Zugl.: Berlin, Freie Univ., Diss., 2007 u.d.T.: Fischer, Jenny J. Regulatory networks of gene expression in heart and skeletal muscle cells on the level of histone modifications and transcription factors / Hergestellt on demand

Zugl.: Giessen, Univ., Diss., 2008

Tübingen, Univ., Diss., 2003.

Zugl.: Giessen, Univ., Diss., 2009

Das Sprouty-related, EVH1 domain containing protein 2 (SPRED2) ist ein inhibitorisches, downstream von Ras wirkendes Protein des MAP-Kinase Signalwegs, welches entscheidenden Einfluss auf die Regulation von Proliferation, Expression von Proteinen und der zellulären Homöostase hat. Der kardiale Phänotyp von SPRED2- defizienten Mäusen zeigt nicht nur eine deutliche linksventrikuläre Hypertrophie, sondern auch eine erhöhte Fibrosierung des Herzgewebes. Zellulär wird die SPRED2- Defizienz durch die Akkumulation von vesikulären Strukturen innerhalb der Zelle, sowie eine markant erhöhte Anzahl von Vesikeln entlang der longitudinalen Reihen der Mitochondrien gekennzeichnet. Ziel dieser Arbeit war es, den Charakter dieser vesikulären Strukturen näher zu beleuchten und festzustellen, in welchem Zusammenhang die subzellulär veränderte Architektur mit der Hypertrophie der SPRED2-defizienten Tiere steht. Um diese Fragestellung zu beantworten, wurde zunächst nach einem vesikulären Degradationsmechanismus gesucht, der in SPRED2-/--Cardiomyocyten betroffen sein könnte. Die Macroautophagie, im folgenden Autophagie bezeichnet, ist ein solcher Degradationsmechanismus, bei dem selektiv langlebige Proteine und Zellorganellen abgebaut werden. Es konnten signifikante Veränderung der Protein-Level an Schlüsselpositionen der Autophagie identifiziert werden. Das Ubiquitin-aktivierende (E1) Enzym Homolog Atg7 sowie die Cystein-Protease Atg4B zeigen sich im SPRED2- KO deutlich reduziert. Ebenso Atg16L, das als essentieller Bestandteil des Atg5- Atg12-Atg16-Konjugationssystems bei der Konjugation von MAPLC3-II an das Phospholipid Phosphatidylethanolamin beteiligt ist. Die Autophagie-Rate als Verhältnis von konjugiertem zu unkonjugiertem MAPLC3 ist ebenfalls reduziert. Die Akkumulation der autophagischen Vesikel zeigt sich kongruent zu dem erhöhten Protein-Level der autophagischen Cargo-Rezeptoren SQSTM1 und NBR1, sowie des lysosomalen Markers CathepsinD. Außer der verringerten Autophagie-Rate zeigt sich in Einklang mit der Fibrosierung des Herzgewebes eine erhöht aktive Caspase-3 als Marker für Apoptose. Um die mitochondriale Integrität näher zu beleuchten, wurde die Menge an reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) in Wildtyp und SPRED2-KO untersucht. Hierbei zeigte sich eine erhöhte Menge an ROS im KO, was ein Hinweis auf eine Beeinträchtigung der Mitochondrien darstellt. Letztlich wurde die Hypothese überprüft, ob ein gestörter Transport der Vesikel durch eine Beeinträchtigung der Motorproteine Dynein und Kinesin vorliegt. In der Tat zeigte sich die Aktivität der Dynein-ATPase verringert in der Abwesenheit von SPRED2. Diese Beobachtung wird durch die erhöhten Mengen des vSNARE-Proteins VTI1b unterstützt, was letztlich die Akkumulation der autophagischen Vesikel mit einer verringerten Fähigkeit zur Membranfusion und dem ineffizienteren Transport der Vesikel in Einklang bringt. Da die gesamten Experimente in einem globalen SPRED2-KO System durchgeführt wurden, können eventuelle Auswirkungen der beeinflussten hormonellen Situation der SPRED2-KO Tiere auf den Herzphänotyp nicht final ausgeschlossen werden. Um die genaue Wirkung einer SPRED2-Defizienz auf das Herzgewebe und das Herz als Organ zu untersuchen, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine SPRED2- defiziente knockout Mauslinie mit konditionalem Potential generiert, die eine gesteuerte Deletion von SPRED2 im Herzgewebe erlaubt. / The Sprouty-related, EVH1 domain containing protein 2 (SPRED2) is a MAP kinase signaling inhibitor working downstream of Ras. It has a critical influence on regulating proliferation, differentiation, expression of proteins and cellular hemostasis. The cardiac phenotype of SPRED2 deficient mice not only shows a significant left ventricular hypertrophy but also a hightened fibrosis of the heart tissue. On the cellular level the SPRED2 deficiency is marked by an accumulation of ventricular structures within the cell, as well as a decisive number of vesicles along the longitudinal rows of mitochondria. The aim of this work was to elucidate the properties of these vesicular structures and to determine in which context the subcellularly modified architecture and the hypertrophy of the SPRED2 deficient animals stand to each other. To answer this question, a protein degradation mechanism that could be changed within the SPRED2 deficient cardiomyocytes was identified. Macroautophagy, further called autophagy, is such a degradation mechanism, which degrades long-lived proteins and cell organelles. This work identified significant changes made to the protein level of key regulators of autophagy. The ubiquitin-activating (E1) enzyme homolog Atg7 as well as the cystein protease Atg4B are reduced in the SPRED2 KO. Similarly, Atg16L, which acts as an essential part of the Atg5-Atg12-Atg16 conjugation system in the process of conjugating MAPLC3 to the phospholipid phosphatidylethanolamine. The autophagic flux, as the relation between conjugated and unconjugated MAPLC3, is reduced in the knockout as well. The accumulation of autophagic vesicles is in accordance with the elevated protein levels of the cargo receptors SQSTM1 and NBR1 as well as the lysosomal marker CathepsinD. Besides the reduced autophagic flux there is an elevated protein level of activated caspase-3 as a marker of apoptosis. To further elucidate the mitochondrial integrity, the endogenous levels of reactive oxygen species were determined in wildtype and knockout individuals. It was shown that the SPRED2 knockout contains an elevated level of ROS which could be a sign of reduced mitochondrial survival. Finally, it was investigated whether the disturbed transport of vesicles was due to impaired motor protein efficiency. It was shown that the activity of the dynein ATPase was reduced when SPRED2 was absent. This observation is supported by the elevated levels of the vSNARE protein VTI1b, which connects the accumulation of autophagic vesicles with the reduced ability to membrane fusion and a less efficient transport of vesicles. The experiments of this work were conducted in a global SPRED2-KO system. Possible effects of the changed hormonal situation of the SPRED2 deficient animals to the heart phenotype cannot be excluded. For that reason a conditional SPRED2 knockout mouse line with conditional potential was created capable of further elucidating the effect of a SPRED2 deficiency to the heart.

Östrogen bewirkt in physiologischer Konzentration in Kardiomyozyten eine schnelle Induktion des Egr-1-Promotors. Dieser Effekt wird über die Östrogenrezeptoren ER alpha und ER beta vermittelt. Überraschenderweise erfolgt die östrogenabhängige Genregulation von Egr-1 aber nicht über den klassischen Signalweg mittels Bindung des Östrogenrezeptors an östrogenresponsive Elemente (ERE), sondern findet unter Bindung von Serumfaktor an serumresponsive Elemente (SRE) des Egr-1-Promotors unter Mitbeteiligung des ERK1/2-Signalweges statt. Am Beispiel der Egr-1-Induktion durch Östrogen ließ sich die Bedeutung serumresponsiver Elemente (SRE) für die Genregulation durch Östrogen aufzeigen. In der vorliegenden Arbeit konnte damit ein neuartiger Signalweg bei der östrogenabhängigen schnellen Genaktivierung in Kardiomyozyten gezeigt werden. / The myocardium is a target tissue for estrogen. Here, we have identified rapid non-nuclear estrogen effects on the expression of the early growth response gene-1 (Egr-1) in cardiomyocytes. Egr-1 mRNA and protein were rapidly and strongly induced by estrogen in an estrogen receptor-dependent manner via the extracellular signal-regulated kinase, ERK1/2. A promoter analysis study of a 1.2-kilobase Egr-1 promoter fragment revealed that the serum response elements (SREs) but not the estrogen response elements or AP-1 sites are responsible for Egr-1 induction by estrogen, identifying a novel mechanism of estrogen receptor-dependent gene activation in the myocardium. Both estrogen receptor-alpha and -beta induced the Egr-1 promoter via the SREs. These results identify SREs as important promoter control elements for an estrogen receptor-dependent mechanism of gene activation in the myocardium.

Um die Kontraktion einer Herzmuskelzelle durch den Kalziumeinstrom zu ermöglichen, ist die Kopplung von Erregung und Kontraktion (ECC) von zentraler Bedeutung. Durch das elektrische Signal einer Nachbarzelle wird die Depolarisation des Sarkolemmas verursacht, wodurch sich die L-Typ-Kalziumkanäale (LKK) öffnen und der Amplifizierungsprozess eingeleitet wird. Letzterer ist bekannt als Kalzium induzierte Kalzium Freisetzung (CICR). Durch die LKK wird ein Kalziumeinstrom in die Zelle ermöglicht, welcher zur Öffnung der Ryanodinrezeptoren (RyR) des Sarkoplasmatischen Retikulums (SR) führt. Durch die Kalziumfreisetzung des SR wird dieses im Cytoplasma akkumuliert. Modelle für diese Prozesse werden seit mehreren Jahrzenten entwickelt. Bisher fehlte jedoch die Kombination aus räumlich aufgelösten Kalziumkonzentrationen der dyadischen Spalte mit stochastischen Simulationen der einzelnen Kalziumkanäle und die Kalziumdynamiken in der ganzen Zelle mit einem Elektrophysiologiemodell einer ganzen Herzmuskelzelle. In dieser Arbeit entwickleten wir ein neues Modell, in welchem die Konzentrationsgradienten von einzelnen Kanälen bis zum Ganzzelllevel räumlich aufgelöst werden. Es wurde der quasistatische Ansatz und die Finite-Elemente-Methode zur Integration partieller Differentialgleichungen verwendet. Es wurden Simulationen mit unterschiedlichen RyR Markow-Kette-Modellen, verschiedenen Parametern für die Bestandteile des SR, verschiedenen Konditionen des Natrium-Kalzium-Austauschers und unter Einbindung der Mitochondrien durchgeführt. Ziel war es, das physiologische Verhalten einer Kaninchen-Herzmuskelzelle zu simulieren. In dem neu entwickelten Multiskalenmodell wurden Hochleistungsrechner verwendet, um detaillierte Informationen über die Verteilung, die Regulation und die Relevanz von den im ECC involvierten Komponenten aufzuzeigen. Zukünftig soll das entwickelte Modell Anwendung bei der Untersuchung von Herzkontraktionen und Herzmuskelversagen finden. / Excitation contraction coupling (ECC) is of central importance to enable the contraction of the cardiac myocyte via calcium in ux. The electrical signal of a neighbouring cell causes the membrane depolarization of the sarcolemma and L-type Ca2+ channels (LCCs) open. The amplifcation process is initiated. This process is known as calcium-induced calcium release (CICR). The calcium in ux through the LCCs activates the ryanodine receptors (RyRs) of the sarcoplasmic reticulum (SR). The Ca2+ release of the SR accumulates calcium in the cytoplasm. For many decades models for these processes were developed. However, previous models have not combined the spatially resolved concentration dynamics of the dyadic cleft including the stochastic simulation of individual calcium channels and the whole cell calcium dynamics with a whole cardiac myocyte electrophysiology model. In this study, we developed a novel approach to resolve concentration gradients from single channel to whole cell level by using quasistatic approximation and finite element method for integrating partial differential equations. We ran a series of simulations with different RyR Markov chain models, different parameters for the SR components, sodium-calcium exchanger conditions, and included mitochondria to approximate physiological behaviour of a rabbit ventricular cardiac myocyte. The new multi-scale simulation tool which we developed makes use of high performance computing to reveal detailed information about the distribution, regulation, and importance of components involved in ECC. This tool will find application in investigation of heart contraction and heart failure.

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