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Titel:Alterations of nuclear Ca2+ regulation in ventricular myocytes during development and progression of hypertensive heart disease
Autor:Plačkić, Jelena
Weitere Beteiligte: Kockskämper, Jens (Prof. Dr.)
Veröffentlicht:2017
URI:https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2017/0247
DOI: https://doi.org/10.17192/z2017.0247
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2017-02477
DDC:615 Pharmacology & therapeutics, prescription drugs
Titel(trans.):Veränderungen der nuklearen Ca2+ Regelung in ventrikulären Myozyten während der Entwicklung und des Fortschreitens von hypertensiven Herzerkrankungen
Publikationsdatum:2017-05-31
Lizenz:https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0

Dokument

Schlagwörter:
nuclear calcium, Nukleare Kalziumregelung, excitation-contraction coupling, Hypertonie, Anregungs-Transkriptions-Kupplung, hypertension, heart failure, Herzinsuffizienz, Kalzium-Signalisierung, excitation-transcription coupling, Herzhypertrophie, Kernkalzium, calcium signaling, heart hypertrophy, Anregungs-Kontraktions-Kopplung

Summary:
Hypertension is the leading risk factor for developing hypertrophy and heart failure. Pathological changes in myocardial structure and function caused by hypertension are termed ’’hypertensive heart disease’’. In response to elevated mechanical stress in hypertension and a special neurohormonal environment (catecholamines, angiotensin II, endothelin-1), the heart grows as a means of increasing pump function and decreasing wall tension thus inducing a state of ’’compensated hypertrophy’’. Initially, hypertrophy is beneficial, but chronic activation of neurohormonal mediators and altered Ca2+ signaling ultimately lead to maladaptive alterations in gene expression and progressive cardiac remodeling, which eventually becomes detrimental and impairs cardiac function. Impairment of Ca2+ handling is critically implicated in the pathophysiology of hypertrophy and heart failure. Two important Ca2+-dependent signaling pathways involved in cardiac remodeling are the Ca2+/calmodulin-dependent protein phosphatase calcineurin (CaN)–NFAT–GATA4/6 and the Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII)–HDAC–MEF2 pathway. The mechanisms by which the cardiomyocytes distinguish between Ca2+ involved in excitation-contraction coupling in the cytoplasm and transcriptional regulation in the nucleus are poorly understood. While alterations in cytoplasmic Ca2+ regulation have been clearly implicated in the pathophysiology of hypertrophy and heart failure, nucleoplasmic Ca2+ signaling has been studied much less. Increases in nucleoplasmic [Ca2+] may activate Ca2+-dependent enzymes and transcription factors modulating gene expression and may be critical for the pathogenesis of hypertrophy and heart failure. However, there is lack of studies dealing with the regulation and alterations of nucleoplasmic Ca2+ handling under pathophysiological conditions. We used spontaneously hypertensive rats (SHR) to investigate potential alterations in nuclear Ca2+ handling in response to hypertension. During the course of hypertensive heart disease, very little is known about the onset and progression of hypertrophy and heart failure. We hypothesized that maladaptive remodeling of nuclear structure and nuclear Ca2+ signaling might occur early in hypertension triggering initiation and progression of hypertrophy, and in advanced hypertension contributing to the transition from compensated hypertrophy to heart failure. Therefore, in the first part of the thesis, we studied early hypertension-induced structural and functional (Ca2+ handling) remodeling of left ventricular (LV) myocytes and nuclei. We found that LV myocytes and nuclei from early hypertensive SHR (≈3 months of age) were already in the stage of compensatory hypertrophy. Cytoplasmic and nucleoplasmic [Ca2+]i transients (CaTs) were enlarged in SHR. The increase in nucleoplasmic Ca2+ exceeded the increase in cytoplasmic Ca2+, suggesting enhanced nuclear Ca2+ signaling in SHR. Ca2+ load of SR and perinuclear Ca2+ stores was also enlarged in SHR, while fractional release from both stores was unaltered. Intranuclear Ca2+ propagation was faster in SHR, associated with preserved density of nuclear envelope invaginations and elevated nuclear expression of nucleoporins and SR-Ca2+-ATPase. Increased nucleoplasmic Ca2+ signaling was associated with activation of the CaMKIIδ–HDAC5 pathway and increased histone acetylation, suggesting increased gene transcription. The observed remodeling of nuclear Ca2+ handling might represent an early event in hypertension that contributes to initiation and progression of pathological hypertrophy in hypertensive heart disease. In the second part of the thesis, we studied structural and functional nuclear remodeling in advanced hypertension. LV myocytes and nuclei from old SHR (15-25 months of age) were larger compared to young hypertrophic SHR, suggesting further growth of the ventricle with progression of cardiac disease. Cytoplasmic and nucleoplasmic CaTs were augmented (as in young hypertrophic SHR). SR and perinuclear Ca2+ load was increased (as in young hypertrophic SHR). There were profound alterations in the kinetics of both cytoplasmic and nucleoplasmic CaTs. Development of heart failure in old SHR was associated with increased density of nuclear envelope invaginations, faster intranuclear Ca2+ propagation, acceleration of both rise time and tau of decay of nuclear CaTs and alterations in the cytoplasmic protein levels of major Ca2+-regulating proteins. Thus, we identified distinct alterations in nuclear structure and Ca2+ handling during development of heart failure in SHR, providing new insights into mechanisms of nuclear Ca2+ regulation under pathophysiological conditions. Normalization of nucleoplasmic Ca2+ handling may represent a novel target for the treatment of hypertrophy and heart failure in hypertensive heart disease.

Zusammenfassung:
Hypertonie ist einer der bedeutsamsten Risikofaktoren bei der Entwicklung von Hypertrophie und Herzinsuffizienz. Die zugrundeliegenden pathologischen Veränderungen der myokardialen Struktur und Funktion unter Einfluss der Hypertonie werden als „hypertensive Herzkrankheit“ bezeichnet. Als Reaktion auf die mechanische Überbeanspruchung und vermehrte neurohumorale Stimulation (Katecholamine, Angiotensin II, Endothelin-1) wächst das Herz zur Steigerung der Pumpleistung und Verringerung der Wandspannung an, und gelangt so in den Zustand einer „kompensierten Hypertrophie“. Zu Beginn ist diese Form der Hypertrophie der Herzfunktion zuträglich, bei chronischer Aktivierung durch neurohumorale Botenstoffe und veränderte Ca2+-Signalübertragung führt dies jedoch zu maladaptiven Änderungen in der Genexpression und fortschreitenden kardialen Umbauvorgängen, bis diese schließlich die Herzfunktion einschränken und nachhaltig verschlechtern. Eine gestörte Ca2+- Homöostase ist dabei maßgeblicher Bestandteil der zugrundeliegenden Pathophysiologie der Hypertrophie und Herzinsuffizienz. Zwei wichtige Ca2+ abhängige Signalwege die am kardialen Umbau beteiligt sind, werden als der Ca2+/Calmodulin-abhängige Proteinphosphatase Calcineurin (CaN)–NFAT–GATA4/6– und der Ca2+/Calmodulin-abhängige Proteinkinase II (CaMKII)–HDAC–MEF2– Signalweg bezeichnet. Die Mechanismen nach welchen ein Kardiomyozyt Ca2+ im Zytoplasma für die elektromechanische Kopplung von Ca2+ im Zellkern zur transkriptionellen Regulation unterscheidet, sind nur unzureichend verstanden. Während Änderungen in der cytoplasmatischen Ca2+ Regulation klar mit der Pathophysiologie der Hypertrophie und Herzinsuffizienz in Verbindung gebracht werden können, so ist die nukleoplasmatische Ca2+-Signalübertragung in dieser Hinsicht weit weniger gut erforscht. Erhöhte nukleoplasmatische [Ca2+] können Ca2+-abhängige Enzyme und Transkriptionsfaktoren aktivieren, die eine kritische Rolle bei der Pathogenese der Hypertrophie und Herzinsuffizienz spielen können. Allerdings fehlen bisher Studien, die sich mit der Regulation und den Änderungen des nukleoplasmatischen Ca2+-Handlings unter pathophysiologischen Bedingungen beschäftigen. Wir haben spontan-hypertensive Ratten (SHR) verwendet, um potenzielle Änderungen im nukleären Ca2+-Handling als Reaktion auf eine Hypertonie zu untersuchen. Bisher ist nur wenig bekannt über den Beginn und den zeitlichen Fortschritt der Hypertrophie und Herzinsuffizienz während des Verlaufs einer hypertensiven Herzkrankheit. Wir haben die Hypothese aufgestellt, dass maladaptive Umbauvorgänge der nukleären Struktur und Ca2+-Signalübertragung bereits in einem frühen Stadium der Hypertonie die Initiierung und Progression der Hypertrophie anstößt und im fortgeschrittenen Verlauf der Hypertonie den Übergang von kompensierter Hypertrophie zur Herzinsuffizienz begünstigt. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit haben wir daher die durch Hypertonie-induzierten strukturellen und funktionellen (Ca2+-Handling) Umbauvorgänge in linksventrikulären (LV) Myozyten und Zellkernen untersucht. Wir haben hierbei herausgefunden, dass sich LV Myozyten und Zellkerne von früh-hypertensiven SHR (im Alter von etwa 3 Monaten) bereits in einem Stadium der kompensatorischen Hypertrophie befinden. Sowohl zyto- als auch nukleoplasmatische [Ca2+]I-Transienten (CaTs) waren vergrößert in den SHR. Hierbei überstieg die Erhöhung im nukleoplasmatischen Ca2+ die des zytoplasmatischen Ca2+, was auf eine erhöhte nukleäre Ca2+-Signalübertragung in den SHR schließen lässt. Die Ca2+-Beladung des sarkoplasmatischen Retikulums (SR) und der perinukleären Ca2+-Speicher war erhöht, während die fraktionelle Freisetzung aus beiden Speichern unverändert war. Die intranukleäre Ca2+-Propagation war in den SHR schneller, unter Erhalt der Dichte von Invaginationen der Kernhülle und erhöhter Expression von Nukleoporinen und der SR-Ca2+-ATPase. Die verstärkte nukleoplasmatische Ca2+-Signalübertragung ging einher mit einer Aktivierung des CaMKIIδ–HDAC5 Signalwegs und vermehrter Histonazetylierung, was auf eine erhöhte Transkriptionsrate schließen lässt. Die beobachtete Umorganisation des nukleären Ca2+-Handlings kann als ein frühes Ereignis im Verlauf der Hypertonie verstanden werden, welches der Initiierung und Progression der pathologischen Hypertrophie in der hypertensiven Herkrankheit zugrunde liegt. Im zweiten Teil der Arbeit haben wir die strukturellen und funktionellen Umbauvorgänge im Zellkern bei fortgeschrittener Hypertonie untersucht. Die linksventrikulären Myozyten und Zellkerne von alten SHR (im Alter von 15-25 Monaten) waren größer als die der jungen hypertrophen SHR, was auf eine Wachstumszunahme der Ventrikel mit Fortschreiten der kardialen Erkrankung schließen lässt. Die zyto- und nukleoplasmatischen CaTs waren vergrößert bei einer erhöhten Beladung des SR und der perinukleären Ca2+-Speicher (wie schon zuvor in den jungen hypertrophen Tieren). Es wurden profunde Änderungen in der Kinetik von sowohl zytoplasmatischen als auch nukleoplasmatischen CaTs gefunden. Die Entwicklung der Herzinsuffizienz in den alten SHR war verbunden mit einer erhöhten Dichte an Invaginationen der Kernhülle, schnellerer intranukleärer Ca2+-Propagation, einem beschleunigten Anstieg und Abfall der nukleären CaTs und Änderungen in den zytoplasmatischen Proteinkonzentrationen der wichtigsten Ca2+-Regulationsproteine. Wir konnten somit deutlich ausgeprägte Änderungen in der nukleären Struktur und dem nukleären Ca2+-Handling während der Entwicklung der Herzinsuffizienz in SHR nachweisen, welche uns neue Einblicke in die Mechanismen der nukleären Ca2+-Regulation unter pathophysiologischen Bedingungen erlauben. Die Normalisierung des nukleoplasmatischen Ca2+-Handlings stellt ein mögliches neues Target für eine gerichtete Behandlung der Hypertrophie und Herzinsuffizienz bei der hypertensiven Herzkrankheit dar.


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