With the recent advent of gene therapy, anti-apoptotic therapy has been receiving spotlight as a potential modality to inhibit the deterioration of pump function in the failing heart. We hypothesized that anti-apoptotic therapy using survivin gene delivery will 1) salvage H9c2 cells exposed to doxorubicin toxicity, and 2) ameliorate the progressive decline in left ventricular function in a rat model of doxorubicin-induced cardiomyopathy. The in vitro data suggested that survivin successfully prevented cell death under doxorubicin stress by both direct and indirect/paracrine mechanisms. Doxorubicin-treated animals developed progressive left ventricular dysfunction as evident by echocardiography and invasive pressure-volume loop analysis, which was prevented by ultrasound-mediated survivin plasmid delivery, but not empty plasmid delivery. Post-mortem analysis of myocardial tissue indicated a lowered apoptotic index in survivin-treated hearts, with evidence of decrease in interstitial fibrosis. In conclusion, survivin gene therapy was shown to ameliorate doxorubicin-induced cardiomyopathy, by decreasing apoptosis and preventing adverse remodeling.

Immunoglobulin-mediated inhibition of amyloid fibril formation in vivo is a promising strategy for the treatment of protein misfolding diseases such as the amyloidoses. Here we focus on transthyretin amyloidoses, a group of protein conformation diseases caused by the misfolding of the serum protein transthyretin into fibrillar structures that deposit in specific organs and tissues—often with serious pathological consequences. Using a structure-guided immunological approach, we report a novel antibody that selectively recognizes monomeric, misfolded conformations of transthyretin in vitro. Raised to an epitope normally buried in the native form of transthyretin, this antibody was found to suppress transthyretin fibrillogenesis at substoichiometric concentrations in vitro. Overall, the selectivity and inhibitory nature of the antibody signals the potential use of conformation specific antibodies in the diagnosis and treatment of transthyretin amyloidoses, conditions which remain difficult to treat and are widely under/misdiagnosed at the current time.

Structural barriers can promote discordant action potential (AP) duration alternans, T wave alternans (TWA) and tachyarrhythmia in animal hearts and simulation studies. We hypothesized that heterogeneous scar (gray zone) and dense midwall scar (midwall core) would promote TWA in patients with cardiomyopathy by slowing conduction and uncoupling transmural APs, respectively. Scar core and gray zone were quantified in 40 cardiomyopathy patients using late gadolinium enhanced cardiac magnetic resonance imaging and related to the results of a clinically validated TWA test. The percentages of gray zone, epicardial core and midwall core were greater in the +TWA group, correlated with TWA magnitude and related to a lower heart rate onset for TWA. These specific scar patterns contribute to the genesis and severity of TWA in cardiomyopathy. Greater knowledge of the substrates that promote TWA in cardiomyopathy patients is valuable in determining those at risk of lethal ventricular arrhythmias.

With the recent advent of gene therapy, anti-apoptotic therapy has been receiving spotlight as a potential modality to inhibit the deterioration of pump function in the failing heart. We hypothesized that anti-apoptotic therapy using survivin gene delivery will 1) salvage H9c2 cells exposed to doxorubicin toxicity, and 2) ameliorate the progressive decline in left ventricular function in a rat model of doxorubicin-induced cardiomyopathy. The in vitro data suggested that survivin successfully prevented cell death under doxorubicin stress by both direct and indirect/paracrine mechanisms. Doxorubicin-treated animals developed progressive left ventricular dysfunction as evident by echocardiography and invasive pressure-volume loop analysis, which was prevented by ultrasound-mediated survivin plasmid delivery, but not empty plasmid delivery. Post-mortem analysis of myocardial tissue indicated a lowered apoptotic index in survivin-treated hearts, with evidence of decrease in interstitial fibrosis. In conclusion, survivin gene therapy was shown to ameliorate doxorubicin-induced cardiomyopathy, by decreasing apoptosis and preventing adverse remodeling.

Thesis (Ph.D.)--University of Alabama at Birmingham, 2009. / Title from PDF title page (viewed on Feb. 2, 2010). Includes bibliographical references.

Characterization of the RNA transcriptome by next-generation sequencing can produce an unprecedented yield of information that provides novel biologic insights. I describe four approaches for sequencing different aspects of the transcriptome and provide computational tools to analyze the resulting data. Methods that query the dynamic range of gene expression, low expressing transcripts, micro RNA levels, and start-site usage of transcripts are described.

Η δεσμίνη, η μυοειδική πρωτεΐνη των ενδιαμέσων ινιδίων, δημιουργεί ένα εκτενές δίκτυο που συνδέει τη συσταλτή συσκευή των μυοκυττάρων με την κυτταροπλασματική μεμβράνη -στο επίπεδο των εμβόλιμων δίσκων για τα καρδιομυοκύτταρα- τον πυρήνα και διάφορα μεμβρανώδη κυτταρικά οργανίδια. Σκοπός αυτής της εργασίας ήταν η διερεύνηση του μηχανισμού καρδιοπροστασίας που παρέχει ο κυτταροσκελετός της δεσμίνης in vivo, καθώς και η γενικότερη συμμετοχή της στα μονοπάτια της απόπτωσης. Η αποδιοργάνωση του κυτταροσκελετού είναι μια βασική διαδικασία για την εξέλιξη του μονοπατιού της απόπτωσης. Τόσο τα μικροϊνίδια της ακτίνης, όσο και τα ενδιάμεσα ινίδια -συμπεριλαμβανομένων και των πυρηνικών λαμινών- αποτελούν υπόστρωμα πέψης για διάφορα μέλη της οικογένειας των κασπασών. Η δεσμίνη είναι γνωστό ότι πέπτεται in vitro από ανασυνδυασμένη κασπάση-6, στο 263 ασπαρτικό οξύ. Το αμινοτελικό προϊόν αυτής της πέψης δεν είναι ικανό να συμμετέχει στη συγκρότηση ινιδίων, αλλά αντίθετα παρεμποδίζει αυτή τη διαδικασία σχηματίζοντας συσσωματώματα. Ως in vivo μοντέλο επαγωγής της απόπτωσης χρησιμοποιήθηκαν διαγονιδιακά ποντίκια που υπερεκφράζουν, ειδικά στην καρδιά, τον Παράγοντα Νέκρωσης Όγκων (Tumor Necrosis Factor, TNF-α). O TNF-α έχει βρεθεί ότι επάγει διαφορετικά μονοπάτια κυτταρικού θανάτου ενεργοποιώντας, μεταξύ άλλων, μέλη της οικογένειας των πρωτεολυτικών ενζύμων, των κασπασών. Το μυοκάρδιο των ποντικιών που υπερεκφράζει TNF-α (ΜΗCsTNF) χαρακτηρίζεται αρχικά από ομόκεντρη υπερτροφία των καρδιομυοκυττάρων που ακολουθείται από διάταση τόσο των κόλπων, όσο και των κοιλιών. Τα ποντίκια αυτά πεθαίνουν από καρδιακή ανεπάρκεια σε ποσοστό 25% πριν τη συμπλήρωση του έκτου μήνα ζωής. Στο μυοκάρδιο των ΜΗCsTNF ποντικιών ελέγχθηκε αρχικά ο υποκυτταρικός εντοπισμός της δεσμίνης. Η δεσμίνη στην καρδιά των ΜΗCsTNF ποντικιών έχει χάσει τον εντοπισμό της στους εμβόλιμους δίσκους, αλλά διατηρεί, εν μέρει, την παρουσία της στους Ζ-δίσκους. Προκειμένου να διαπιστωθεί εάν εκτός από τη δεσμίνη, έχει αλλοιωθεί η παρουσία και άλλων πρωτεϊνών των εμβόλιμων δίσκων, μελετήθηκε στο μυοκάρδιο αυτών των ποντικιών, η υποκυτταρική κατανομή της δεσμοπλακίνης, της β-κατενίνης και της κοννεξίνης 43, που είναι χαρακτηριστικές πρωτεΐνες των δεσμοσωμάτων, των συνδέσμων πρόσδεσης και των χασματοσυνδέσμων, αντίστοιχα. Οι πρωτεΐνες αυτές αρχικά φαίνεται να αγκυροβολούνται στους εμβόλιμους δίσκους, παροδικά όμως απομακρύνονται και κατευθύνονται προς την πλευρική επιφάνεια των καρδιομυοκυττάρων. Μελέτη με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο αποκάλυψε ότι εκτός από την κατανομή συγκεκριμένων πρωτεϊνών, είναι διαταραγμένη και η γενική αρχιτεκτονική των εμβόλιμων δίσκων. Επιπρόσθετα, πιστοποιήθηκε ότι η δεσμίνη πέπτεται in vivo και συσσωρεύεται σε συσσωματώματα. Η παρουσία συσσωματωμάτων δεσμίνης έχει συσχετιστεί με αρκετές κληρονομικές μυοπάθειες στον άνθρωπο, οι οποίες χαρακτηρίζονται ως Μυοπάθειες Σχετιζόμενες με τη Δεσμίνη (Desmin Related Myopathies, DRM). Μεταλλάξεις, αλλά και τροποποιήσεις στη δεσμίνη ή σε άλλες πρωτεΐνες με τις οποίες αλληλεπιδρά προκειμένου να δημιουργήσει το συνεχόμενο κυτταροσκελετικό δίκτυο, έχουν ως συνέπεια τη συγκέντρωση συσσωματωμάτων στο κυτταρόπλασμα και έχουν ενοχοποιηθεί για τη διατατική μυοκαρδιοπάθεια και την εξέλιξη της καρδιακής ανεπάρκειας. Στο μυοκάρδιο των ΜΗCsTNF ποντικιών πιστοποιήθηκε η παρουσία δύο διαφορετικών ειδών συσσωματωμάτων της δεσμίνης. Τα πρώτα εμφανίζουν διάχυτο κυτταροπλασματικό πρότυπο και η δεσμίνη σε αυτά συνεντοπίζεται με την HSP25, ενώ τα δεύτερα τείνουν να περιοριστούν κοντά στον πυρήνα και εδώ η δεσμίνη συνεντοπίζεται με την ουμπικουϊτίνη. Μελέτη της υπερδομής των συσσωματωμάτων έδειξε ότι ποικίλουν σε μέγεθος και σύσταση, καθώς περιέχουν κυστίδια, μιτοχόνδρια, μεμβρανώδες υλικό και υλικό υψηλής πυκνότητας, που φαίνεται ότι παρεμποδίζουν, εκτός από τη λειτουργία του πρωτεασώματος, την συσταλτική ικανότητα των μυοϊνιδίων και συμβάλλουν στην εξέλιξη της καρδιακής ανεπάρκειας. Προκειμένου να μελετηθεί η σπουδαιότητα της δεσμίνης στην παθολογία του μυοκαρδίου που υπερεκφράζει TNF-α, ΜΗCsTNF ποντίκια διασταυρώθηκαν με ποντίκια που δεν εκφράζουν δεσμίνη (des-/-). Τα des-/- ποντίκια χαρακτηρίζονται από μια παροδική υπερτροφία των καρδιομυοκυττάρων, η οποία ακολουθείται από ανάπτυξη διατατικής μυοκαρδιοπάθειας με εξέχοντα χαρακτηριστικά τις ανωμαλίες στα μιτοχόνδρια, το μαζικό κυτταρικό θάνατο και τις εκτενείς εναποθέσεις ασβεστίου στην εξωτερική επιφάνεια της καρδιάς και κολλαγόνου στο εσωτερικό της. Τα ΜΗCsTNF des-/- ποντίκια παρουσίασαν δραματική μείωση και στις δύο μορφές συσσωματωμάτων, ενώ η δεσμοπλακίνη και η β-κατενίνη -πρωτεΐνες που ανήκουν σε μια ενιαία και διαπλεκόμενη μορφή κυτταρικών συνδέσεων, την “area composita”- διατήρησαν σημαντικά την παρουσία τους στους εμβόλιμους δίσκους. Οι παρατηρήσεις αυτές υπογραμμίζουν το βαθμό στον οποίο η δεσμίνη συμμετέχει στην εξέλιξη του ΜΗCsTNF φαινοτύπου. Παραδόξως, στο μυοκάρδιο των ΜΗCsTNF des-/- ποντικιών δεν παρατηρούνται τα μορφολογικά χαρακτηριστικά που προκαλεί η έλλειψη της δεσμίνης, ενώ διατηρούνται αυτά της υπερέκφρασης του TNF-α, υποδηλώνοντας ενδεχόμενη προστατευτική δράση του TNF-α για τα des-/- καρδιομυοκύτταρα. Η διερεύνηση του μηχανισμού της πέψης της δεσμίνης από την κασπάση-6, αλλά και της απομάκρυνσής της από τους εμβόλιμους δίσκους, με τις συνακόλουθες συνέπειες, αποτέλεσε τον επόμενο στόχο αυτής της εργασίας. Για το σκοπό αυτό, δημιουργήθηκαν διαγονιδιακά ποντίκια που εκφράζουν τη μεταλλαγμένη δεσμίνη D263E, η οποία στο 263 αμινοξύ φέρει αντί για ασπαρτικό, γλουταμινικό οξύ. Η D263E δεσμίνη δεν πέπτεται από τις κασπάσες στο ΜΗCsTNF μυοκάρδιο, διατηρεί σε μεγάλο βαθμό την παρουσία της στους εμβόλιμους δίσκους και φαίνεται ότι συγκρατεί και τις υπόλοιπες πρωτεΐνες της “area composita” στη δομή αυτή. Επιπλέον, τα συσσωματώματα της ουμπικουϊτίνης μειώνονται σημαντικά και χάνεται ο συνεντοπισμός με τη δεσμίνη σε όσα από αυτά σχηματίζονται. Τέλος, η παρουσία της D263E δεσμίνης μείωσε τον αριθμό των αποπτωτικών καρδιομυοκυττάρων στο ΜΗCsTNF μυοκάρδιο και βελτίωσε σημαντικά την καρδιακή λειτουργία. Συνοψίζοντας, τα αποτελέσματα αυτής της εργασίας υπογραμμίζουν ότι η δεσμίνη είναι ένα μόριο με σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη της μυοκαρδιοπάθειας και της καρδιακής ανεπάρκειας, στο μοντέλο που προκαλείται από την υπερέκφραση του TNF-α. Η συμμετοχή της στο μονοπάτι της απόπτωσης ως υπόστρωμα πέψης για τις κασπάσες και οι επακόλουθες συνέπειες, αποτελούν βάση μελέτης του ρόλου των ενδιαμέσων ινιδίων και για άλλες εκφυλιστικές νόσους. / Desmin, the muscle specific intermediate filament protein, forms a three-dimensional scaffold which links the contractile apparatus to the plasma membrane intercalated disks (IDs), the nucleus and also other membranous cellular organelles. The main goal of this study was to assess the mechanism of cardioprotection by the desmin cytoskeleton in vivo and its participation in the apoptotic pathway. Disruption of the cytoskeleton is a key event in apoptotic cell death pathways. Both actin microfilaments and intermediate filaments -including the nuclear lamins- are substrates for cleavage by different members of the caspase family. Desmin is known to be specifically cleaved in vitro, by caspase-6, at the 263 aspartic acid residue. The amino-terminal product of desmin cleavage is completely unable to assemble into filaments and forms intracellular aggregates. The in vivo model used for the induction of apoptosis was transgenic mice that overexpress specifically in the heart the Tumor Necrosis Factor-α (ΤΝF-α). ΤΝF-α has been described to induce several cell death pathways that converge on activation of different members of the caspase proteolytic enzyme family. The myocardium of mice that overexpress ΤΝF-α (ΜΗCsTNF) is characterized by concentric hypertrophy of cardiomyocytes followed by chamber dilation. 25% of ΜΗCsTNF mice die by heart failure before the age of sixth month. We examined the subcellular localization of desmin in the myocardium of ΜΗCsTNF mice. Desmin is absent from the IDs of ΜΗCsTNF myocardium whereas it preserves, in part, its presence at Z-disks. In order to delineate whether the relocalization of desmin influences the position of other ID proteins, we examined the subcellular localization of desmoplakin, β-catenin and connexin 43, which are characteristic proteins of desmosomes, adherent junctions and gap junctions respectively. At early stages, these proteins localize almost normally in MHCsTNF cardiomyocytes, however, in the 3-month old MHCsTNF mice, all studied proteins were primarily localized at the lateral, non-junctional, side of the cardiomyocytes. Ultrastructural study of the MHCsTNF myocardium revealed that the overall ID architecture is altered. Additionally, we show that desmin is cleaved in vivo and accumulates into cytoplasmic aggregates. The presence of desmin positive aggregates has been correlated with several human inherited myopathies called Desmin Related Myopathies (DRM). Mutations within its gene or in the genes of other desmin associated cytoskeletal proteins, result in accumulation of aggregates in the cytoplasm and have been linked to Dilated Cardiomyopathy (DCM) and heart failure. In the MHCsTNF myocardium we observe two distinct kinds of aggregates that are positive for desmin. The first ones are diffused in the cytoplasm and desmin colocalizes with HSP25, while in the second category the aggregates tend to be restricted near the nucleus and desmin colocalizes with ubiquitin. Ultrastructural study of the aggregates reveals that they are variable in size and composition, consisting of vesicles, mitochondria, membranous whorls and, occasionally, clumps of electron dense material, suggesting that, in addition to other functions such as proteasome activity, they may interfere with the sarcomere contraction thereby leading to impairment of cardiac function. In order to study the importance of desmin in the development of the ΜΗCsTNF pathology, we crossed ΜΗCsTNF mice with desmin null mice (des-/-). In desmin-deficient mice transient cardiomyocyte hypertrophy is followed by development of a DCM that is characterized by mitochondrial functional, ultrastructural and other defects, extensive cell death, fibrotic lesions and calcium deposition at the external surface of the heart. ΜΗCsTNF des-/- mice showed significant decrease in both kind of aggregates, whereas desmoplakin and β-catenin -proteins that belong to the uniform cardiomyocyte junctional structure “area composita”- preserve at high degree their presence at IDs. These observations underline the level at which desmin participates in the progress of ΜΗCsTNF phenotype. Surprisingly, the myocardium of ΜΗCsTNF des-/- mice eliminated the morphological defects caused by the absence of desmin while retained those caused by TNF-α overexpression, suggesting a possible counteracting action of TNF-α in the des-/- cardiomyocytes. To investigate the mechanism and the importance of desmin cleavage by caspase-6 and its withdrawal from IDs with the concomitant consequences, we generated transgenic mice with cardiac-restricted expression of a desmin mutant (D263E), harboring a substitution of the 263 aspartic acid (D) with a glutamic acid (E), which renders desmin resistant to caspase mediated cleavage. We showed that D263E desmin is indeed resistant to caspase cleavage in the ΜΗCsTNF myocardium, largely retains its proper ID localization and allows the same for the other proteins of the area composita. Additionally, the ubiquitin positive aggregates are diminished and the few generated do not colocalize with desmin. Importantly, D263E desmin expression attenuated cardiomyocyte apoptosis, prevented left ventricular wall thinning and improved function of MHCsTNF hearts. To summarize, the data presented in this study underline that desmin is a target and mediator of ΤΝF-α induced cardiomyopathy and heart failure. Its contribution in the pathway of apoptosis as a substrate for caspase cleavage and the subsequent participation in the formation of aggregates and the alteration of the ID architecture is the baseline for the study of the role of Intermediate Filaments in degenerative diseases.

No description available.

We hypothesized that alterations in cardiac myofilaments are associated with hereditary canine DCM. DCM myofilaments demonstrated a reduction in EC50 and a modest decrease in maximum activity compared to non-failing dog samples. Treatment of myofilaments with the calcium sensitizer, bepridil, showed a reduction in EC50. Desmin and tropomyosin phosphorylation was increased in DCM. Desmin protein levels were increased in DCM. Total troponin I phosphorylation was unchanged, but S23/S24 phosphorylation was reduced in DCM. Myofilament-associated PKC-δ and -ζ were elevated in DCM, PKC- ε was modestly reduced, and PKC-α showed no change. These data are the first investigation of cardiac myofilaments in naturally occurring canine DCM, and support the hypothesis that alterations in cardiac myofilaments are associated with DCM. / OVC Pet Trust (operating funds)

Integrin-linked kinase (ILK) is an important mechanoreceptor that mediates many cellular signaling pathways. Its dysregulation causes dilated cardiomyopathy and other complications in the heart. Restoration of ILK improves cardiac function and survival, but the exact mechanism is unknown. Recent studies in our lab suggest that the cardioprotective properties of ILK may be related to its regulation of sarco/endoplasmic reticulum calcium ATPase (SERCA2a). The protein expressions of ILK and SERCA2a are positively correlated based on adenoviral transduction of ILK and siRNA targeting ILK in human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes. From analysis of their calcium transients, ILK transduction resulted in increased beat rate and faster calcium clearance while siRNA knockdown produced the opposite effect. The use of SERCA-specific inhibitor thapsigargin nullified the observed effects of ILK transduction. Based on these results, we conclude that ILK’s cardioprotective properties are partly related to improving calcium handling in cardiomyocytes through the regulation of SERCA2a.