title: Veränderungen der nuklearen Ca2+ Regelung in ventrikulären Myozyten während der Entwicklung und des Fortschreitens von hypertensiven Herzerkrankungen
title: Alterations of nuclear Ca2+ regulation in ventricular myocytes during development and progression of hypertensive heart disease
Creators: name: Plačkić, Jelena
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2017
Subjects: Herzhypertrophie, Herzinsuffizienz
Kernkalzium
hypertension, heart hypertrophy
excitation-transcription coupling
Pharmakologie, Therapeutik
Pharmacology &amp; therapeutics, prescription drugs
nuclear calcium
Kalzium-Signalisierung
Hypertonie
heart failure
calcium signaling, excitation-contraction coupling
Nukleare Kalziumregelung, Anregungs-Transkriptions-Kupplung, Anregungs-Kontraktions-Kopplung

description: 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.
description: 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.