Die autosomal-dominant vererbte facioscapulohumerale Muskeldystrophie (FSHD) ist mit einer Prävalenz von etwa 1:20.000 die dritthäufigste Form der hereditären Myopathien. Erste Beschwerden werden meist in der zweiten Lebensdekade beobachtet. Betroffen sind vor allem die Muskulatur von Gesicht, Schultern, Oberarmen, die Fußhebermuskulatur und die Muskeln des Hüftgürtels.
FSHD wird durch einen Gendefekt ausgelöst, der den langen Arm des Chromosoms vier (4q35) betrifft, wobei es zur teilweisen Deletion des polymorphen Abschnitts D4Z4, der für das Protein DUX4 codiert, kommt. Dabei treten unter anderem Störungen in der DUX4-Expression, Veränderungen der myogenen Genexpression, eine Unterdrückung der Muskelzelldifferenzierung und eine Inhibition der Muskelbildung auf.
FSHD und eine andere Form der Muskeldystrophie, die Emery-Dreifuss-Muskeldystrophie (EDMD), zeigen trotz unterschiedlicher genetischer Ursachen phänotypisch Ähnlichkeiten in der Ausprägung der Erkrankungen. In früheren Studien zeigte die Kernhülle von EDMD-Myoblasten morphologische Auffälligkeiten. In anderen Untersuchungen waren morphologische Veränderungen der Mitochondrien von FSHD-Patienten festzustellen.
Daher wurden elektronenmikroskopische Untersuchungen der Kernhülle und der Mitochondrien von FSHD-Myoblasten durchgeführt und mit der entsprechenden Kontrolle verglichen.
Hierfür wurden drei verschiedene Zelllinien-Paare in unterschiedlichen Passagen, das heißt unterschiedlicher Anzahl an Subkultivierungen, eingesetzt, wobei in den höheren Passagen vermehrt morphologische Atypien beobachtet werden konnten.
Die eingesetzten Zelllinien differenzieren sich durch verschiedene Parameter wie beispielsweise Alter und Geschlecht der Patienten. Dabei zeigten sich sowohl zwischen den Kontrollzellen als auch zwischen den FSHD-Myoblasten Unterschiede.
Im Rahmen der Probenvorbereitung für die Elektronenmikroskopie kamen zwei verschiedene Fixierungsmethoden zum Einsatz: die konventionelle chemische Fixierung, Entwässerung und Flacheinbettung von Kulturzellen und die Hochdruckgefrierung mit anschließender Gefriersubstitution. In Bezug auf die Qualität des Strukturerhalts, die beim Hochdruckgefrieren erreicht wird, wird dieser Art der Fixierung eine Überlegenheit gegenüber allen anderen Verfahren zugeschrieben. Diese allgemeine Aussage kann nicht vollständig auf die Untersuchungen an den Myoblasten übertragen werden.
Für die Untersuchung der Kernmembranen sind beide Methoden geeignet, wobei der Abstand zwischen innerer und äußerer Kernmembran nach der HPF-Fixierung schärfer abgebildet wurde. Bei der Darstellung der Mitochondrien zeigten die elektronenmikroskopischen Aufnahmen nach dem Hochdruckgefrieren bessere und schärfere Ergebnisse. Die Kernporen waren bei beiden Fixierungsmethoden gut erkennbar.
Beim Vergleich der gesunden und erkrankten Myoblasten wiesen die Kontrollzellen deutlich weniger Auffälligkeiten auf als die Myoblasten von FSHD-Patienten.
Innere und äußere Kernmembran verliefen bei den Kontrollzellen meist parallel und die Mitochondrien zeigten in den meisten Fällen eine typische wurmartige, längliche Form mit Cristae. Dies traf sowohl für die konventionelle Fixierung als auch für das Hochdruckgefrieren zu.
Die erkrankten Myoblasten wiesen im Vergleich zur Kontrolle bei beiden Fixierungsmethoden deutliche Auffälligkeiten in der Mitochondrien-Morphologie auf. Neben einer oft großen Variationsbreite hinsichtlich Form und Länge war auch das teilweise Fehlen der Cristae festzustellen.
Bei Betrachtung der Kernhülle fielen jedoch deutliche Unterschiede zwischen konventioneller und HPF-Fixierung auf. Die äußere Kernmembran der konventionell fixierten FSHD-Myoblasten verlief unregelmäßig und gewellt. Im Gegensatz dazu wies die Kernhülle der HPF-fixierten erkrankten Myoblasten einen erstaunlich parallelen Verlauf auf.
Da bei EDMD in vorangegangenen Untersuchungen auch fluoreszenzmikroskopisch Veränderungen der erkrankten Zellen auffällig waren, wurde neben den Methoden der Elektronenmikroskopie das Vorliegen und die Verteilung verschiedener Proteine in FSHD-Myoblasten mittels indirekter Immunfluoreszenz untersucht und mit den Kontrollzellen verglichen.
Zur Beurteilung der Kernhülle wurden Antikörper gegen Lamin A/C und Nukleoporine eingesetzt. Die Mitochondrien wurden mithilfe des Antikörpers ANT1/2, der an den Adenin-Nukleotid-Translokator der inneren Mitochondrienmembran bindet, untersucht.
Im Gegensatz zu den Untersuchungen an EDMD-Myoblasten waren die Lamine A und C sowie die Kernporen sowohl bei den Myoblasten der FSHD-Patienten als auch bei den Kontrollzellen nachweisbar und gleichmäßig verteilt.
Bei der indirekten Immunfluoreszenz mit ANT1/2 zeigten sich Unterschiede zwischen den untersuchten Myoblasten-Paaren.
Durch die vorliegenden Ergebnisse ist darauf zu schließen, dass die Myoblasten von FSHD-Patienten Veränderungen Mitochondrien aufweisen. Die Untersuchungen der Kernhülle liefern abhängig von der Fixierungsmethode unterschiedliche Ergebnisse. / The autosomal dominant facioscapulohumeral muscular dystrophy (FSHD), with a prevalence of about 1:20,000, is the third most common form of hereditary myopathy. First complaints are usually observed in the second decade of life. Most affected are the muscles of the face, shoulders, upper arms, lower legs and girdle.
FSHD is triggered by a gene defect affecting the long arm of chromosome four (4q35), resulting in the partial deletion of polymorphic portion D4Z4 encoding the protein DUX4. This leads to disorders in DUX4 expression, changes in myogenic gene expression, suppression of muscle cell differentiation and inhibition of muscle formation.
FSHD and another form of muscular dystrophy, the Emery-Dreifuss muscular dystrophy (EDMD), show phenotypic similarities in the severity of the disease, despite different genetic causes. In previous studies, the nuclear envelope of EDMD myoblasts showed morphological abnormalities. Other studies revealed morphological changes in the mitochondria of FSHD patients.
Therefore, electron micrographs of the nuclear envelope and mitochondria of FSHD myoblasts were performed and compared to the corresponding control.
For this purpose, three different pairs of myoblasts were used in different passages, that is, different numbers of subcultures, with increased morphological atypia being observed in the higher passages.
The cell lines used differentiate by several parameters such as age and sex of the patients. There were differences between the control cells as well as between the FSHD myoblasts.
Two different fixation methods were used in sample preparation for electron microscopy: conventional chemical fixation, drainage and flat embedding of cultured cells and high-pressure freezing with subsequent freeze substitution. In terms of the quality of structure preservation achieved in high pressure freezing, this type of fixation is attributed superiority over all other methods. This general statement cannot be completely applied to the investigations on the myoblasts.
For the investigation of the nuclear membranes both methods are suitable, whereby the distance between inner and outer nuclear membrane after the HPF fixation was more sharply mapped. In the representation of mitochondria, the electron micrographs after high pressure freezing showed better and sharper results. The nuclear pores were easily recognizable in both fixation methods.
When comparing the healthy and diseased myoblasts, the control cells showed significantly less abnormalities than the myoblasts of FSHD patients.
The inner and outer nuclear membrane were mostly parallel in the control cells, and the mitochondria in most cases showed a typical worm-like elongated form with cristae. This was true for both conventional fixation and high pressure freezing.
FSHD myoblasts exhibited marked abnormalities in mitochondrial morphology compared to controls in both fixation methods. In addition to an often wide range of variation in shape and length there was also noted the partial absence of cristae.
When looking at the nuclear envelope, however, there were clear differences between conventional and HPF fixation. The outer nuclear membrane of the conventionally fixed FSHD myoblasts was irregular and wavy. In contrast, the nuclear envelope of HPF fixed diseased myoblasts showed an astonishingly parallel course.
Since in EDMD changes in the diseased cells were also noticeable by fluorescence microscopy, in addition to the methods of electron microscopy, the presence and distribution of various proteins in FSHD myoblasts was examined by indirect immunofluorescence and compared with the control cells.
To assess the nuclear envelope, antibodies against lamin A/C and nucleoporins were used. The mitochondria were examined using the antibody ANT1 / 2, which binds to the adenine nucleotide translocator of the inner mitochondrial membrane.
In contrast to the studies on EDMD myoblasts, the lamins A and C as well as the nuclear pores were detectable and evenly distributed both in the myoblasts of the FSHD patients and in the control cells.
Indirect immunofluorescence with ANT1 / 2 showed differences between the investigated myoblasts.
The present results suggest that the myoblasts of FSHD patients have changes in mitochondria. The investigations of the nuclear envelope provide different results depending on the fixation method.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:15667 |
| Date | January 2018 |
| Creators | Kißner [geb. Stenger], Stefanie Martina |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | deu |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_mit_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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