In addition to thick and thin filaments, vertebrate striated muscle contains a third filament system formed by the giant protein titin. Single titin molecules extend from Z discs to M lines and are longer than 1 micrometer. The titin filament contributes to muscle assembly and resting tension, but more details are not known because of the large size of the protein. The complete complementary DNA sequence of human cardiac titin was determined. The 82-kilobase complementary DNA predicts a 3-megadalton protein composed of 244 copies of immunoglobulin and fibronectin type III (FN3) domains. The architecture of sequences in the A band region of titin suggests why thick filament structure is conserved among vertebrates. In the I band region, comparison of titin sequences from muscles of different passive tension identifies two elements that correlate with tissue stiffness. This suggests that titin may act as two springs in series. The differential expression of the springs provides a molecular explanation for the diversity of sarcomere length and resting tension in vertebrate striated muscles.

Titin is a giant vertebrate striated muscle protein with critical importance for myofibril elasticity and structural integrity. We show here that the complete sequence of the human titin gene contains 363 exons, which together code for 38 138 residues (4200 kDa). In its central I-band region, 47 novel PEVK exons were found, which contribute to titin’s extensible spring properties. Additionally, 3 unique I-band titin exons were identified (named novex-1 to -3). Novex-3 functions as an alternative titin C-terminus. The novex-3 titin isoform is ≈700 kDa in size and spans from Z1-Z2 (titin’s N-terminus) to novex-3 (C-terminal exon). Novex-3 titin specifically interacts with obscurin, a 721-kDa myofibrillar protein composed of 57 Ig/FN3 domains, followed by one IQ, SH3, DH, and a PH domain at its C-terminus. The obscurin domains Ig48/Ig49 bind to novex-3 titin and target to the Z-line region when expressed as a GFP fusion protein in live cardiac myocytes. Immunoelectron microscopy detected the C-terminal Ig48/Ig49 obscurin epitope near the Z-line edge. The distance from the Z-line varied with sarcomere length, suggesting that the novex-3 titin/obscurin complex forms an elastic Z-disc to I-band linking system. This system could link together calcium-dependent, SH3-, and GTPase-regulated signaling pathways in close proximity to the Z-disc, a structure increasingly implicated in the restructuring of sarcomeres during cardiomyopathies.

Background— The role of the giant protein titin in patients with heart failure is not well established. We investigated titin expression in patients with end-stage heart failure resulting from nonischemic dilated cardiomyopathy, in particular as it relates to left ventricular (LV) myocardial stiffness and LV function. Methods and Results— SDS-agarose gels revealed small N2B (stiff) and large N2BA (compliant) cardiac titin isoforms with a mean N2BA:N2B expression ratio that was significantly ( P <0.003) increased in 20 heart failure patients versus 6 controls. However, total titin was unchanged. The coexpression ratio was highest in a subsample of patients with an impaired LV relaxation pattern (n=7), intermediate in those with pseudonormal filling (n=6), and lowest in the group with restrictive filling (n=7). Mechanical measurements on LV muscle strips dissected from these hearts (n=8) revealed that passive muscle stiffness was significantly reduced in patients with a high N2BA:N2B expression ratio. Clinical correlations support the relevance of these changes for LV function (assessed by invasive hemodynamics and Doppler echocardiography). A positive correlation between the N2BA:N2B titin isoform ratio and deceleration time of mitral E velocity, A wave transit time, and end diastolic volume/pressure ratio was found. These changes affect exercise tolerance, as indicated by the positive correlation between the N2BA:N2B isoform ratio and peak O 2 consumption (n=10). Upregulated N2BA expression was accompanied by increased expression levels of titin-binding proteins (cardiac ankyrin repeat protein, ankrd2, and diabetes ankyrin repeat protein) that bind to the N2A element of N2BA titin (studied in 13 patients). Conclusions— Total titin content was unchanged in end-stage failing hearts and the more compliant N2BA isoform comprised a greater percentage of titin in these hearts. Changes in titin isoform expression in heart failure patients with dilated cardiomyopathy significantly impact diastolic filling by lowering myocardial stiffness. Upregulation of titin-binding proteins indicates that the importance of altered titin expression might extend to cell signaling and regulation of gene expression.

Tibial muscular dystrophy (TMD) is an autosomal dominant late-onset distal myopathy linked to chromosome 2q31. The linked region includes the giant TTN gene, which encodes the central sarcomeric protein, titin. We have previously shown a secondary calpain-3 defect to be associated with TMD, which further underscored that titin is the candidate. We now report the first mutations in TTN to cause a human skeletal-muscle disease, TMD. In Mex6, the last exon of TTN, a unique 11-bp deletion/insertion mutation, changing four amino acid residues, completely cosegregated with all tested 81 Finnish patients with TMD in 12 unrelated families. The mutation was not found in 216 Finnish control samples. In a French family with TMD, a Leu→Pro mutation at position 293,357 in Mex6 was discovered. Mex6 is adjacent to the known calpain-3 binding site Mex5 of M-line titin. Immunohistochemical analysis using two exon-specific antibodies directed to the M-line region of titin demonstrated the specific loss of carboxy-terminal titin epitopes in the TMD muscle samples that we studied, thus implicating a functional defect of the M-line titin in the genesis of the TMD disease phenotype. Tibial muscular dystrophy (TMD) is an autosomal dominant late-onset distal myopathy linked to chromosome 2q31. The linked region includes the giant TTN gene, which encodes the central sarcomeric protein, titin. We have previously shown a secondary calpain-3 defect to be associated with TMD, which further underscored that titin is the candidate. We now report the first mutations in TTN to cause a human skeletal-muscle disease, TMD. In Mex6, the last exon of TTN, a unique 11-bp deletion/insertion mutation, changing four amino acid residues, completely cosegregated with all tested 81 Finnish patients with TMD in 12 unrelated families. The mutation was not found in 216 Finnish control samples. In a French family with TMD, a Leu→Pro mutation at position 293,357 in Mex6 was discovered. Mex6 is adjacent to the known calpain-3 binding site Mex5 of M-line titin. Immunohistochemical analysis using two exon-specific antibodies directed to the M-line region of titin demonstrated the specific loss of carboxy-terminal titin epitopes in the TMD muscle samples that we studied, thus implicating a functional defect of the M-line titin in the genesis of the TMD disease phenotype.

Research Article1 May 1995free access Phosphorylation switches specific for the cardiac isoform of myosin binding protein-C: a modulator of cardiac contraction? M. Gautel M. Gautel European Molecular Biology Laboratory, Heidelberg, Germany. Search for more papers by this author O. Zuffardi O. Zuffardi European Molecular Biology Laboratory, Heidelberg, Germany. Search for more papers by this author A. Freiburg A. Freiburg European Molecular Biology Laboratory, Heidelberg, Germany. Search for more papers by this author S. Labeit S. Labeit European Molecular Biology Laboratory, Heidelberg, Germany. Search for more papers by this author M. Gautel M. Gautel European Molecular Biology Laboratory, Heidelberg, Germany. Search for more papers by this author O. Zuffardi O. Zuffardi European Molecular Biology Laboratory, Heidelberg, Germany. Search for more papers by this author A. Freiburg A. Freiburg European Molecular Biology Laboratory, Heidelberg, Germany. Search for more papers by this author S. Labeit S. Labeit European Molecular Biology Laboratory, Heidelberg, Germany. Search for more papers by this author Author Information M. Gautel1, O. Zuffardi1, A. Freiburg1 and S. Labeit1 1European Molecular Biology Laboratory, Heidelberg, Germany. The EMBO Journal (1995)14:1952-1960https://doi.org/10.1002/j.1460-2075.1995.tb07187.x PDFDownload PDF of article text and main figures. ToolsAdd to favoritesDownload CitationsTrack CitationsPermissions ShareFacebookTwitterLinked InMendeleyWechatReddit Figures & Info Cardiac myosin binding protein-C (cardiac MyBP-C, cardiac C protein) belongs to a family of proteins implicated in both regulatory and structural functions of striated muscle. For the cardiac isoform, regulatory phosphorylation in vivo by cAMP-dependent protein kinase (PKA) upon adrenergic stimulation is linked to modulation of cardiac contraction. The sequence of human cardiac MyBP-C now reveals regulatory motifs specific for this isoform. Site-directed mutagenesis identifies a LAGGGRRIS loop in the N-terminal region of cardiac MyBP-C as the key substrate site for phosphorylation by both PKA and a calmodulin-dependent protein kinase associated with the native protein. Phosphorylation of two further sites by PKA is induced by phosphorylation of this isoform-specific site. This phosphorylation switch can be mimicked by aspartic acid instead of phosphoserine. Cardiac MyBP-C is therefore specifically equipped with sensors for adrenergic regulation of cardiac contraction, possibly implicating cardiac MyBP-C in cardiac disease. The gene coding for cardiac MyBP-C has been assigned to the chromosomal location 11p11.2 in humans, and is therefore in a region of physical linkage to subsets of familial hypertrophic cardiomyopathy (FHC). This makes cardiac MyBP-C a candidate gene for chromosome 11-associated FHC. Previous ArticleNext Article Volume 14Issue 91 May 1995In this issue RelatedDetailsLoading ...

Abstract —Extension of the I-band segment of titin gives rise to part of the diastolic force of cardiac muscle. Previous studies of human cardiac titin transcripts suggested a series of differential splicing events in the I-band segment of titin leading to the so-called N2A and N2B isoform transcripts. Here we investigated titin expression at the protein level in a wide range of mammalian species. Results indicate that the myocardium coexpresses 2 distinct titin isoforms: a smaller isoform containing the N2B element only (N2B titin) and a larger isoform with both the N2B and N2A elements (N2BA titin). The expression ratio of large N2BA to small N2B titin isoforms was found to vary greatly in different species; eg, in the left ventricle the ratio is ≈0.05 in mouse and ≈1.5 in pig. Differences in the expression ratio were also found between atria and ventricles and between different layers of the ventricular wall. Immunofluorescence experiments with isoform-specific antibodies suggest that coexpression of these isoforms takes place at the single-myocyte level. The diastolic properties of single cardiac myocytes isolated from various species expressing high levels of the small (rat and mouse) or large (pig) titin isoform were studied. On average, pig myocytes are significantly less stiff than mouse and rat myocytes. Gel analysis indicates that this result cannot be explained by varying amounts of titin in mouse and pig myocardium. Rather, low stiffness of pig myocytes can be explained by its high expression level of the large isoform: the longer extensible region of this isoform results in a lower fractional extension for a given sarcomere length and hence a lower force. Implications of our findings to cardiac function are discussed.

Titin (also known as connectin) is a giant protein with a wide range of cellular functions, including providing muscle cells with elasticity. Its physiological extension is largely derived from the PEVK segment, rich in proline (P), glutamate (E), valine (V), and lysine (K) residues. We studied recombinant PEVK molecules containing the two conserved elements: ≈28-residue PEVK repeats and E-rich motifs. Single molecule experiments revealed that calcium-induced conformational changes reduce the bending rigidity of the PEVK fragments, and site-directed mutagenesis identified four glutamate residues in the E-rich motif that was studied (exon 129), as critical for this process. Experiments with muscle fibers showed that titin-based tension is calcium responsive. We propose that the PEVK segment contains E-rich motifs that render titin a calcium-dependent molecular spring that adapts to the physiological state of the cell.