Alterations of nuclear Ca2+ regulation in ventricular myocytes during development and progression of hypertensive heart disease

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.