Towards an active matter perspective on sarcomere dynamics in cardiomyocytes

by Daniel Härtter
Doctoral thesis
Date of Examination:2023-05-23
Date of issue:2023-04-19
Advisor:Prof. Dr. Christoph F. Schmidt
Referee:Prof. Dr. Christoph F. Schmidt
Referee:Prof. Dr. Jörg Enderlein
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-9842

 

 

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Description:Dissertation

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Abstract

English

The contraction of cardiac muscles emerges from the collective dynamics of myosin motor proteins organized in sarcomeres, 2 μm-sized contractile units. Inside individual cardiomyocytes, dozens of sarcomeres in series form long myofibrils enabling rapid, strong and anisotropic cell-level contractions. While the molecular basis of sarcomere contraction is well studied, and the macroscopic motion of cardiac muscles is phenomenologically well described, far less is known about the contraction and expansion of individual sarcomeres and their competitive interactions inside myofibrils during cardiac beating. I developed a set of novel experimental and computational tools to study sarcomere dynamics in-vitro in hiPSC-derived cardiomyocytes. I cultured cardiomyocytes differentiated from a custom CRISPR-generated ACTN2-YFP cell line with endogenously labeled sarcomere z-bands on micropatterned polyacrylamide gels, and recorded high-speed movies of single beating cells. To automatically quantify the structure and function of sarcomeres, I developed SarcAsM (Sarcomere Analysis Multi-tool), an AI-based computational tool for the multi-parametric analysis of sarcomere structure and for the tracking of sarcomere dynamics. Using this high-throughput pipeline, I collected a large data set from 1,300 cells adherent to six different substrates, varying in stiffness, to study the effects of mechanical constraints on the dynamics and interactions of sarcomeres in myofibrils. I found that stiff substrates (>20 kPa) inhibited overall cellular contraction, but not motions of individual sarcomeres. Instead, sarcomeres were forced into a tug-of-war- like competition and moved heterogeneously, exhibiting rich dynamic phenomena such as rapid oscillatory motion and sarcomere popping. I could further show that the observed heterogeneity is in part stochastic, meaning that the type of motion of a sarcomere is not predetermined by static non-uniformities, but varies stochastically from beat to beat. To better understand the dynamic rules underlying these complex phenomena, I modeled the myofibril as a series of dynamic contractile elements with non-monotonous force-velocity relations, as predicted in theoretical models for the collective dynamics of motor proteins. Although it makes highly simplifying assumptions for the passive mechanics of sarcomeres, surprisingly, this model was able to reproduce various crucial aspects of our experimental data, such as the response to mechanical constraints, stochastic heterogeneity and sarcomere popping. This means that stochastic fluctuations at the sarcomere level are entirely sufficient to induce heterogeneous motion even in the absence of static non-uniformities between sarcomeres. Our model also gives insight into how additional static non-uniformities of sarcomeres are, to a certain extent, compensated by the stochastic fluctuations on the sarcomere level. These findings suggest that dynamic properties of cardiac muscle are not sarcomere-autonomous as widely assumed. Instead, they emerge due to the interplay of a heterogeneous ensemble of sarcomeres governed by (1) dynamic instabilities and (2) stochastic fluctuations, two previously overlooked aspects of sarcomere dynamics. The methodology I developed and the novel non-equilibrium active matter perspective on sarcomere dynamics in cardiac myofibrils open new opportunities to better understand cardiomuscular diseases and will aid the development of new therapies.
Keywords: sarcomeres; cardiomyocytes; myofibrils; biophysics; stochastic heterogeneity; cardiac muscle

German

Die Kontraktion von Herzmuskeln entsteht durch die kollektive Dynamik von Myosin-Motorproteinen, die in Sarkomeren, 2 μm großen kontraktilen Einheiten, organisiert sind. In einzelnen Kardiomyozyten bilden Dutzende von Sarkomeren in Reihe lange Myofibrillen, die schnelle, starke und anisotrope Kontraktionen auf Zellebene ermöglichen. Während die molekulare Grundlage der Sarkomerkontraktion gut erforscht und die makroskopische Bewegung der Herzmuskeln phänomenologisch gut beschrieben ist, ist über die Bewegung einzelner Sarkomere und ihre konkurrierenden Interaktionen innerhalb der Myofibrillen während des Herzschlags weit weniger bekannt. Ich habe eine Reihe neuartiger experimenteller und computergestützter Instrumente entwickelt, um die Dynamik der Sarkomere in hiPSC-Kardiomyozyten in vitro zu untersuchen. Ich kultivierte Kardiomyozyten, die aus einer speziell mit CRISPR erzeugten ACTN2-YFP-Zelllinie mit endogen markierten Sarkomer-Z-Bändern auf mikromusterierten Polyacrylamidgelen differenziert wurden, und nahm Hochgeschwindigkeitsfilme von einzelnen schlagenden Zellen auf. Um die Struktur und Funktion der Sarkomere automatisch zu quantifizieren, habe ich SarcAsM (Sarcomere Analysis Multi-tool) entwickelt, ein KI-gestütztes Rechenprogramm für die multiparametrische Analyse der Sarkomerstruktur und für die Verfolgung der Sarkomerdynamik. Mithilfe dieser Hochdurchsatz-Pipeline habe ich einen großen Datensatz von 1 300 Zellen gesammelt, die an sechs verschiedenen Substraten mit unterschiedlicher Steifigkeit haften, um die Auswirkungen mechanischer Zwänge auf die Dynamik und die Interaktionen von Sarkomeren in Myofibrillen zu untersuchen. Ich fand heraus, dass steife Substrate (>20 kPa) die gesamte Zellkontraktion hemmten, nicht aber die Bewegungen einzelner Sarkomere. Stattdessen wurden die Sarkomere in einen tauziehähnlichen Wettbewerb gezwungen und bewegten sich heterogen, wobei sie reichhaltige dynamische Phänomene wie schnelle oszillatorische Bewegungen und Sarkomer-"Popping" zeigten. Außerdem konnte ich zeigen, dass die beobachtete Heterogenität zum Teil stochastisch ist, d. h. dass die Art der Bewegung eines Sarkomers nicht durch statische Ungleichmäßigkeiten vorbestimmt ist, sondern stochastisch von Schlag zu Schlag variiert. Um die dynamischen Regeln, die diesen komplexen Phänomenen zugrunde liegen, besser zu verstehen, habe ich die Myofibrille als eine Reihe von dynamischen kontraktilen Elementen mit nicht monotonen Kraft-Geschwindigkeits-Beziehungen modelliert, wie sie in theoretischen Modellen für die kollektive Dynamik von Motorproteinen vorhergesagt werden. Obwohl es stark vereinfachende Annahmen für die passive Mechanik von Sarkomeren trifft, konnte dieses Modell überraschenderweise verschiedene entscheidende Aspekte unserer experimentellen Daten reproduzieren, wie z. B. die Reaktion auf verschiedene mechanische Umgebungen, stochastische Heterogenität und das "Popping" von Sarkomeren. Dies bedeutet, dass stochastische Fluktuationen auf Sarkomerebene völlig ausreichen, um eine heterogene Bewegung zu erzeugen, selbst wenn es keine statischen Inhomogenitäten zwischen den Sarkomeren gibt. Unser Modell gibt auch Aufschluss darüber, wie zusätzliche statische Inhomogenitäten der Sarkomere bis zu einem gewissen Grad durch die stochastischen Fluktuationen auf Sarkomerebene kompensiert werden. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die dynamischen Eigenschaften des Herzmuskels nicht, wie allgemein angenommen, von den Sarkomeren abhängen. Stattdessen entstehen sie durch das Zusammenspiel eines heterogenen Ensembles von Sarkomeren, die durch (1) dynamische Instabilitäten und (2) stochastische Fluktuationen gesteuert werden, zwei bisher übersehene Aspekte der Sarkomerdynamik. Die von mir entwickelte Methodik und die neuartige Sichtweise auf die Sarkomerdynamik in Herzmuskelfasern, die nicht auf einem Gleichgewicht beruht, eröffnen neue Möglichkeiten für ein besseres Verständnis von Herzmuskelerkrankungen und werden die Entwicklung neuer Therapien unterstützen.
 
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