University of Oulu

The interaction of transcription factors GATA4 and NKX2-5 and the effect of interaction-targeted small molecules on the heart

Saved in:
Author: Kinnunen, Sini1,2,3
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Medicine
3University of Helsinki, Faculty of Pharmacy
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 3.4 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526226118
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2020
Publish Date: 2020-05-05
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 1041, Biokeskus 2 (Viikinkaari 5, Helsinki), on 15 May 2020, at 12 noon
Tutor: Professor Heikki Ruskoaho
Reviewer: Professor Anna-Liisa Levonen
Docent Jonne Laurila
Opponent: Professor Markku Heikinheimo
Description:

Abstract

Heart failure, a progressive disease, is a consequence of various cardiac diseases. It is one of the leading causes of mortality in the world and a challenge for modern medicine. Although the primary prevention of cardiac diseases in developed countries has improved, the absolute number of heart failure patients is increasing. The current treatments relieve the symptoms and improve quality of life, but they only delay the progression of the disease.

Cardiac hypertrophy initially develops as an adaptive response to reduce ventricular wall stress and maintain cardiac function. However, if hypertrophy is prolonged, it activates pathological remodelling processes, e.g. increased fibrosis and cell death, inadequate angiogenesis and upregulation of foetal gene expression. Sequence-specific DNA-binding proteins, transcription factors (TFs), regulate gene expression and coordinate cell specification. The TF GATA-binding protein 4 (GATA4) is involved in several remodelling processes. It mediates the hypertrophic growth of cardiomyocytes, induces angiogenesis, and regulates apoptosis and cell survival. GATA4 and another cardiac TF, NK2 homeobox 5 (NKX2-5), interact physically and synergistically upregulate gene expression of, e.g. the foetal genes. In addition, their physical co-operation is required for mechanical stretch-induced brain natriuretic peptide (BNP) activation and cardiomyocyte hypertrophy. Thus, GATA4-NKX2-5 interaction is an interesting novel drug target.

The aim of this thesis was to (i) characterise the GATA4-NKX2-5 protein-protein interaction and determine the NKX2-5 binding site on the GATA4 protein, (ii) investigate small molecule binding to GATA4 and NKX2-5 and (iii) to study the effect of the small molecule compounds in experimental in vivo models of heart failure. Mutational studies revealed a specific region involving amino acid N272 on the surface of the GATA4 protein that mediates the interaction with NKX2-5. The inhibitor of GATA4-NKX2-5 interaction, 3i-1000, was demonstrated to bind GATA4. This compound presented anti-hypertrophic and cardioprotective effects in vivo. This work demonstrates that cardiac TFs can be targeted and their functions modulated with small molecule compounds. In addition, the results suggest that targeting protein-protein interactions of key TFs may present a novel strategy for treatment of heart failure.

see all

Tiivistelmä

Sydämen vajaatoiminta on etenevä sairaus, joka on seurausta tai liittyy useisiin eri sydänsairauksiin. Se on yksi johtavista kuolleisuuden syistä maailmassa ja haaste nykyaikaiselle lääketieteelle. Vaikka kehittyneissä maissa sydänsairauksien ennaltaehkäisy on parantunut, niin vajaatoimintaa sairastavien potilaiden absoluuttinen määrä kuitenkin lisääntyy. Nykyinen lääkehoito helpottaa oireita ja parantaa elämänlaatua, mutta vain hidastaa sairauden etenemistä.

Sydämen liikakasvu vähentää aluksi vasemman kammion seinämän stressiä ja ylläpitää sydämen riittävää toimintaa. Jos tila jatkuu pitkään, patologiset uudelleenmuovautumisprosessit aktivoituvat ja esim. sidekudosta muodostuu lisää, solukuolema ja sikiönaikaisten geenien luenta lisääntyvät. Transkriptiotekijät ovat proteiineja, jotka sitoutuvat sekvenssispesifisesti DNA:han ja siten säätelevät ja koordinoivat geenien luentaa sekä solun toimintaa. Etenkin GATA-sekvenssiin sitoutuva proteiini, GATA4, on mukana useissa uudelleen muovautumisprosesseissa. Se mm. välittää sydänlihassolujen kasvua ja säätelee solukuolemaa. GATA4 ja toinen sydämen transkriptiotekijä NKX2-5 sitoutuvat toisiinsa fyysisesti ja aktivoivat synergistisesti geenien, kuten sikiöaikaisten geenien, luentaa. Lisäksi niiden fyysinen vuorovaikutus on tärkeää mekaanisen venytyksen aiheuttamassa B-tyypin natriureettisen peptidin (BNP) aktivaatiossa ja sydänlihassolujen kasvussa. GATA4-NKX2-5 proteiini-proteiini vuorovaikutus onkin uusi mielenkiintoinen lääkevaikutuskohde.

Tämän väitöskirjatyön tavoite oli (i) tutkia GATA4 ja NKX2-5 proteiini-proteiini vuorovaikutusta ja määrittää NKX2-5:n sitoutumispaikka GATA4:ssä, (ii) tutkia pienimolekyylisen yhdisteen sitoutumista GATA4:ään ja NKX2-5:een sekä (iii) tutkia yhdisteiden vaikutuksia in vivo kokeellisissa sydämen vajaatoimintamalleissa. Mutaatiokokeet osoittivat, että GATA4 proteiinin pinnalla, aminohapon N272 kohdalla oleva alue on tärkeä sitoutumiselle NKX2-5:n kanssa. GATA4-NKX2-5 vuorovaikutuksen estävän yhdisteen 3i-1000:n osoitettiin sitoutuvan GATA4:ään. Lisäksi tällä yhdisteellä oli sydämen liikakasvua estäviä ja sydäntä suojaavia vaikutuksia in vivo. Tämä tutkimus osoittaa, että sydämen transkriptiotekijöihin ja niiden toimintaan voidaan vaikuttaa pienimolekyylisillä yhdisteillä. Keskeisten transkriptiotekijöiden proteiini-proteiini vuorovaikutukset voisivatkin olla uudenlainen lääkevaikutuksen kohde sydämen vajaatoiminnan lääkehoitoon.

see all

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

  1. Kinnunen, S., Välimäki, M., Tölli, M., Wohlfahrt, G., Darwich, R., Komati, H., … Ruskoaho, H. (2015). Nuclear Receptor-Like Structure and Interaction of Congenital Heart Disease-Associated Factors GATA4 and NKX2-5. PLOS ONE, 10(12), e0144145. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0144145

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  2. Jumppanen, M., Zore, M., Kinnunen, S. M., Välimäki, M. J., Talman, V., Boije af Gennäs, G., … Yli-Kauhaluoma, J. (2019) Affinity chromatography reveals a direct binding of the GATA4-NKX2-5 interaction inhibitor (3i-1000) with GATA4. Manuscript submitted for publication.

  3. Kinnunen, S. M., Tölli, M., Välimäki, M. J., Gao, E., Szabo, Z., Rysä, J., … Ruskoaho, H. (2018). Cardiac Actions of a Small Molecule Inhibitor Targeting GATA4–NKX2-5 Interaction. Scientific Reports, 8(1). https://doi.org/10.1038/s41598-018-22830-8

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  4. Karhu, S. T., Kinnunen, S. M., Tölli, M., Välimäki, M. J., Szabó, Z., Talman, V., & Ruskoaho, H. (2020). GATA4-targeted compound exhibits cardioprotective actions against doxorubicin-induced toxicity in vitro and in vivo: establishment of a chronic cardiotoxicity model using human iPSC-derived cardiomyocytes. Archives of Toxicology. https://doi.org/10.1007/s00204-020-02711-8

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. D, Medica
ISSN: 0355-3221
ISSN-E: 1796-2234
ISSN-L: 0355-3221
ISBN: 978-952-62-2611-8
ISBN Print: 978-952-62-2610-1
Issue: 1568
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 3111 Biomedicine
Subjects:
Copyright information: © University of Oulu, 2020. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.