OTUD6B governs cardiomyocyte cell-cycle progression and ventricular chamber development

Het hart is het eerste orgaan dat aan het werk gaat in een ontwikkelende embryo, en begint te kloppen om bloed te pompen lang voordat de longen hun eerste ademteug nemen of de hersenen hun eerste gedachten vormen. Om deze kleine motor te laten groeien tot een krachtige pomp die in staat is het leven te ondersteunen, moeten de spiercellen snel en in perfecte coördinatie delen. Dit proces wordt strikt gereguleerd door een complex systeem van moleculaire schakelaars die cellen vertellen wanneer ze moeten groeien, wanneer ze moeten stoppen en wanneer ze moeten specialiseren. Een van de belangrijkste manieren waarop cellen deze schakelaars beheren, is via een etiketteringssysteem genaamd ubiquitinatie. Stel je een cel voor als een drukke fabriek waar eiwitten de arbeiders zijn; soms moet een arbeider worden verwijderd of gerecycled, en de cel bevestigt een klein label om het aan te merken voor afvoer. Op andere tijden wordt een label verwijderd om een arbeider actief te houden. De enzymen die deze verwijdering uitvoeren, worden deubiquitinases genoemd, en zij fungeren als de managers van de fabriek, die beslissen welke eiwitten blijven en welke gaan. Hoewel wetenschappers al lang weten dat deze managers essentieel zijn om cellen gezond te houden, is hun specifieke rol bij het vanaf nul opbouwen van een hart een mysterie gebleven.

Een team van onderzoekers van Augusta University en Guangzhou Medical University heeft nu een cruciaal puzzelstukje ontdekt. Ze richtten zich op een specifiek manager-eiwit genaamd OTUD6B, dat in verband was gebracht met een zeldzaam menselijk syndroom met betrekking tot ontwikkelingsachterstanden en hartdefecten, maar waarvan de exacte functie in het hart onbekend was. Door speciale muismodellen te creëren die dit eiwit missen, ontdekten de wetenschappers dat OTUD6B essentieel is voor het hart om groot genoeg te groeien om te kunnen functioneren. Zonder OTUD6B slaagt de hartspier er niet in om op de juiste manier dikker te worden, waardoor de kamers te dun en te zwak blijven om bloed effectief te pompen. De studie onthult dat OTUD6B werkt door de celverdelingsmachinerie soepel te laten draaien, waardoor wordt gewaarborgd dat hartspiercellen zich met de juiste snelheid kunnen vermenigvuldigen om een robuuste ventrikel op te bouwen.

De onderzoekers begonnen met het onderzoeken van wat er gebeurt wanneer de hoeveelheid OTUD6B licht wordt verminderd versus wanneer deze volledig wordt verwijderd. Ze onderzochten eerst muizen die een genetische verandering vertoonden waardoor de eiwitniveaus tot ongeveer tien procent van het normale niveau werden teruggebracht. Deze muizen, die nog steeds een kleine hoeveelheid van het eiwit bezaten, groeiden normaal op met gezonde harten en leefden volledige levens. Deze bevinding was significant omdat het aantoonde dat het hart een aanzienlijke daling van dit eiwit kan tolereren zonder onmiddellijk falen. Echter, toen de onderzoekers muizen maakten met absoluut geen OTUD6B, waren de resultaten schokkend anders. Deze embryo's groeiden traag en stierven kort na de geboorte, niet in staat om zelfs maar enkele uren buiten de baarmoeder te overleven. Bij nadere inspectie waren hun harten ernstig onderontwikkeld, met wanden die gevaarlijk dun waren en een ontbrekende scheidingswand tussen de linker- en rechterkant, een defect dat bekend staat als een ventrikelseptumdefect. De longen waren ook ingeklapt, wat suggereert dat de pasgeborenen niet effectief konden ademen, waarschijnlijk door het onvermogen van het hart om de circulatie te ondersteunen.

Om te begrijpen waarom de harten faalden, bekeken het team de genetische activiteit in de ontwikkelende harten van de muizen die OTUD6B misten. Ze ontdekten dat de cellen moeite hadden met het volgen van de juiste instructies voor deling. In een gezond hart delen de spiercellen zich snel om de dikke wanden van de ventrikels op te bouwen. In de defecte harten begonnen de cellen het proces van het kopiëren van hun DNA, maar raakten ze daarna gestrand, niet in staat om de taak te voltooien. De onderzoekers observeerden dat de niveaus van sleutel-eiwitten die nodig zijn voor celdeling, zoals Cycline D3 en Cycline E1, drastisch lager waren dan normaal. Deze eiwitten fungeren als de brandstof voor de celcyclus, die de cel van de ene groeifase naar de volgende drijft. Zonder hen accumuleerden de cellen in een staat van stagnatie, niet in staat de cyclus te voltooien en zich te vermenigvuldigen. Dit gebrek aan vermenigvuldiging betekende dat de hartspier nooit de noodzakelijke dikte kreeg, wat leidde tot een hart dat te zwak was om het leven te ondersteunen.

Het team wilde ook weten of deze bevindingen van toepassing waren op mensen, aangezien mensen met mutaties in het OTUD6B-gen vaak lijden aan soortgelijke hartdefecten. Ze creëerden een nieuwe lijn muizen met een specifieke genetische fout die bij patiënten voorkomt, bekend als de R116*-mutatie. Deze muizen gedroegen zich exact als de muizen met helemaal geen OTUD6B. Ze leden aan dezelfde dunne hartwanden, dezelfde ontbrekende hartscheidingswanden en dezelfde tragische afloop van overlijden kort na de geboorte. Dit bevestigde dat de menselijke mutatie dezelfde biologische breuk veroorzaakt als een volledig gebrek aan het eiwit, wat een directe link biedt tussen de genetische fout en de fysieke hartdefecten die bij patiënten worden gezien.

Verdere experimenten toonden aan dat dit probleem intrinsiek was aan de hartspercellen zelf. Wanneer de onderzoekers het gen verwijderden uit hartcellen die in een schaal werden gekweekt, faalden die cellen ook in het correct delen en stopten ze met het produceren van de noodzakelijke delings-eiwitten. Dit bewees dat OTUD6B direct binnen de hartspier werkt om de groei te reguleren, in plaats van te vertrouwen op signalen van andere delen van het lichaam. De studie merkte ook op dat hoewel het hart ernstig werd aangetast, de longen pas na de geboorte tekenen van problemen vertoonden, wat suggereert dat de primaire doodsoorzaak het onvermogen van het hart was om te pompen, wat vervolgens verhinderde dat de longen correct ontstoken konden worden.

Dit onderzoek vestigt OTUD6B als een vitale bewaker van de hartontwikkeling, een van de weinige bekende enzymen die onmisbaar zijn voor het bouwen van een zoogdierhart. Het verduidelijkt dat het hart niet alleen de juiste genen nodig heeft om te beginnen met vormen; het heeft de juiste managementsystemen nodig om ervoor te zorgen dat die genen de snelle celdeling uitvoeren die nodig is om een functioneel orgaan op te bouwen. De bevindingen verklaren waarom individuen met specifieke mutaties in dit gen worden geboren met ernstige hartdefecten en bieden een duidelijk biologisch mechanisme voor hun aandoening. Door te laten zien hoe het verlies van een enkel eiwit de celcyclus verstoort en leidt tot een hart dat niet sterk genoeg kan groeien om te overleven, biedt de studie een nieuw begrip van de moleculaire fundamenten van aangeboren hartziekten. Het benadrukt dat het ubiquitinesysteem, dat vaak wordt bestudeerd in de context van kanker of veroudering, ook een fundamentele architect van het leven is, die de vorm geeft aan het allereerste orgaan dat ons in leven houdt.