Calcium signals in the murine zona glomerulosa
Creators: name: Dinh, Hoang An
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: 500 Naturwissenschaften und Mathematik::570 Biowissenschaften; Biologie::571 Physiologie und verwandte Themen
subject: 500 Naturwissenschaften und Mathematik::570 Biowissenschaften; Biologie::572 Biochemie
subject: 500 Naturwissenschaften und Mathematik::540 Chemie::541 Physikalische Chemie
subject: calcium channels
subject: calcium signaling
subject: calcium imaging
subject: aldosterone
subject: zona glomerulosa

description: Within the adrenal gland’s zona glomerulosa (ZG), calcium plays a central role in stimulating aldosterone production, a hormone critical for maintaining salt-water balance and blood pressure regulation. Voltage-gated calcium channels (VGCCs) are key components responsible for controlling intracellular calcium levels ([Ca2+]i) in ZG cells. Stimulation of ZG cells by angiotensin II (Ang II) or potassium elicits oscillations in both membrane potential and [Ca2+]i providing the signal for aldosterone synthesis. While the involvement of the T-type VGCC CaV3.2 in generating membrane potential oscillations has been suggested, its precise role in elevating [Ca2+]i remains incompletely understood. If CaV3.2 is also needed for oscillations of [Ca2+]i as it is for the membrane potential, one would expect a decrease in aldosterone levels. However, mice lacking the CaV3.2 did not display altered aldosterone levels, indicating the presence of additional calcium influx pathways. To investigate these pathways in CaV3.2-deficient mice, a range of techniques, including calcium imaging, RNA-sequencing, and whole-cell patch-clamp recordings, was employed. Surprisingly, calcium oscillations persisted in the absence of CaV3.2 and were mediated by L-type calcium channels. Acute inhibition of T-type calcium channels did not fully abolish. Ang II-mediated calcium influx in wild-type ZG cells. Instead, a subset of cells still exhibited oscillatory calcium influx via L-type calcium channels. Furthermore, Ang II induces increases in [Ca2+]i within ZG cells exclusively through the recruitment of T- and L-type calcium channels, without involvement of intracellular calcium stores. These findings emphasize the vital roles played by both T-type and L-type calcium channels in regulating calcium influx in ZG cells under physiological conditions. These observations also have significant implications for pharmacological interventions, challenging the notion that inhibiting T-type calcium channels alone can effectively lower aldosterone synthesis, as compensatory calcium influx via L-type channels would occur. In human ZG cells, T-type and L-type calcium channels are the predominantly expressed VGGCs, and mutations in these channels are associated with primary aldosteronism (PA), a condition characterized by excessive aldosterone production leading to hypertension and cardiovascular risks and impacting approximately 50 million individuals globally. Mutations in CACNA1H (encoding CaV3.2) and CACNA1D (encoding CaV1.3, L-type VGCC) genes have been identified in PA patients, contributing to increased calcium influx and elevated aldosterone levels. This work further investigated the impact of two mutations in these channels on calcium signaling. Calcium imaging in ZG cells of Cacna1hM1560V/+ mice, displayed heightened [Ca2+]i, suggesting the potential of specific CaV3.2 channel blockade to lower calcium levels and alleviate the pathological phenotype. The Cacna1dI772M/+ mouse model closely mirrors the human phenotype of PA, including elevated [Ca2+]i and aldosterone, along with neurological abnormalities. Treatment of these mice with the L-type channel inhibitor isradipine resulted in reduced [Ca2+]i, decreased aldosterone production, and improved motor function. These findings suggest that patients with PA due to mutations in VGGCs may benefit from treatment with channel-specific inhibitors. However, in cases of elevated aldosterone synthesis without a specific VGCC mutation, a single-channel inhibition, whether T-type or L-type, may not suffice to effectively lower aldosterone levels, as each channel sustains calcium activity in the absence of the other. These insights into calcium channel regulation in ZG cells have important implications for developing targeted therapeutic strategies.
description: In der Zona glomerulosa (ZG) der Nebenniere spielt Kalzium eine zentrale Rolle bei der Stimulation der Aldosteronproduktion. Aldosteron ist ein Stereoidhormon, welches die Salz-Wasser-Homöostase und somit den Blutdruck reguliert. Spannungsabhängige Kalziumkanäle sind entscheidend für die Kontrolle der intrazellulären Kalziumkonzentration ([Ca2+]i) in ZG-Zellen. Die Stimulation von ZG-Zellen durch die primären Stimuli Angiotensin II (Ang II) oder Kalium führt zu Oszillationen sowohl im Membranpotential als auch in der [Ca2+]i. Dieser Anstieg in der [Ca2+]i ist das Signal für die Aldosteronsynthese. Die unverzichtbare Rolle des T-Typ Kalziumkanals CaV3.2 für die Erzeugung von Membranpotentialoszillationen wurde postuliert, seine genaue Rolle bei der Erhöhung der [Ca2+]i ist jedoch noch nicht vollständig geklärt. Sollte CaV3.2 auch für Oszillationen in der [Ca2+]i erforderlich sein, wie er es für die Generierung der Membranpotentialoszillationen ist, erwartet man bei einer Deletion des CaV3.2 eine Abnahme der Aldosteronspiegels. Mäuse, die CaV3.2 nicht exprimieren, zeigten jedoch keine Veränderungen der Aldosteronspiegel, was auf das Vorhandensein zusätzlicher Kalziumeinstromwege hinweist. Um diese Wege in CaV3.2-defizienten Mäusen zu untersuchen, wurden Kalzium-Imaging, RNASequenzierung und Whole-Cell Patch-Clamp-Aufzeichnungen durchgeführt. In Abwesenheit von CaV3.2 blieben die Kalziumoszillationen in ZG-Zellen bestehen. Diese wurden durch L-Typ Kalziumkanäle vermittelt. Die akute Hemmung der T-Typ Kalziumkanäle führte zu einer unvollständigen Unterdrückung des Ang II-vermittelten Kalziumeinstroms in ZG-Zellen von Wildtyp-Tieren. Stattdessen zeigte eine Untergruppe von Zellen immer noch einen oszillierenden Kalziumeinstrom, der über L-Typ Kalziumkanäle vermittelt wurde. Darüber hinaus induziert Ang II ausschließlich durch die Rekrutierung von T- und L-Typ Kalziumkanälen und ohne Beteiligung intrazellulärer Kalziumspeicher die Erhöhungen der [Ca2+]i. Diese Ergebnisse zeigen, dass sowohl T- als auch L-Typ Kalziumkanäle eine entscheidende Rolle bei der Regulation des Kalziumeinstroms in ZG-Zellen unter physiologischen Bedingungen spielen. Dies hat bedeutende Implikationen für pharmakologische Interventionen und stellt die Hypothese in Frage, dass die alleinige Hemmung von T-Typ Kalziumkanälen die Aldosteronsynthese effektiv senken könnte. Unsere Ergebnisse lassen vermuten, dass die alleinige Inhibition von T-Typ Kalziumkanälen zu einem kompensatorischen Kalziumeinstrom über L-Typ Kanäle führen würde.In menschlichen ZG-Zellen werden primär T-Typ und L-Typ Kalziumkanäle exprimiert. Mutationen in diesen Kanälen sind mit primärem Aldosteronismus (PA) assoziiert, einer Erkrankung, die weltweit etwa 50 Millionen Menschen betrifft. PA ist durch eine übermäßige Aldosteronproduktion gekennzeichnet, die zu Bluthochdruck führt. Bei Patienten mit PA wurden Mutationen in den Genen CACNA1H (kodiert den CaV3.2 Kanal) und CACNA1D (kodiert den L-Typ Kalziumkanal CaV1.3) identifiziert. Diese Mutationen tragen zu einem erhöhten Kalziumeinstrom und erhöhten Aldosteronspiegeln bei. In dieser Arbeit wurden die Auswirkungen einer der Mutationen im CACNA1H Gen auf die Kalziumsignale in ZG-Zellen mit Hilfe eines Mausmodells untersucht. Diese Mäuse weisen die Mutation M1560V/+ im Cacna1h Gen auf, die mit PA assoziiert ist. ZG-Zellen dieser Tiere zeigten ein erhöhtes [Ca2+]i. Dies lässt vermuten, dass in diesem Fall eine spezifische Blockade des CaV3.2-Kanals das Potenzial hätte, die Kalziumspiegel zu senken und den pathologischen Phänotyp zu lindern. Das Cacna1dI772M/+-Mausmodell spiegelt den menschlichen Phänotyp von PA wider, einschließlich erhöhter [Ca2+]i und Aldosteronspiegel sowie neurologischen Auffälligkeiten. Die Behandlung dieser Mäuse mit dem L-Typ-Kanal-Inhibitor Isradipin führte zu einer Verringerung der [Ca2+]i, einer Abnahme des Aldosteronspiegels und einer Verbesserung der motorischen Funktion. Diese Ergebnisse legen nahe, dass Patienten mit PA aufgrund von Mutationen in Kalziumkanälen von einer Behandlung mit kanalspezifischen Inhibitoren profitieren könnten. Bei erhöhter Aldosteronsynthese ohne spezifische Kalziumkanal-Mutation würde jedoch die Inhibition eines einzelnen Kanaltyps, T-Typ oder L-Typ, den Aldosteronspiegel langfristig nicht effektiv senken, da jeder Kanaltyp in Abwesenheit des anderen die Kalziumaktivität vermitteln kann. Diese Erkenntnisse zur Rolle von Kalziumkanälen in ZG-Zellen haben wichtige Auswirkungen auf die Entwicklung zielgerichteter therapeutischer Strategien, die das Ziel haben, die Aldosteronproduktion zu reduzieren.