Integration und Kompartimentalisierung von β-adrenerger Stimulation in Kardiomoyzyten

• Antragsteller: Professor Dr. Tobias Brügmann; Professor Dr. Viacheslav Nikolaev
• Fachliche Zuordnung: Anatomie und Physiologie ; Kardiologie, Angiologie ; Pharmakologie ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 537609931

Wir und andere haben gezeigt, dass Kardiomyozyten über spezifische cAMP-Nanodomänen verfügen, welche die cAMP Effekte lokal beschränken. Dies wird durch die lokale Produktion durch Adenylylcyclasen und die Begrenzung der freien Diffusion von cAMP durch Pufferung und Abbau mittels Phosphodiesterasen erreicht. Kürzlich wurde dieses Konzept durch den Fakt erweitert, dass auch β-adrenerge Rezeptoren (β-AR) Teil dieser Nanodomänen sind und die Aktivierung von Adenylylcyclasen lokal limitieren. Unsere zentrale Hypothese ist, dass diese β-AR-Pools eine entscheidende Rolle bei der Regulation individueller cAMP-Nanodomänen spielen. Wir werden systematisch die Regulation der β-AR/cAMP-Nanodomänen untersuchen und deren Einfluss auf die kontraktile Funktion von Kardiomyozyten aufdecken. Diese Forschung wird Einblicke liefern, wie GPCR-Stimulation in Zellen integriert und kompartimentalisiert wird, und trägt somit entscheidend zur FOR 5807 bei. Wir werden zunächst die genaue Lokalisation der β1- und β2-AR-Subtypen bestimmen – nicht nur an der Plasmamembran, sondern auch an spezifischen intrazellulären Lokalisationen. Dazu gehören die zentralen Akteure der Erregungs-Kontraktions-Kopplung und intrazelluläre Kompartimente wie Mitochondrien und Zellkerne. Mithilfe von selbstmarkierenden Tagging-Strategien für hochauflösende Bildgebung werden wir ihre Verteilung präzise bestimmen und die Transportsequenzen identifizieren, die für die kompartimentspezifische Expression verantwortlich sind. Wir werden die kontraktile Funktion von human-induzierten pluripotenten Stammzell-abgeleiteten Kardiomyozyten, sowie adulten Kardiomyozyten von Mäusen und Ratten sowie Kraftmessungen an Ventrikelschnitten von Mäusen und Menschen messen. Diese Untersuchungen werden mit nanodomänenspezifischer cAMP-Bildgebung gekoppelt. Um zwischen sarcolemmalen und intrazellulären β-AR-Pools zu unterscheiden, werden wir membranpermeable und -impermeable Agonisten und Antagonisten einsetzen. Zudem wird der optoGPCR JellyOP gezielt in spezifische Nanodomänen und Kompartimente exprimiert. Dies wird uns ermöglichen, die einzigartigen Rollen individueller Nanodomänen zu identifizieren. Schließlich werden wir all-optical Methoden entwickeln, um zu bestimmen, unter welchen Bedingungen cAMP-Erhöhungen auf eine einzelne Nanodomäne beschränkt bleiben oder auf andere übergehen. Zusammenfassend wird diese Studie die Rollen lokal begrenzter β-AR-Pools innerhalb von cAMP-Nanodomänen, den Grad der Kompartimentierung in Kardiomyozyten und die funktionellen Auswirkungen auf die Kontraktionsregulation aufklären. Dieser systematische Ansatz wird eine detaillierte Karte des intrazellulären cAMP-Netzwerks und dessen Organisation liefern. In einer späteren Finanzierungsphase werden wir diese Untersuchungen auf Krankheitsmodelle wie Hypertrophie und Herzinsuffizienz ausweiten und untersuchen, wie Störungen in diesem Netzwerk kardiale Arrhythmien hervorrufen können.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5807: Dynamische Integration von GPCR-Signalwegen zur Steuerung von Organfunktion und Tierverhalten