S-glutathiolation of cardiac myosin-binding protein C in contractile dysfunction
Final Report Abstract
Endogen produzierte Oxidanzien sind wichtige physiologische Signalmoleküle, die die Funktion von Proteinen durch gezielte oxidative posttranslationale Modifikationen verändern können und so an der Transduktion von intrazellulären Signalen beteiligt sind. Überschüssige Produktion und Freisetzung von Oxidanzien über einen längeren Zeitraum kann jedoch das Auftreten und den Verlauf von Krankheiten negativ beeinflussen. In Kardiomyozyten wird Kontraktion und Kraftentstehung durch die Interaktion von Aktin und Myosin vermittelt. Dabei nimmt das kardiale Myosin-bindende Protein C (cMyBP-C) eine wichtige Regulatorfunktion ein, die über Phosphorylierung des Proteins gesteuert wird. Phosphorylierung hebt die Hemmfunktion von cMyBP-C auf und führt zur vermehrten Ausbildung von Aktin-Myosin- Querbrücken, was zu einer erhöhten Kraftentwicklung führt. Bei Patienten mit Herzinsuffizienz ist die Phosphorylierung von cMyBP-C reduziert und ist mit einer kontraktilen Dysfunktion assoziiert. Wir konnten in linksventrikulären Herzgewebeproben von Patienten mit Dilatativer oder Ischämischer Kardiomyopathie eine reduzierte Phosphorylierung bestätigen und gleichzeitig eine vermehrte Oxidation des Proteins darstellen. Mittels Redox-Proteomanalyse konnten wir Cysteine identifizieren, die durch reversible S-Glutathionylierung und irreversible Carbonylierung modifiziert waren und konnten quantitativ eine signifikant erhöhte Oxidation im Vergleich zu gesundem Donor-Herzgewebe darstellen. Diese erhöhte Oxidation von cMyBP-C ging mit einer signifikanten Reduktion der Querbrückenzyklusrate und maximalen Kraftentstehung, sowie einer signifikanten Zunahme der passiven Spannung in ventrikulären Mauskardiomyozyten einher. Diese Ergebnisse konnten in vitro mittels Microscale Thermophorese bestätigt werden, die zeigten, dass S-Glutathionylierung von cMyBP-C mit einer verminderten Dissoziation von der Myosin S2 Domäne einhergeht, welches eine reduzierte Aktin-Myosin-Interaktion und damit verminderten Kraftentstehung erklären kann. Eine S-Glutathionylierung behindert die Proteinkinase-vermittelte Phosphorylierung, so daß ein negativer Crosstalk zwischen Oxidation und Phosphorylierung unter Bedingungen des Oxidativen Stresses vermuten lässt. In Folgeexperimenten konnte gezeigt werden, daß therapeutisch eingesetzte Nitroxyldonoren zur oxidativen Aktivierung der cAMP-abhängigen Proteinkinase und gleichzeitigen oxidativen Hemmung der katalytischen Untereinheit der Proteinphosphatase 2A führen, welches einen signifikanten Anstieg der Netto-Phosphorylierung von Proteinen in Kardiomyozyten bewirkt, die an der Exzitations-Kontraktionskopplung beteiligt sind. Diese wichtigen Ergebnisse ergänzen den bislang untererforschten molekularen Wirkmechanismus dieser zur klinischen Anwendung eingesetzten Pharmaka, die in Patienten zu einem positiv inotropen Effekt führen.
Publications
- (2019) Analysis of fibrosis in control or pressure overloaded rat hearts after mechanical unloading by heterotopic heart transplantation. Scientific reports 9 (1) 5710
Schaefer, Andreas; Schneeberger, Yvonne; Schulz, Steven; Krasemann, Susanne; Werner, Tessa; Piasecki, Angelika; Höppner, Grit; Müller, Christian; Morhenn, Karoline; Lorenz, Kristina; Wieczorek, David; Schwoerer, Alexander P.; Eschenhagen, Thomas; Ehmke, H
(See online at https://doi.org/10.1038/s41598-019-42263-1) - Heart failure specific changes in protein kinase signaling. Pflugers Arch. 2014;466:1151-62
Lorenz K, Stathopoulou K, Schmid E, Eder P, Cuello F
(See online at https://doi.org/10.1007/s00424-014-1462-x) - Cardiac myosin-binding protein C (MYBPC3) in cardiac pathophysiology. Gene. 2015;573:188-97
Carrier L, Mearini G, Stathopoulou K, Cuello F
(See online at https://doi.org/10.1016/j.gene.2015.09.008) - Analysis of tyrosine kinase inhibitormediated decline in contractile force in rat engineered heart tissue. PLoS One, 2016;2:145937
Jacob F, Yonis A, Cuello F, Luther P, Schulze T, Schaaf S, Eder A, Vollert I, Streichert T, Hirt M, Stenzig J, Force T, Eschenhagen T, Hansen A
(See online at https://doi.org/10.1371/journal.pone.0145937) - Disulfide-activated protein kinase G Iα regulates cardiac diastolic relaxation and fine-tunes the Frank-Starling response. Nat Commun, 2016;7:13187
Scotcher J, Prysyazhna O, Boguslavskyi A, Kistamas K, Hadgraft N, Martin ED, Worthington J, Rudyk O, Rodriguez Cutillas P, Cuello F, Shattock MJ, Marber MS, Conte MR, Greenstein A, Greensmith DJ, Venetucci L, Timms JF, Eaton P
(See online at https://doi.org/10.1038/ncomms13187) - Ranolazine antagonizes catecholamine-induced dysfunction in isolated cardiomyocytes, but lacks long-term therapeutic effects in vivo in a mouse model of hypertrophic cardiomyopathy. Cardiovasc Res. 2016;109:90-102
Flenner F, Friedrich FW, Ungeheuer N, Christ T, Geertz B, Reischmann S, Wagner S, Stathopoulou K, Söhren KD, Weinberger F, Schwedhelm E, Cuello F, Maier LS, Eschenhagen T, Carrier L
(See online at https://doi.org/10.1093/cvr/cvv247) - S-Glutathiolation impairs phosphoregulation and function of cardiac myosin-binding protein C in human heart failure. FASEB J, 2016;5:1849-64
Stathopoulou K, Wittig I, Heidler J, Piasecki A, Richter F, Diering S, van der Velden J, Buck F, Donzelli S, Schroeder E, Wijnker P, Voigt N, Dobrev D, Sadayappan S, Eschenhagen T, Carrier L, Eaton P, Cuello F
(See online at https://doi.org/10.1096/fj.201500048) - Oxidant sensor in the cGMP-binding pocket of PKGIα regulates nitroxyl-mediated kinase activity. Sci Rep. 2017;7:9938
Donzelli S, Goetz M, Schmidt K, Wolters M, Stathopoulou K, Diering S, Prysyyazhna O, Polat V, Scotcher J, Dees C, Subramanian H, Schobesberger S, Butt E, Kamynina A, Nikolaev VO, de Wit C, Leichert LI, Feil R, Eaton P, Cuello F
(See online at https://doi.org/10.1038/s41598-017-09275-1) - Cysteine-based redox sensing and its role in signaling by cyclic nucleotide-dependent kinases in the cardiovascular system. Annu Rev Physiol. 2018
Cuello F, Eaton P
(See online at https://doi.org/10.1146/annurev-physiol-020518-114417) - Oxidation of cardiac myofilament proteins: Priming for dysfunction? Mol Aspects Med. 2018;63:47-58
Cuello F, Wittig I, Lorenz K, Eaton P
(See online at https://doi.org/10.1016/j.mam.2018.08.003)
