Künstliches Herzgewebe zur Identifikation von Mechanismen der epigenetischen Transkriptionsregulation in der kardialen Hypertrophie.
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Projektes war es, zur Aufklärung der Rolle der DNA-Methylierung in Herzmuskelzellen maßgeblich beizutragen, um Hinweise auf eine therapeutische Nutzbarkeit dieses Regulationsmechanismus zu gewinnen. DNA-Methylierung ist eine chemische, epigenetische Veränderung der DNA, die zwar nicht die in der DNA codierte Information selbst beeinflusst, aber darüber mitbestimmt, wie diese Information genutzt wird. Genauer trägt diese Modifikation zur Regulation der Transkription, also der Verwendung der Information von einzelnen DNA-Abschnitten bei. Inwieweit DNA- Methylierung allerdings in Herzmuskelzellen veränderlich ist und damit im Rahmen von Gesundheit und Krankheit an der Regulation dieser Prozesse beteiligt sein könnte, war nicht völlig geklärt. In dieser Arbeit sollte aus menschlichen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSC) künstliches Herzgewebe (Engineered Heart Tissue, EHT) hergestellt werden. Mit dieser bewährten Gewebekulturmethode sollte die Rolle der DNA-Methylierung weiter aufgeklärt werden. Dazu wurde in hiPSC mittels Genom-Editierung (CRISPR/Cas9-basierter knock out) die in Herzmuskelzellen wichtigste Form des für die DNA-Neumethylierung verantwortlichen Enzyms DNA-Methyltransferase, DNMT3A ausgeschaltet und künstliches Herzgewebe aus diesen Zellen wurde mit Kontrollgewebe verglichen. Dabei zeigten sich überraschende Veränderungen des künstlichen Herzgewebes: Die DNMT3A-knock out-EHTs zeigten ein anderes Schlagverhalten mit schnellerer Entspannung als Kontrollen. Auf geänderte Zellkulturbedingungen mit Auslassung des sonst üblichen Tierserums reagierten sie mit einem erheblichen Kraftverlust, während EHTs im Normalfall mit einer Kraftzunahme reagieren. Zuletzt zeigten die knock out-Herzmuskelzellen in EHT nach der Kultur in mikroskopischen und elektronenmikroskopischen Aufnahmen Fetteinlagerungen. Zahlreiche Versuche mit knock out- und unveränderten EHTs konnten einige der zugrundeliegenden Mechanismen aufklären. Der Verlust von DNMT3A führte zu einer Veränderung des Zuckerstoffwechsels (Verlust der Expression des Regulationsfaktors HIF-1α) sowie einer irregulären Expression des Fettzell-Faktors PPARγ. Die Änderung des Schlagverhaltens war vermutlich auf eine Vorhof-artige Genexpression und eine geänderte Expression von Strukturbestandteilen zurückzuführen. Einige dieser Befunde waren durch Behandlung mit Tierserum, Wachstumsfaktoren oder Stresshormonen zu verhindern. Dabei kam es zwar zu einer Normalisierung einiger der ungewöhnlichen Befunde, aber nicht zu einer Normalisierung der DNA-Methylierung. Am Ende konnten die Befunde wie folgt interpretiert werden. Wir nehmen an, dass die DNA-Methylierung eine Aufgabe bei der Feinregulation der Genexpression von Herzmuskelzellen übernimmt. Insbesondere spät in der Entwicklung regulierte Gene scheinen betroffen zu sein und solche, die am Metabolismus beteiligt sind. Der Verlust von DNMT3A kann auf anderen Regulationsebenen kompensiert werden, was abweichende Befunde anderer Arbeitsgruppen erklären könnte, da es extremer Bedingungen bedarf, um die Auffälligkeiten zutage zu fördern. Die Ergebnisse unserer Studie könnten dazu beitragen, die schädlichen Auswirkungen einer Störung der DNA-Methylierung, zum Beispiel im Rahmen der normalen Alterung oder von Herzerkrankungen, besser zu verstehen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2020). An Important Role for DNMT3A-Mediated DNA Methylation in Cardiomyocyte Metabolism and Contractility. Circulation, 142:1562–1578
Madsen A, Höppner G, Krause J, Hirt MN, Laufer SD, Schweizer M, Tan WLW, Mosqueira D, Anene-Nzelu CG, Lim I, Foo RSY, Eschenhagen T, Stenzig J
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Assessment of Cardiotoxicity with Stem Cellbased Strategies (2020). Clin Ther, 42(10):1892-1910
Stoter AMS, Hirt MN, Stenzig J, Weinberger F
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(2021). Hypertrophic signaling compensates for contractile and metabolic consequences of DNA methyltransferase 3A loss in human cardiomyocytes. J Mol Cell Cardiol, 154:115-123
Madsen A, Krause J, Höppner G, Hirt MN, Tan WLW, Lim I, Hansen A, Nikolaev VO, Foo RSY, Eschenhagen T, Stenzig J
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„DNA Methylation in Heart Failure“, in „Epigenetics in Cardiovascular Disease”, Devain YL und Robinson EL (Herausgeber), Elsevier Verlag 2021, ISBN 9780128222584
Anene-Nzelu CG, Stenzig J, Foo RSY
