Nanodomänen der ROS-Produktion kontrollieren den Stoffwechsel und die Kontraktilität von Kardiomyozyten

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Privatdozent Dr. Sören Brandenburg; Professorin Dr. Dörthe M. Katschinski
• Fachliche Zuordnung: Anatomie und Physiologie ; Kardiologie, Angiologie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 545018649

Herzinsuffizienz führt zu strukturellen zellulären Veränderungen und beeinflusst den Stoffwechsel in den Kardiomyozyten. Reaktive Sauerstoffspezies (ROS) werden seit langem mit Herzinsuffizienz in Verbindung gebracht, aufgrund ihrer Auswirkungen auf diese Veränderungen. Dennoch bleibt ein funktionaler Mechanismus aus, was auf eine komplexe und nicht vollständig verstandene Rolle von ROS in Kardiomyozyten hindeutet. Einmal erzeugte ROS diffundieren innerhalb der Zelle. Das Verständnis über die räumlich-zeitlichen Organisation dieser Diffusion ist wichtig. Dazu sollte die Kompartimentierung der ROS-Produktion und spezifische durch ROS induzierte Protein-Oxidationsziele berücksichtigt werden. Um solche Nanodomänen in Bezug auf ROS Produktionsorte und Protein Oxidationsziele zu analysieren, schlagen wir den Einsatz von D-Aminosäure-Oxidase (DAO) vor. DAO ermöglicht in Hefe die Verwendung von D-Aminosäuren als Kohlenstoff- und Energiequelle. In Säugetierzellen fungiert DAO als chemogenetisches Werkzeug, das die präzise und dynamische H2O2-Produktion bei Einwirkung von D-Aminosäuren steigert. Kürzlich haben wir die Durchführbarkeit des Einsatzes von DAO zusammen mit dem H2O2-Sensor HyPer in transgenen Mäusen demonstriert, um spezifische H2O2-Proteinziele in Kardiomyozyten zu identifizieren. Neben der Entwicklung von transgenen Mäusen, die DAO exprimieren, haben wir einen Redox-Proteom-Workflow etabliert. Um Kompartiment-spezifische ROS-Effekte zu untersuchen, haben wir induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) erzeugt, die HyPer-DAO im Zytoplasma (NES), im Zellkern (NLS) oder in der mitochondrialen Matrix (MLS) exprimieren. Unser Ziel ist es, iPSC-abgeleitete Kardiomyozyten, die HyPer-DAO in verschiedenen subzellulären Bereichen exprimieren, zu verwenden, um die räumlich-zeitliche Verteilung der zellulären ROS-Produktion zu verstehen. Dieser Ansatz wird durch eine eingehende Analyse der ROS-Gradienten in gesunden und erkrankten adulten murinen Kardiomyozyten ergänzt mithilfe von hochauflösender Nanoskopie. Unter Anwendung unseres etablierten Redox-Proteom-Workflows beabsichtigen wir, kardiale ROS-Zielproteine in subzellulären Kompartimenten zu charakterisieren und ihren Einfluss auf die Entwicklung der Herzinsuffizienz zu untersuchen, indem wir iPSC-abgeleitete Kardiomyozyten, die HyPer-DAO Kompartiment-spezifisch exprimieren, mit erkrankten Herzmuskelproben vergleichen. Letztendlich ist es unser Ziel aufzudecken, wie sich ROS-Dynamiken auf die Energetik und Kontraktilität von Kardiomyozyten auswirken. Insgesamt wird dieses Projekt dazu beitragen, das Verständnis darüber zu verbessern, wie Kardiomyozyten räumlich ROS-Nanodomänen einsetzen, um die Signalübertragung zu beeinflussen, die kardiale Funktion zu regulieren und zu reagieren, wenn ROS-Level Schwellenwerte überschreiten. Dieses Wissen wird Aufschluss über die physiologische Funktion von ROS und deren Beteiligung an fehlgeleiteten Signalwegen innerhalb von Kardiomyozyten geben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen