University of Oulu

Mechanical stretch and peptide growth factors in the regulation of the hypertrophic response of cardiomyocytes : ANP and BNP as model genes

Saved in:
Author: Tokola, Heikki
Organizations: University of Oulu Graduate School
University of Oulu, Faculty of Medicine, Institute of Diagnostics, Department of Pathology
Oulu University Hospital
Format: eBook
Online Access: PDF Full Text (PDF, 1.8 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526210001
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2015
Publish Date: 2015-11-17
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Health and Biosciences of the University of Oulu for public defence in Auditorium F202 of the Faculty of Medicine (Aapistie 5 B), on 27 November 2015, at 12 noon
Tutor: Professor Heikki Ruskoaho
Reviewer: Professor Eero Mervaala
Docent Ilkka Tikkanen
Opponent: Professor Markku Heikinheimo
Description:

Abstract

Cardiac hypertrophy is the primary adaptive mechanism of the heart to increased workload, though when advanced, it becomes a leading predictor for heart failure and sudden death. The growth stimulus elicited by a hemodynamic load is attributable to a combination of mechanical and neurohumoral factors, but the precise roles of individual growth promoting components are still unclear. This study utilized atrial natriuretic peptide (ANP) and B-type natriuretic peptide (BNP) as model genes with which to investigate the involvement and mechanisms of mechanical stress and peptide growth factors in hypertrophic response of cardiac myocytes.

The direct effect of mechanical stretch was studied in two different in vitro models of cultured neonatal rat cardiomyocytes. In the first approach, hypo-osmotic swelling -induced stretch increased ANP mRNA levels in atrial cells. In the second model, cyclic mechanical stretch of ventricular cells grown on flexible membranes evoked ANP and BNP gene expression and secretion. The mechanisms of stretch-induced BNP gene expression were studied by measurement of the activities of transcription factors and by utilizing promoter analysis together with site specific mutations. Stretch activated the binding of the transcription factor GATA-4 similarly to pressure overload in vivo. Mutational studies revealed that specific GATA consensus sites on the BNP promoter, in combination with an Nkx-2.5 binding element, were critical for stretch-activated BNP transcription. Importantly, a reduction of GATA-4 protein levels inhibited the stretch-induced hypertrophic response. Both cyclic mechanical stretchin vitro and hemodynamic overload in vivo activated the expression of peptide growth factor bone morphogenetic protein-2 (BMP-2). The effects of BMP-2 closely resembled those of mechanical stretch including the increase in the expressions of ANP and BNP. Furthermore, the BMP antagonist noggin inhibited the effect of stretch on ANP and BNP. Fibroblast growth factor 1 stimulated ANP synthesis and secretion in a protein kinase C dependent manner.

In conclusion, this work demonstrates that mechanical stretch per se is sufficient to activate the hypertrophic gene program in cardiac myocytes. This effect seems to be at least partially mediated by the growth factor BMP-2 acting in a paracrine manner. The activation of the GATA-4 transcription factor, in cooperation with a factor binding to the Nkx-2.5 binding element, is essential for mechanical stretch-induced cardiomyocyte hypertrophy.


Tiivistelmä

Sydämen tärkein mukautumiskeino kohonneeseen työmäärään on sydänlihaksen kasvu. Sydänlihaksen liikakasvu on kuitenkin tärkein sydämen vajaatoiminnan ja äkkikuoleman ennustetekijä. Hemodynaamisen ylikuormituksen kasvua edistävä vaikutus on lukuisten mekaanisten ja neurohumoraalisten tekijöiden summa, jossa kunkin yksittäisen tekijän osuus on vielä epäselvä. Tässä väitöskirjatyössä tutkittiin mekaanisen venytyksen ja peptidikasvutekijöiden osuutta ja vaikutusmekanismeja sydämen liikakasvun synnyssä käyttämällä malligeeneinä sydämen eteispeptidiä (ANP) ja B-tyypin natriureettista peptidiä (BNP).

Mekaanisen venytyksen välitöntä vaikutusta tutkittiin vastasyntyneen rotan sydänsoluviljelymalleissa. Osmolaliteetin muutoksella aiheutettu venytys lisäsi ANP:n lähetti-RNA-tasoja eteissoluissa. Venyväpohjaisilla kalvoilla kasvatettujen kammiosolujen syklinen venytys stimuloi ANP:n ja BNP:n geeniekspressiota ja eritystä. BNP:n geenisäätelymekanismeja tutkittiin mittaamalla transkriptiotekijöiden aktiivisuutta sekä geeninsiirtokokeilla hyödyntäen muunneltuja BNP:n geenisäätelyalueita. Venytys lisäsi transkriptiotekijä GATA-4:n sitoutumisaktiivisuutta samaan tapaan kuin painekuormitus koe-eläimillä. Tietyt BNP:n säätelyalueen GATA-sitoutumispaikat yhdessä Nkx-2.5:ttä sitovan elementin kanssa osoittautuivat tärkeiksi venytysvasteen kannalta. GATA-4 -proteiinitasojen vähentäminen esti venytyksen aiheuttamaa kasvuvastetta. Sekä syklinen mekaaninen venytys soluviljelykokeissa että hemodynaaminen ylikuormitus koe-eläimillä lisäsivät peptidikasvutekijä bone morphogenetic protein-2:n (BMP-2) geeniekspressiota. BMP-2:n suorat vaikutukset puolestaan muistuttivat läheisesti mekaanisen venytyksen vaikutusta, ANP:n ja BNP:n lisääntynyt geeniekspressio mukaan lukien. BMP-antagonisti noggin esti lisäksi venytyksen vaikutusta ANP:iin ja BNP:iin. Työssä osoitettiin myös, että fibroblastikasvutekijä 1 stimuloi ANP:n synteesiä ja eritystä proteiinikinaasi C:n välityksellä.

Yhteenvetona tulokset osoittavat, että mekaaninen venytys itsessään riittää aktivoimaan sydänlihaksen kasvuun liittyvää geeniohjelmaa. Vasteen välittäjänä näyttää kuitenkin ainakin osittain toimivan paikallisesti tuotettu BMP-2. Edelleen, transkriptiotekijä GATA-4 yhdessä Nkx-2.5 -elementtiin sitoutuvan tekijän kanssa osoittautui välttämättömäksi mekaanisen venytyksen aiheuttamalle kasvuvasteelle.


Series: Acta Universitatis Ouluensis. D, Medica
ISSN: 0355-3221
ISSN-E: 1796-2234
ISSN-L: 0355-3221
ISBN: 978-952-62-1000-1
ISBN Print: 978-952-62-0999-9
Issue: 1324
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.