PDE3A-abhängige zu Hypertonie führende Signaltransduktion; die Suche nach neuen pharmakologischen Zielstrukturen für die Therapie der Hypertonie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Mutationen im Gen kodierend für die Phosphodiesetrase (PDE) 3A sind ursächlich für autosomaldominante Hypertonie mit Brachydactyly Type E (HTNB). PDE3A ist eine cGMP-inhibierte cAMP-Phosphodiesterase, die intrazelluläre cAMP-Spiegel reguliert. Die humanen Mutationen konzentrierten sich in einem Hotspot-Bereich N-terminal zur katalytischen Domäne des Enzyms und führten zu dessen Hyperaktivität, einer gesteigerten Proliferation glatter Gefäßmuskelzellen und zu einem erhöhten Gefäßwiderstand, der, unabhängig vom Natriumtransport in der Niere, die Entwicklung des Bluthochdrucks bedingt. Unser Ziel war es, die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen aufzuklären und auf der Basis der durch die Mutationen veränderten Signaltransduktion perspektivisch neue Wege der Behandlung von Hypertonie zu finden. In Tiermodellen konnten wir den Nachweis erbringen, dass die humanen PDE3A-Muationen HTNB verursachen und die Ursache der Hypertonie in den glatten Gefäßmuskelzellen bedingt ist. Mittels CRISPR/Cas9 generierten wir ein Rattenmodell, das im Mutations-Hotspot eine Deletion von drei Aminosäuren aufwies. Dieses Modell spiegelte vollständig den humanen Phänotyp HTNB wieder. Die Überexpression einer humanen Mutante im transgenen Mausmodell führte ebenfalls zur Ausprägung von Hypertonie. Ein wichtiges Ziel des Projekts war die Identifizierung von Protein-Protein-Interaktionen der PDE3A-Mutanten. Wir haben die durch die Mutationen veränderten Eigenschaften des PDE3A-Enzyms charakterisiert und seine Interaktion mit dem Adaptorprotein 14-3-3Theta gezeigt. Ob und inwieweit dadurch bedingte Konformitätsänderungen des Enzyms zu der nachgewiesenen erhöhten Aktivität führen, wird Gegenstand weiterer Untersuchungen sein. Wir konnten zeigen, dass die PDE3A-aktivierenden Mutationen einen Schutz vor Hypertonie-induzierten Herzschädigungen gewähren. Wie HTNB-Patienten wiesen die Modellratten trotz der enormen Hypertonie kaum Endorganschäden, wie Herzmuskelhypertrophie oder Herzinsuffizienz auf, selbst nicht nach chronischer Behandlung mit einem ß-Adrenorezeptoragonisten. An isolierten adulten Kardiomyozyten belegten wir den Einfluss der Mutationen auf die Interaktion der PDE3A-Mutanten mit dem AKAP18-PKA-Phospholamban-SERCA-Komplex am sarkoplasmatischen Retikulum (SR), der die Ca2+-Wiederaufnahme in das SR und damit die Diastole des Herzens kontrolliert. Wir wiesen nach, dass die Mutationen zu einer Abnahme der Phosphorylierung von Phospholamban führen, wodurch dessen hemmende Wirkung auf SERCA verringert und die Ca2+-Wiederaufnahme in das SR reduziert wird. Die erhobenen Daten sprechen dafür, dass eine Aktivierung von PDE3A außerhalb der Blutgefäße protektive Wirkungen gegen Hypertonie induzierte Endorganschäden, z.B. am Herzen, haben kann. Wir planen in Zukunft die Entwicklung kleiner Moleküle, die die PDE3A aktivieren. Sollten solche Moleküle selektiv kardioprotektiv wirken, könnten sie zu Arzneimittelkandidaten werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Maass PG, Weise A, Rittscher K, Lichtenwald J, Barutcu AR, Liehr T, Aydin A, Wefeld-Neuenfeld Y, Pölsler L, Tinschert S, Rinn JL, Luft FC, Bähring S
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(2019) Small-molecule allosteric activators of PDE4 long form cyclic AMP phosphodiesterases. Proc Natl Acad Sci USA 116, 13320-13329
Omar F, Findlay J, Allcock RW, Jiang Z, Carfray G, Moore C, Muir A, Mai D, Lannoy M, Ferdig B, Day JP, Bolger G, Pyne NJ, Baillie GS, Ong A, Schweibert E, Klussmann E, Bowers K, Adam JM, Adams DR, Houslay MD & Henderson D
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Pallien T, Klussmann E
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Ercu M, Markó L, Schächterle C, Tsvetkov D, Cui Y, Maghsodi S, Bartolomaeus TUP, Maass PG, Zühlke K, Gregersen N, Hübner N, Hodge R, Mühl A, Pohl B, Illas RM, Geelhaar A, Walter S, Napieczynska H, Schelenz S, Taube M, Heuser A, Anistan YM, Qadri F, Todiras M, Plehm R, Popova E, Langanki R, Eichhorst J, Lehmann M, Wiesner B, Russwurm M, Forslund SK, Kamer I, Müller DN, Gollasch M, Aydin A, Bähring S, Bader M, Luft FC & Klussmann E
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(2021) AKAP18δ Anchors and Regulates CaMKII Activity at Phospholamban-SERCA2 and RYR. Circ Res, 2021 Nov 24
Carlson CR, Aronsen JM, Bergan-Dahl A, Moutty MC, Lunde M, Lunde PK, Jarstadmarken H, Wanichawan P, Pereira L, Kolstad TR, Dalhus B, Subramanian H, Hille S, Christensen G, Müller OJ, Nikolaev VO, Bers DM, Sjaastad I, Shen X, Louch WE, Klussmann E & Sejersted OM
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(2021) Local cyclic adenosine monophosphate signalling cascades - Roles and targets in chronic kidney disease. Acta Physiol (Oxf):e13641
Sholokh A, Klussmann E
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(2021) Reconstitution of β-adrenergic regulation of CaV1.2: Rad-dependent and Radindependent protein kinase A mechanisms. Proc Natl Acad Sci USA 118, e2100021118
Katz M, Subramaniam S, Chomsky-Hecht O, Tsemakhovich V, Flockerzi V, Klussmann E, Hirsch JA, Weiss S & Dascal N
