Palladin, a novel microfilament protein

Palladin is a novel actin microfilament associated protein, which together with myotilin and myopalladin forms a novel cytoskeletal IgC2 domain protein family. Whereas the expression of myotilin and myopalladin is limited mainly to striated muscle, palladin is widely expressed in both epithelial and mesenchymal tissues, including heart and the nervous system. Palladin has a complex genetic structure and it is expressed as several different sized and structured splice variants, which also display differences in their expression pattern and interactions. In muscle cells, all the family members localize to the sarcomeric Z-disc, and in non-muscle cells palladin also localizes to the stress-fiber-dense regions, lamellipodia, podosomes and focal adhesions. A common feature of this protein family is the binding to α-actinin, but other interactions are mostly unique to each member. Palladin has been shown to interact with several proteins, including VASP, profilin, Eps8, LASP-1 and LPP. Its domain structure, lack of enzymatic activity and multiple interactions define it as a molecular scaffolding protein, which links together proteins with different functional modalities into large complexes. Palladin has an important role in cytoskeletal regulation, particularly in stress fiber formation and stabilization. This assumption is supported by several experimental results. First, over-expression of palladin in non-muscle cells results in rapid reorganization of the actin cytoskeleton and formation of thick actin bundles. Second, the knock-down of palladin with anti-sense and siRNA techniques or knock-out by genetic methods leads to defective stress fiber formation. Furthermore, palladin is usually up-regulated in situations requiring a highly organized cytoskeleton, such as differentiation of dendritic cells, trophoblasts and myofibroblasts, and activation of astrocytes during glial scar formation. The protein family members have also direct disease linkages; myotilin missense mutations are the cause of LGMD1A and myofibrillar myopathy. Palladin mutations and polymorphisms, on the other hand, have been linked to hereditary pancreatic cancer and myocardial infarction, respectively. In this study we set out to characterize human palladin. We identified several palladin isoforms, studied their tissue distribution and sub-cellular localization. Four novel interaction partners were identified; ezrin, ArgBP2, SPIN90 and Src-kinase.The previously identified interaction between palladin and α-actinin was also characterized in detail. All the identified new binding partners are actin cytoskeleton associated proteins; ezrin links the plasma membrane to the cytoskeleton, ArgBP2 and SPIN90 localize, among other structures, to the lamellipodia and in cardiomyocytes to the Z-disc. Src is a transforming tyrosine kinase, which besides its role in oncogenesis has also important cytoskeletal associations. We also studied palladin in myofibroblasts, which are specialized cells involved in diverse physiological and pathological processes, such as wound healing and tissue fibrosis. We demonstrated that palladin is up-regulated during the differentiation of myofibroblasts in an isoform specific manner, and that this up-regulation is induced by TGF-β via activation of both the SMAD and MAPK signalling cascades. In summary, the results presented here describe the initial characterization of human palladin and offer a basis for further studies.

Novel insights on functions of myotilin/palladin family members

Poikkijuovaisen luuranko- ja sydänlihaksen supistumisyksikkö, sarkomeeri, koostuu tarkoin järjestyneistä aktiini- ja myosiinisäikeistä. Rakenne eroaa muista solutyypeistä, joissa aktiinisäikeistö muovautuu jatkuvasti ja sen järjestyminen säätelee solun muotoa, solujakautumista, soluliikettä ja solunsisäisten organellien kuljetusta. Myotilin, palladin ja myopalladin kuuluvat proteiiniperheeseen, jonka yhteispiirteenä ovat immunoglobuliinin kaltaiset (Igl) domeenit. Proteiinit liittyvät aktiinitukirankaan ja niiden arvellaan toimivan solutukirangan rakenne-elementteinä ja säätelijöinä. Myotilinia ja myopalladinia ilmennetään poikkijuovaisessa lihaksessa. Sen sijaan palladinin eri silmukointimuotoja tavataan monissa kudostyypeissä kuten hermostossa, ja eri muodoilla saattaa olla solutyypistä riippuvia tehtäviä. Poikkijuovaisessa lihaksessa kaikki perheen jäsenet sijaitsevat aktiinisäikeitä yhdistävässä Z-levyssä ja ne sitovat Z-levyn rakenneproteiinia, -aktiniinia. Myotilingeenin pistemutaatiot johtavat periytyviin lihastauteihin, kun taas palladinin mutaatioiden on kuvattu liittyvän periytyvään haimasyöpään ja lisääntyneeseen sydäninfarktin riskiin. Tässä tutkimuksessa selvitettin myotilinin ja pallainin toimintaa. Kokeissa löydettiin uusia palladinin 90-92kDa alatyyppiin sitoutuvia proteiineja. Yksi niistä on aktiinidynamiikkaa säätelevä profilin. Profilinilla on kahdenlaisia tehtäviä; se edesauttaa aktiinisäikeiden muodostumista, mutta se voi myös eristää yksittäisiä aktiinimolekyylejä ja edistää säikeiden hajoamista. Solutasolla palladinin ja profilinin sijainti on yhtenevä runsaasti aktiinia sisältävillä solujen reuna-alueilla. Palladinin ja profilinin sidos on heikko ja hyvin dynaaminen, joka sopii palladinin tehtävään aktiinisäideiden muodostumisen koordinoijana. Toinen palladinin sitoutumiskumppani on aktiinisäikeitä yhteensitova -aktiniini. -Aktiniini liittää solutukirangan solukalvon proteiineihin ja ankkuroi solunsisäisiä viestintämolekyylejä. Sitoutumista välittävä alue on hyvin samankaltainen palladinissa ja myotilinissa. Luurankolihaksen liiallinen toistuva venytys muuttaa Z-levyjen rakennetta ja muotoa. Prosessin aikana syntyy uusia aktiinifilamenttejä sisältäviä tiivistymiä ja lopulta uusia sarkomeereja. Löydöstemme perusteella myotilinin uudelleenjärjestyminen noudattaa aktiinin muutoksia. Tämä viittaa siihen, että myotilin liittää yhteen uudismuodostuvia aktiinisäikeitä ja vakauttaa niitä. Myotilin saattaa myös ankkuroida viesti- tai rakennemolekyylejä, joiden tehtävänä on edesauttaa Z-levyjen uudismuodostusta. Tulostemme perusteella arvelemme, että myotilin toimii Z-levyjen rakenteen vakaajana ja aktiinisäikeiden säätelijänä. Palladinin puute johtaa sikiöaikaiseen kuolemaan hiirillä, mutta myotilinin puutoksella ei ole samanlaisia vaikutuksia. Tuotettujen myotilin poistogeenisten hiirten todetiin syntyvän ja kehittyvän normaalisti eikä niillä esiintynyt rakenteellisia tai toiminnallisia häiriöitä. Toisaalta aiemmissa kokeissa, joissa hiirille on siirretty ihmisen lihastautia aikaansaava myotilingeeni, nähdään samankaltaisia kuin sairailla ihmisillä. Näin ollen muuntunut myotilin näyttä olevan lihaksen toiminnalle haitallisempi kuin myotilinin puute. Myotilinin ja palladinin yhteisvaikutusta selvittääksemme risteytimme myotilin poistegeenisen hiiren ja hiirilinjan, joka ilmentää puutteellisesti palladinin 200 kDa muotoa. Puutteellisesti 200 kDa palladinia ilmentävien hiirten sydänlihaksessa todettiin vähäisiä hienorakenteen muutoksia, mutta risteytetyillä hiirillä tavattiin rakenteellisia ja toiminnallisia muutoksia myös luurankolihaksessa. Tulosten perusteella voidaan todeta, että palladinin 200 kDa muoto säätelee sydänlihassolujen rakennetta. Luurankolihaksessa sen sijaan myotilinilla ja palladinilla näyttäisi olevan päällekkäisiä tehtäviä.