Reactive oxygen species produced by NADPH oxidase link mechanical stretching to calcium signaling in mammalian myocytes.

A close-up view of cardiac cell mechanics Heart cells contain a very well-organized array of cytoskeletal elements, including actin and microtubules that help them to perform their mechanical functions. Robison et al. used an advanced imaging approach to study the inner workings of mouse cardiac myocytes in real time. They observed microtubule “buckling” under contractile force in beating cardiomyocytes. This buckling was regulated by interaction with desmin and by the tubulin tyrosination state. The findings suggest a role for stable detyrosinated microtubules whose buckling under tension contributes to cardiac muscle strength. Science , this issue p. 10.1126/science.aaf0659

Duchenne muscular dystrophy (DMD) is a fatal X-linked degenerative muscle disease caused by the absence of the microtubule-associated protein dystrophin, which results in a disorganized and denser microtubule cytoskeleton. In addition, mechanotransduction-dependent activation of calcium (Ca(2+)) and reactive oxygen species (ROS) signaling underpins muscle degeneration in DMD. We show that in muscle from adult mdx mice, a model of DMD, a brief physiologic stretch elicited microtubule-dependent activation of NADPH (reduced-form nicotinamide adenine dinucleotide phosphate) oxidase-dependent production of ROS, termed X-ROS. Further, X-ROS amplified Ca(2+) influx through stretch-activated channels in mdx muscle. Consistent with the importance of the microtubules to the dysfunction in mdx muscle, muscle cells with dense microtubule structure, such as those from adult mdx mice or from young wild-type mice treated with Taxol, showed increased X-ROS production and Ca(2+) influx, whereas cells with a less dense microtubule network, such as young mdx or adult mdx muscle treated with colchicine or nocodazole, showed little ROS production or Ca(2+) influx. In vivo treatments that disrupted the microtubule network or inhibited NADPH oxidase 2 reduced contraction-induced injury in adult mdx mice. Furthermore, transcriptome analysis identified increased expression of X-ROS-related genes in human DMD skeletal muscle. Together, these data show that microtubules are the proximate element responsible for the dysfunction in Ca(2+) and ROS signaling in DMD and could be effective therapeutic targets for intervention.

In striated muscle, X-ROS is the mechanotransduction pathway by which mechanical stress transduced by the microtubule network elicits reactive oxygen species. X-ROS tunes Ca(2+) signalling in healthy muscle, but in diseases such as Duchenne muscular dystrophy (DMD), microtubule alterations drive elevated X-ROS, disrupting Ca(2+) homeostasis and impairing function. Here we show that detyrosination, a post-translational modification of α-tubulin, influences X-ROS signalling, contraction speed and cytoskeletal mechanics. In the mdx mouse model of DMD, the pharmacological reduction of detyrosination in vitro ablates aberrant X-ROS and Ca(2+) signalling, and in vivo it protects against hallmarks of DMD, including workload-induced arrhythmias and contraction-induced injury in skeletal muscle. We conclude that detyrosinated microtubules increase cytoskeletal stiffness and mechanotransduction in striated muscle and that targeting this post-translational modification may have broad therapeutic potential in muscular dystrophies.

Abstract In heart failure, an increased abundance of post-translationally detyrosinated microtubules stiffens the cardiomyocyte and impedes its contractile function. Detyrosination promotes interactions between microtubules, desmin intermediate filaments and the sarcomere to increase cytoskeletal stiffness, yet the mechanism by which this occurs is unknown. We hypothesized that detyrosination may regulate the growth and shrinkage of dynamic microtubules to facilitate interactions with desmin and the sarcomere. Through a combination of biochemical assays and direct observation of growing microtubule plus-ends in adult cardiomyocytes, we find that desmin is required to stabilize growing microtubules at the sarcomere Z-disk, where desmin also rescue shrinking microtubules from continued depolymerization. Further, reducing detyrosination (tyrosination) promotes frequent depolymerization and inefficient growth of microtubules. This is concomitant with tyrosination promoting the interaction of microtubules with the depolymerizing protein complex of end-binding protein 1 (EB1) and CAP-Gly domain containing linker protein 1 (CLIP1/CLIP170). The futile growth of tyrosinated microtubules reduces their opportunity for stabilizing interactions at the Z-disk, coincident with tyrosination globally reducing microtubule lifetimes and stability. These data provide a model for how intermediate filaments and tubulin detyrosination establish long-lived and physically reinforced microtubules in the cardiomyocyte, and inform on the mechanism of action for therapies that target microtubules for the treatment of cardiac disease.

Abstract A proliferated and post-translationally modified microtubule network underlies cellular growth in cardiac hypertrophy and contributes to contractile dysfunction in heart failure. Yet how the heart achieves this modified network is poorly understood. Determining how the “tubulin code” – the permutations of tubulin isoforms and post-translational modifications - is rewritten upon cardiac stress may provide new targets to modulate cardiac remodeling. Further, while tubulin can autoregulate its own expression, it is unknown if autoregulation is operant in the heart or tuned in response to stress. Here we use heart failure patient samples and murine models of cardiac remodeling to interrogate transcriptional, autoregulatory, and post-translational mechanisms that contribute to microtubule network remodeling at different stages of heart disease. We find that autoregulation is operant across tubulin isoforms in the heart and leads to an apparent disconnect in tubulin mRNA and protein levels in heart failure. We also find that within 4 hours of a hypertrophic stimulus and prior to cardiac growth, microtubule detyrosination is rapidly induced to help stabilize the network. This occurs concomitant with rapid transcriptional and autoregulatory activation of specific tubulin isoforms and microtubule motors. Upon continued hypertrophic stimulation, there is an increase in post-translationally modified microtubule tracks and anterograde motors to support cardiac growth, while total tubulin content increases through progressive transcriptional and autoregulatory induction of tubulin isoforms. Our work provides a new model for how the tubulin code is rapidly rewritten to establish a proliferated, stable microtubule network that drives cardiac remodeling, and provides the first evidence of tunable tubulin autoregulation during pathological progression.

Abstract Rationale Hypertrophic cardiomyopathy (HCM) is the most common cardiac genetic disorder caused by sarcomeric gene variants and associated with left ventricular (LV) hypertrophy and diastolic dysfunction. The role of the microtubule network has recently gained interest with the findings that α-tubulin detyrosination (dTyr-tub) is markedly elevated in heart failure. Reduction of dTyr-tub by inhibition of the detyrosinase (VASH/SVBP complex) or activation of the tyrosinase (tubulin tyrosine ligase, TTL) markedly improved contractility and reduced stiffness in human failing cardiomyocytes, and thus poses a new perspective for HCM treatment. Objective In this study, we tested the impact of targeting dTyr-tub in a mouse model of HCM, the Mybpc3 -targeted knock-in (KI) mice, and in human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived cardiomyocytes and engineered heart tissues (EHTs) deficient in SVBP or TTL. Methods and Results TTL gene transfer was tested in wild-type (WT) mice and rats and in adult KI mice. We show that i) TTL dose-dependently reduced dTyr-tub and improved contractility without affecting cytosolic calcium transients in WT cardiomyocytes; ii) TTL partially improved LV function and diastolic filling, reduced stiffness and normalized cardiac output and stroke volume in KI mice; iii) TTL induced a marked transcription and translation of several tubulins in KI mice; iv) TTL modulated mRNA or protein levels of components of mitochondria, Z-disc, ribosome, intercalated disc, lysosome and cytoskeleton in KI mice; v) SVBP-KO and TTL-KO EHTs exhibited low and high dTyr-tub levels, higher and lower force of contraction and enhanced and prolonged relaxation than in WT EHTs, respectively. RNA-seq and mass spectrometry analysis revealed distinct enrichment of cardiomyocyte components and pathways in SVBP-KO vs. TTL-KO EHTs. Conclusion This study provides evidence that reducing dTyr-tub improves function in HCM mouse hearts and human EHTs and holds promise for targeting the non-sarcomeric cytoskeleton in heart disease.

Heart failure with preserved ejection fraction (HFpEF) is a complex syndrome associated with increased myocardial stiffness and cardiac filling abnormalities. Prior studies implicated increased α-tubulin detyrosination, which is catalyzed by the vasohibin enzymes, as a contributor to increased stabilization of the cardiomyocyte microtubule network (MTN) and stiffness in failing human hearts. We explored whether increased MTN detyrosination contributed to impaired diastolic function in the ZSF1 obese rat model of HFpEF and designed a small-molecule vasohibin inhibitor to ablate MTN detyrosination in vivo. Compared with ZSF1 lean and Wistar Kyoto rats, obese rats exhibited increased tubulin detyrosination concomitant with diastolic dysfunction, left atrial enlargement, and cardiac hypertrophy with a preserved left ventricle ejection fraction, consistent with an HFpEF phenotype. Ex vivo myocardial phenotyping assessed cardiomyocyte mechanics and contractility. Vasohibin inhibitor treatment of isolated cardiomyocytes from obese rats resulted in reduced stiffness and faster relaxation. Acute in vivo treatment with vasohibin inhibitor improved diastolic relaxation in ZSF1 obese rats compared with ZSF1 lean and Wistar Kyoto rats. Vasohibin inhibition also improved relaxation in isolated human cardiomyocytes from both failing and nonfailing hearts. Our data suggest the therapeutic potential for vasohibin inhibition to reduce myocardial stiffness and improve relaxation in HFpEF.