Lokale zyklischnukleotid-vermittelte Signaltransduktion und cAMP/cGMP Interaktionen als Regulatoren kardialer Funktion und Erkrankungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das im Rahmen von Emmy Noether-Programm geförderte Projekt untersuchte die Rolle von lokalen cAMP und cGMP Signalen unter normalen und pathologischen Bedingungen in adulten Herzmuskelzellen. Die ursprüngliche Hypothese, dass die Echtzeitdynamik und Regulation dieser beiden zyklischen Nukleotiden auf der subzellulären Ebene in den sog. Mikrodomänen bei Hypertrophie und Herzinsuffizienz verändern ist, wurde weitgehend betätigt. Es wurden transgene Mauslinien mit herzmuskelzellspezifischer Expression von drei lokalisierten cAMP Sensoren (in den caveolinreichen Membrandomänen, am Calciumfreisetzungskanal und im Calciumwiederaufnahme-Signalkomplex) sowie einem zytosolischen fluoreszierenden cGMP Biosensor entwickelt und unter gesunden und pathologischen Bedingungen (vor allem bei nachlastinduzierter Hypertrophie und früher Herzinsuffizienz) mittels Live Cell Imaging, biochemischen Methoden und funktionellen Messungen auf Einzelzellebene untersucht. Es konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass früh in der Herzinsuffizienzentwicklung eine subzelluläre Umverteilung von zwei cGMP-regulierten cAMP abbauenden Enzymen Phosphodiesterasen 2 und 3 sowie einer cAMP-spezifischen Phosphodiesterase 4 vonstattengeht, was die kontraktile Funktion der Zelle unter Stimulation mit natriuretischen Peptiden begünstigt bzw. Herzrhythmusstörungen provoziert. Außerdem führt diese Umverteilung zu einem Verlust von effektiver Kommunikation zwischen Membranrezeptoren und subzellulären cAMP Mikrodomänen und trägt negativ zur Herzerkrankung bei. Diese Ergebnisse verbessern unser molekulares Verständnis der Krankheitsmechanismen und könnten in der Zukunft zur Entwicklung neuartiger Betablocker und anderer auf der Ebene von cAMP Mikrodomänen wirkender Medikamente beitragen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- FRET microscopy for real-time monitoring of signaling events in live cells using unimolecular biosensors. J Vis Exp. 2012; 66:e408
Sprenger JU, Perera RK, Götz KR, Nikolaev VO
(Siehe online unter https://doi.org/10.3791/4081) - Biophysical techniques for detection of cAMP and cGMP in living cells. Int J Mol Sci. 2013; 14: 8025-8046
Sprenger JU, Nikolaev VO
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/ijms14048025) - Compartmentation of cAMP signalling in cardiomyocytes in health and disease. Acta Physiol. 2013; 207: 650-662
Perera RK, Nikolaev VO
(Siehe online unter https://doi.org/10.1111/apha.12077) - Transgenic mice for real-time visualization of cGMP in intact adult cardiomyocytes. Circ Res. 2014; 114: 1235-1245
Götz KR, Sprenger JU, Perera RK, Steinbrecher JH, Lehnart SE, Kuhn M, Gorelik J, Balligand JL, Nikolaev VO
(Siehe online unter https://doi.org/10.1161/CIRCRESAHA.114.302437) - In vivo model with a targeted cAMP biosensor reveals changes in receptor-microdomain communication in cardiac disease. Nat Commun. 2015; 6: 6965
Sprenger JU, Perera RK, Steinbrecher JH, Lehnart SE, Maier LS, Hasenfuß G, Nikolaev VO
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms7965) - Microdomain switch of cGMP-regulated phosphodiesterases leads to ANP-induced augmentation of β-adrenoceptor-stimulated contractility in early cardiac hypertrophy. Circ Res. 2015; 116: 1304-1311
Perera RK, Sprenger J, Steinbrecher JH, Hübscher D, Lehnart SE, Abeßer M, Schuh K, El- Armouche A, Nikolaev VO
(Siehe online unter https://doi.org/10.1161/CIRCRESAHA.116.306082) - Imaging alterations of cardiomyocyte cAMP microdomains in disease. Front Pharmacol. 2016; 6: 172
Froese A, Nikolaev VO
(Siehe online unter https://doi.org/10.3389/fphar.2015.00172) - Interactions of calcium fluctuations during cardiomyocyte contraction with real-time cAMP dynamics detected by FRET. PLoS One. 2016; 11: e0167974
Sprenger JU, Bork NI, Herting J, Fischer TH, Nikolaev VO
(Siehe online unter https://doi.org/10.1371/journal.pone.0167974) - Atropine augments cardiac contractility by inhibiting cAMP-specific phosphodiesterase type 4. Sci Rep. 2017; 7: 15222
Perera RK, Fischer TH, Wagner M, Dewenter M, Vettel C, Bork NI, Maier LS, Conti M, Wess J, El- Armouche A, Hasenfuß G, Nikolaev VO
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41598-017-15632-x) - Cyclic nucleotide imaging and cardiovascular disease. Pharmacol Ther. 2017; 175: 107-115
Berisha F, Nikolaev VO
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.pharmthera.2017.02.038)
