να προσδιορίσουμε τους ακριβείς μηχανισμούς δράσης της δεσμίνης χρησιμοποιήσαμε το σύστημα υβριδισμού των ζυμών – yeast two hybrid screen system – προκειμένου να ανιχνεύσουμε πρωτεΐνες που αλληλεπιδρούν με τη δεσμίνη. Χρησιμοποιήσαμε ως «δόλωμα» αλληλουχίες των άκρων του μορίου της δεσμίνης του αμινο-τελικού και το καρβόξυ-τελικού. Μελετώντας τις πρωτεΐνες που προέκυψαν, διαπιστώσαμε ότι το αμινο-τελικό άκρο της δεσμίνης αλληλεπιδρά με διάφορες μιτοχονδριακές πρωτεΐνες. Με το ίδιο σύστημα αποκαλύψαμε αλληλεπιδράσεις της δεσμίνης με λυοσωματικές πρωτεΐνες όπως η καθεψίνη D και η προσαποσίνη οι οποίες αλληλεπιδρούν με το αμινοτελικό άκρο της δεσμίνης. Η καθεψίνη D είναι μια λυοσωματική πρωτεάση, που οδηγείται και ωριμάζει πλήρως στα λυοσώματα ενώ η προσαποσίνη είναι ένα πρόδρομο λυοσωματικό μόριο με πρωτεόλυση του οποίου, εντός του λυοσώματος, προκύπτουν οι σαποσίνες Α έως D. Η καθεψίνη D αποτελεί δείκτη καταστάσεων αυτοφαγία και τελευταία φαίνεται ότι επεμβαίνει σε φαινόμενα απόπτωσης επάγωντάς την κατά περίπτωση. Η αλληλεπίδραση της δεσμίνης με την καθεψίνη D επιβεβαιώθηκε και με βιοχημικές τεχνικές (in vitro) όπως η συνεργιστική ανοσοκαθίζηση /ανοσοκατακρήμνιση (co-immuno-precipitation) και η τεχνική GST pull-down. Μετά και από αυτές τις in vitro αποδείξεις, φαίνεται πως μάλλον συμβαίνει ευθεία αλληλεπίδραση μεταξύ της δεσμίνης και της καθεψίνης D. Γι’ αυτό, και με βάση όσα είναι γνωστά για την καθεψίνη D, προτείνουμε μια νέα λειτουργία του κυτταροσκελετού της δεσμίνης πιθανόν στην μετακίνησης και τη δημιουργία των λυοσωμάτων αλλά και έναν νέο ρυθμιστικό ίσως ρόλο της, σε διαδικασίες αυτοφαγίας και απόπτωσης, μέσω της πρόσδεσής της με σημαντικά μόρια ρυθμιστές τέτοιων διαδικασιών.................... / Desmin is the muscle - specific member of the intermediate filament family of cytoskeletal proteins, expressed both in striated and smooth muscle tissues. In mature striated muscle fibers, the desmin filament lattice surrounds the Z-discs, interconnects them to each other and links the entire contractile apparatus to the sarcolemmal cytoskeleton, cytoplasmic organelles and the nucleus. In order to identify the exact mechanisms of desmin’s action, we performed a yeast two-hybrid screen for desmin-interacting proteins. For this purpose, we used as baits the two non helical terminal regions of the desmin molecule, the amino (head)- and the carboxy (tail)- terminal domain. We have found that the head domain of desmin potentially interacts with two new groups of proteins, mitochondria and lysosome related. Specifically, in the second category, we have revealed an association of the head domain of desmin with Cathepsin D (one of the lysosomal proteinases) and prosaposin (a single precursor which gives rise to Saposins A-D by proteolytic cleavage in lysosomes and is also referred to as sphigolipid activator proteins). In addition to its targeting to lysosomes, Cathepsin D is also involved in apoptosis and autophagy processes. This protein interaction result has been retested. The interaction between cathepsin D and desmin has also been further confirmed both with reverse yeast transformation as well as biochemical assays such as co-immunoprecipitation and GST pull down assay. The above described strong evidence of direct interaction between desmin and cathepsin D, has allowed us to propose a novel function of desmin IFs in lysosomal trafficking and/or as a new regulator of autophagy and apoptotic cell death.

Πρόσφατες μελέτες παρέχουν ενδείξεις για τη συμμετοχή του οξειδωτικού στρες στην ανάπτυξη καρδιαγγειακών νοσημάτων. Το οξειδωτικό στρες έχει συσχετιστεί ισχυρά με τον κυτταρικό θάνατο και διαδικασίες καρδιακής αναδόμησης, που αποτελούν χαρακτηριστικά της καρδιακής ανεπάρκειας. Μύες χωρίς δεσμίνη, σημαντική πρωτεΐνη των μυϊκών ενδιαμέσων ινιδίων, αναπτύσσουν διατατική μυοκαρδιοπάθεια και καρδιακή ανεπάρκεια, η οποία χαρακτηρίζεται από μιτοχονδριακές ανωμαλίες και κυτταρικό θάνατο μαζί με εκτεταμένες εναποθέσεις ασβεστίου και ίνωση, προσφέροντας έτσι ένα πολύ καλό μοντέλο καρδιακής ανεπάρκειας.Διάφορες κυτταρικές και βιοχημικές αλλοιώσεις στην καρδιά των μυών αυτών υποδηλώνουν έντονα ότι το οξειδωτικό στρες είναι ένας σημαντικός μηχανισμός που συμβάλλει στην παθογένεση αυτού του φαινότυπου. Οι ανωμαλίες στη μιτοχονδριακή δομή και λειτουργία, οι οποίες χαρακτηρίζουν το φαινότυπο του μυός χωρίς δεσμίνη, προσφέρουν τις πιο σημαντικές ενδείξεις για την ύπαρξη οξειδωτικού στρες, καθώς η αναπνευστική αλυσίδα είναι η πιο σημαντική πηγή δραστικών Ενώσεων Οξυγόνου (ΔΕΟ ή Reactive Oxygen Species - ROS) στα μυοκαρδιοκύτταρα. Προκειμένου να διασαφηνιστεί η ύπαρξη οξειδωτικού στρες στο μυοκάρδιο απουσία δεσμίνης και συνεπώς η συμμετοχή του στην εξέλιξη του μυοεκφυλισμού, επιχειρήθηκαν τόσο in vitro, όσο και in vivo προσεγγίσεις. Η ύπαρξη οξειδωτικής καταπόνησης διερευνήθηκε σε πρωτογενείς καλλιέργειες ενήλικων μυοκαρδιοκυττάρων. Επιχειρήθηκε η ενίσχυση του αντιοξειδωτικού αμυντικού συστήματος, έτσι ώστε να αποτιμηθεί, τόσο η συμβολή του οξειδωτικού στρες στο μυοεκφυλισμό, όσο και η πιθανή θεραπευτική δράση των αντιοξειδωτικών στρατηγικών. Προκειμένου να αποτιμηθούν τα επίπεδα ενδοκυτταρικής οξειδωτικής καταπόνησης αναπτύχθηκε νέα μέθοδος απομόνωσης ενήλικων μυοκαρδιοκυττάρων από μυ. Επειδή τα μιτοχόνδρια αποτελούν το κύριο στόχο των παρατηρούμενων αλλοιώσεων, επιχειρήθηκε πρώτα ο προσδιορισμός των γενικών αλλαγών που παρατηρούνται στο μιτοχονδριακό πρωτέωμα. Πράγματι, οι παρατηρούμενες αλλαγές στα επίπεδα πρωτεϊνικής έκφρασης ενίσχυσαν την αρχική υπόθεση. Στη συνέχεια εκτιμήθηκαν τα ενδοκυτταρικά επίπεδα ROS σε καλλιέργειες ενήλικων 8 μυοκαρδιοκυττάρων χρησιμοποιώντας φθορίζοντες ιχνηθέτες. Ανάλυση των αποτελεσμάτων έδειξε ότι υπάρχουν αυξημένα επίπεδα ROS στα μυοκαρδιοκύτταρα απουσία δεσμίνης. Επιπλέον, διερευνήθηκε το μιτοχονδριακό μεμβρανικό δυναμικό, το οποίο είναι ενδεικτικό της σωστής μιτοχονδριακής λειτουργίας, χρησιμοποιώντας ειδικό φθορίζοντα ιχνηθέτη. Διαπιστώθηκε ότι υπάρχουν σημαντικές αλλοιώσεις σε αρκετά μυοκαρδιοκύτταρα απουσία δεσμίνης. Με σκοπό (1) να επιβεβαιωθεί η ύπαρξη οξειδωτικού στρες in vivo, (2) να αποτιμηθεί η συμβολή του στο φαινότυπο του μυός χωρίς δεσμίνη και (3) να εκτιμηθεί η θεραπευτική δυνατότητα της προστασίας έναντί του, το αντιοξειδωτικό αμυντικό σύστημα ενισχύθηκε in vivo, χρησιμοποιώντας το μυ χωρίς δεσμίνη ως μοντέλο καρδιακής ανεπάρκειας. Για το σκοπό αυτό δημιουργήθηκαν διαγονιδιακοί μύες που υπερεκφράζουν στο μυοκάρδιο τα αντιοξειδωτικά ένζυμα καταλάση και υπεροξειδική δυσμουτάση (MnSOD). Η καταλάση αποτοξινώνει τα κύτταρα από το H2O2 μετατρέποντας το σε νερό και οξυγόνο. Η μυοκαρδιακή υπερέκφραση καταλάσης μελετήθηκε σε υπόβαθρο απουσίας δεσμίνης. Το επίπεδο υπερέκφρασης αποτιμήθηκε σε επίπεδο τόσο πρωτεϊνικό, όσο και ενζυμικής ενεργότητας. Ο καρδιοπροστατευτικός ρόλος της καταλάσης αποτιμήθηκε ως συνιστώσα των επιπέδων ινωδών αλλοιώσεων, της υπερδομής και της καρδιακής συστολικής λειτουργίας. Η υπερέκφραση καταλάσης στο μυοκάρδιο μυών χωρίς δεσμίνη οδηγεί σε σημαντική μείωση των ενδοκυτταρικών επιπέδων ROS και της έκτασης ινωδών αλλοιώσεων, μειώνει το μυοεκφυλισμό και βελτιώνει την καρδιακή συστολική λειτουργία. Τα αποτελέσματα αυτά επιβεβαιώνουν τη συμβολή του οξειδωτικού στρες και ειδικά του H2O2 στην ανάπτυξη μυοκαρδιοπάθειας και καρδιακής ανεπάρκειας στο μυ χωρίς δεσμίνη και υπογραμμίζουν τη θεραπευτική δυνατότητα της υπερέκφρασης καταλάσης. Η MnSOD εντοπίζεται στη μιτοχονδριακή μήτρα και μετατρέπει το υπεροξειδικό ανιόν σε υπεροξείδιο του υδρογόνου. Η καρδιακή υπερέκφραση MnSOD μελετήθηκε σε υπόβαθρο απουσίας δεσμίνης. Υπερέκφραση της MnSOD μόνο σε ενδιάμεσα επίπεδα οδηγεί σε μείωση των επιπέδων του υπεροξειδικού ανιόντος και των ινωδών αλλοιώσεων στο μυοκάρδιο απουσία δεσμίνης. Επιπλέον, παρατηρήθηκε βελτίωση της μυοκαρδιακής υπερδομής, καθώς και μέτρια βελτίωση της καρδιακής συστολικής λειτουργίας. Η υποβολή μυών χωρίς δεσμίνη που υπερεκφράζουν MnSOD σε υποχρεωτική άσκηση είχε ως αποτέλεσμα το θάνατο. Αυτή η κατάληξη δεν παρατηρήθηκε όταν στο μυοκάρδιο χωρίς δεσμίνη 9 υπερεκφράζονταν τόσο η καταλάση, όσο και η MnSOD. Αυτό το αποτέλεσμα υποδηλώνει ότι το H2O2 είναι σημαντικός διαμεσολαβητής της παρατηρούμενης θνησιμότητας. Είναι ενδιαφέρον ότι η MnSOD έχει «μεικτή» συμβολή στην αποτοξίνωση από ΕΜΟ, καθώς διασπά μία δραστική ένωση δημιουργώντας ταυτόχρονα μία άλλη. Είναι συνεπώς πολύ σημαντικό η υπερέκφραση αυτού του αντιοξειδωτικού ενζύμου να πραγματοποιείται με επίγνωση των επιβλαβών συνέπειών του. Συνολικά, τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται εδώ επιβεβαιώνουν τη συμβολή της οξειδωτικής καταπόνησης στην ανάπτυξη κληρονομικής μυοκαρδιοπάθειας και καρδιακής ανεπάρκειας, καθώς και τη θεραπευτική ικανότητα των διαφορετικών αντιοξειδωτικών στρατηγικών και του συνδυασμού τους. / Recent studies support the contribution of oxidative stress in the development of cardiovascular diseases. Oxidative stress has been strongly linked to cell death and cardiac remodeling processes, all hallmarks of heart failure. Mice null for desmin, which is the major muscle specific intermediate filament protein, develop dilated cardiomyopathy and heart failure characterized by mitochondrial defects and cardiomyocyte death accompanied by extensive calcification and fibrosis, thus providing a very good model for heart failure. Several cellular and biochemical alterations in the hearts of these mice strongly suggested that oxidative stress is one of the mechanisms contributing to the pathogenesis of the phenotype. The defects in mitochondrial structure and function, hallmarks of the desmin null mouse phenotype, provide the most important indications for the existence of oxidative stress, as the respiratory chain is the most important source of reactive oxygen species (ROS) in cardiomyocytes. In order to delineate the existence of oxidative stress in the desmin null myocardium and therefore its participation in the development of the myocardial degeneration we sought both in vitro and in vivo approaches. The existence of oxidative stress was addressed in primary adult cardiomyocytes. The reinforcement of the antioxidant defense system was pursued, in order to assess the contribution of oxidative stress in the myocardial degeneration, as well as the therapeutic potential of antioxidant strategies. To assess intracellular oxidative stress a new method for the isolation of adult mouse cardiomyocytes was developed. Since mitochondria were the target of pathology, we wanted to first determine global changes in the mitochondrial proteome. The observed changes in protein levels reinforced the original hypothesis. Intracellular reactive oxygen species were measured using fluorescent probes in adult cardiomyocyte cultures. Analysis of the above data showed that there are increased levels of ROS in desmin null cardiomyocytes. Furthermore, the mitochondrial membrane potential, which is indicative of proper mitochondrial function, was investigated using a fluorescent probe. It was found altered in a subset of the desmin null cardiomyocytes. In order to (1) verify the existence of oxidative stress in vivo, (2) assess its contribution to the phenotype of desmin null mice and (3) evaluate the therapeutic 5 potential of protecting against it, the antioxidant defense system was fortified in vivo using the desmin null mouse as a heart failure model. Towards this goal transgenic mice overexpressing the antioxidant genes catalase and manganese superoxide dismutase (MnSOD) were created. Catalase detoxifies the cells from hydrogen peroxide by converting it to water and oxygen. Cardiac specific overexpression of catalase was brought to a desmin null background. The level of overexpression was assessed by measuring protein levels and enzyme activity. The cardioprotective effect of catalase was assessed in terms of fibrotic lesion extent, ultrastructure and cardiac systolic function. Overexpression of catalase in the heart of desmin null mice leads to marked decrease in intracellular ROS levels and significant decrease in fibrotic areas, ameliorates the myocardial degeneration and improves cardiac function. These data support the contribution of oxidative stress and in particular of the ROS hydrogen peroxide in the development of cardiomyopathy and heart failure in the desmin null mouse and underscore the therapeutic potential of catalase overexpression. MnSOD in localized in the mitochondrial matrix and converts superoxide anion to hydrogen peroxide. Cardiac specific overexpression of MnSOD was studied in a desmin null background. Overexpression of MnSOD only at moderate levels leads to a significant reduction of fibrotic lesion in the desmin null myocardium. Furthermore, an improvement of the myocardial ultrastructure was observed, as well as a moderate improvement of cardiac systolic function. These data suggest that another ROS, superoxide anion, contributes to the development of cardiomyopathy and heart failure in the desmin null mouse and that MnSOD, when overexpressed at moderate levels, offers cardioprotective effect. When the mice overexpressing MnSOD in the desmin null myocardium were challenged to exercise an absolute reduction of survival was observed. This defect was completely reversed when desmin null mice overexpressed both MnSOD and catalase. This suggests that hydrogen peroxide is an important mediator of the observed lethality. It is of note that MnSOD retains a contradictory antioxidant role, both breaking down and creating a specific ROS. It is therefore of paramount importance that this antioxidant enzyme is employed with caution and awareness of its deleterious effects. Overall, the data presented here demonstrate the contribution of oxidative stress in the development of inherited cardiomyopathy and heart failure, as well as the therapeutic potential of different antioxidant strategies, and their combination.