University of Oulu

Characterization of signalling pathways in cardiac hypertrophic response

Saved in:
Author: Koivisto, Elina
Organizations: University of Oulu, Faculty of Medicine, Institute of Biomedicine, Department of Pharmacology and Toxicology
University of Oulu, Biocenter Oulu
Format: eBook
Online Access: PDF Full Text (PDF, 2.6 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789514294617
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2011
Publish Date: 2011-06-07
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Faculty of Medicine of the University of Oulu for public defence in the Auditorium of the Department of Pharmacology and Toxicology (Aapistie 5 B), on 17 June 2011, at 12 noon
Tutor: Professor Heikki Ruskoaho
Docent Risto Kerkelä
Reviewer: Professor Raimo K. Tuominen
Professor Ullamari Pesonen
Description:

Abstract

Intracellular signalling cascades regulate cardiomyocyte hypertrophic response. Initially hypertrophy of individual myocytes occurs as an adaptive response to increased demands for cardiac work, e.g. during hypertension or after myocardial infarction, but a prolonged hypertrophic response, accompanied by accelerated fibrosis and apoptosis, predisposes the heart to impaired performance and the syndrome of heart failure. The goal of this work was to elucidate some of the main signalling pathways in experimental models of the cardiac hypertrophic response.

Mechanical stretching of cultured neonatal rat cardiomyocytes in vitro activates the B-type natriuretic peptide (BNP) gene, a well-established marker of the hypertrophic response, through intracellular signalling cascades mitogen-activated protein kinases (MAPKs) and protein kinase A (PKA) -pathway. Further, transcription factors transcriptional enhancer factor-1 (TEF-1) and activating transcription factor 3 (ATF3) were induced during stretch, and TEF-1 activation was shown to be regulated by extracellular signal-regulated kinase (ERK), while ATF3 activation was modulated by PKA. The BNP gene was also activated by the adenoviral overexpression of the p38 MAPK isoforms p38α and p38β in vitro. Importantly, p38α–induced activation was mediated through activator protein-1 (AP-1) while p38β mediated BNP transcription through GATA-4, which suggests distinct physiological roles for different p38 isoforms. This was further confirmed by quantitative PCR, which demonstrated pro-fibrotic role for the p38α isoform and a pro-hypertrophic role for the p38β isoform. Finally, adenoviral overexpression of ATF3 in vitro and in vivo resulted in activation of cardiac survival factors nuclear factor-κВ and Nkx-2.5, and attenuation of central pro-inflammatory and pro-fibrotic mediators. Together these data suggest a protective role for ATF3 in the heart.

Overall this study provides new insights into the role of several signalling molecules involved in cardiac hypertrophic process and suggests potential therapeutic strategies for the diagnosis and treatment of heart failure.


Tiivistelmä

Sydämen kammioiden seinämät paksuuntuvat kuormituksen lisääntyessä mm. verenpainetaudissa tai sydäninfarktin jälkeen. Lisääntynyt kuormitus aiheuttaa sydänlihassolujen koon kasvun (hypertrofioitumisen) ohella sidekudoksen kertymistä (fibroosia) ja solukuolemaa. Nämä solutason muutokset lopulta vioittavat sydämen rakennetta niin, että sen toiminta pettää, ja sydän ajautuu vajaatoimintaan. Tätä taudin etenemistä säätelevät molekyylitasolla lukuisat solunsisäiset signaalinvälitysjärjestelmät, joita tässä väitöskirjatyössä tutkittiin eri koemalleissa.

Sydämen täyttöpaineen nousun aiheuttama sydänlihassolujen mekaaninen venytys aktivoi natriureettisten peptidien (eteispeptidi, ANP ja B-tyypin natriureettinen peptidi, BNP) synteesiä ja vapautumista verenkiertoon. BNP geenin säätelyä mekaanisen venytyksen aikana tutkittiin rotan sydänlihassoluviljelmissä. Mitogeeni-aktivoituvat proteiinikinaasit (MAPK) sekä proteiinikinaasi A (PKA) säätelivät mekaanisen ärsykkeen aiheuttamaa BNP geenin ekspressiota. Venytys aktivoi myös transkriptiotekijöitä TEF-1 (transcriptional enhancer factor-1) ja ATF3 (activating transcription factor 3). TEF-1 sääteli venytyksen aiheuttamaa BNP:n aktivaatiota ERK:n (extracellular signal-regulated kinase) välityksellä BNP geenin säätelyalueella olevan sitoutumispaikkansa (M-CAT elementti) kautta. ATF3:n säätelyssä PKA:lla oli keskeinen merkitys. Tutkimus osoitti myös, että p38 MAPK:n alatyypeistä p38α lisäsi fibroosiin liittyvien geenien aktiivisuutta, kun taas p38β aiheutti solujen hypertrofioitumista lisäävien geenien ekspressiota. Molemmat alatyypit aktivoivat BNP geenin ekspressiota, mutta aktivaatio tapahtui eri transkriptiotekijöiden kautta. Tutkimuksessa havaittiin myös, että ATF3:n yliekspressio adenovirusvälitteisellä geeninsiirrolla lisäsi kahden sydäntä suojaavan transkriptiotekijän (nuclear factor-κВ ja Nkx-2.5) aktiivisuutta, sekä vähensi sydämen tulehdusvastetta ja fibroosia lisäävien tekijöiden (interleukiini-6 ja plasminogeeniaktivaattorin inhibiittori-1) ekspressiota.

Väitöskirjatutkimus antaa uutta tietoa solunsisäisistä signaalinvälitys-järjestelmistä, jotka säätelevät sydänlihaksen kuormitusvastetta sydän- ja verenkiertoelimistön sairauksissa. Näiden solutason mekanismien tunteminen osaltaan edesauttaa jatkossa uusien menetelmien kehittämistä sydämen vajaatoiminnan ehkäisyyn ja hoitoon.


Series: Acta Universitatis Ouluensis. D, Medica
ISSN: 0355-3221
ISSN-E: 1796-2234
ISSN-L: 0355-3221
ISBN: 978-951-42-9461-7
ISBN Print: 978-951-42-9460-0
Issue: 1103
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.