Mit jedem Herzschlag werden enorme Mengen an Kalzium (Ca2+) in der Herzmuskelzelle freigesetzt. Dies geschieht vornehmlich über Ryanodinrezeptororen (RyR) und dient der Induktion der Muskelkontraktion. Daneben vermittelt aber auch der Inositoltrisphosphat (IP3)-Rezeptor, nach Aktivierung durch den Botenstoff IP3, unabhängig von der Elektromechanischen Kopplung eine Ca2+-Freisetzung aus dem sarkoplasmatischen Retikulum (SR). Die hier vorliegende Arbeit hatte das Ziel an isolierten Herzmuskelzellen die Interaktion von SR und Mitochondrien zu untersuchen, unter besonderer Berücksichtigung einer IP3-vermittelten Aktivierung des mitochondrialen Metabolismus. Wir verglichen den Effekt einer IP3- bzw. RyR-vermittelten zytosolischen Ca2+-Erhöhung auf die mitochondriale Ca2+-Aufnahme und Adenosintriphosphat (ATP)-Produktion. Sowohl unter den IP3-Rezeptor-Agonisten Endothelin-1 (ET-1) bzw. Angiotensin II (Ang II), als auch unter Verwendung des ß-Rezeptor-Agonisten Isoprenalin war eine mitochondriale Ca2+-Aufnahme nachweisbar, allerdings kam es nur IP3-abhängig zu einer ATP-Produktion. Unter Zugabe des IP3-Rezeptor-Blockers 2-Aminoethoxydiphenylborat (2-APB) konnte die zuvor nachgewiesene mitochondriale Ca2+-Aufnahme deutlich reduziert werden, gleiches zeigte sich bei Zellen isoliert aus transgenen IP3-sponge-Mäusen, entsprechend einem funktionellen IP3-Knockout. Hinsichtlich des Mechanismus der mitochondrialen Ca2+-Aufnahme kamen prinzipell zwei Strukturen in Frage: der mitochondriale Ryanodinrezeptor (mRyR1) und der mitochondriale Ca2+-Kanal (MCU). Wir unternahmen in der Folge weitere Versuche mit den anerkannten Rezeptorblockern Ru360 bzw. Dantrolen, um wechselseitig den MCU oder den mRyR1 zu blockieren. Das Ergebnis dieser Versuchsreihe legt den Schluss nahe, dass die Ca2+-Aufnahme in die Mitochondrien nach betaadrenerger Stimulation mit Isoprenalin primär über den MCU vermittelt wird, demgegenüber erfolgt die IP3-vermittelte Ca2+-Aufnahme über den mRyR1. Unter Verwendung von immunhistochemischer Färbungen identifizierten wir den IP3-Rezeptor vom Typ III, der ein überwiegend mitochondriales Verteilungsmuster aufzeigte. Wir schließen daraus, dass die von uns beobachteten Effekte der mitochondrialen Ca2+-Aufnahme und ATP-Produktion IP3-abhängig induziert werden bzw. zu einem Großteil auf eine Aktivität des IP3-Rezeptors, vermutlich der Unterform vom Typ III, zurückzuführen sind. Zusammenfassend konnte in der hier vorgelegten Arbeit gezeigt werden, dass die Aktivität des IP3-Rezeptors wesentlich am zellulären Energiehaushalt der Kardiomyozyten beteiligt ist. Der IP3-Signalweg vermittelt die Ca2+-Aufnahme in die Mitochondrien und führt so zu einer Energiebereitstellung in Form von ATP. / In this study we aimed to investigate the interaction of sarcoplasmatic reticulum (SR) and mitochondria in isolated cardiac myocytes, with special consideration of an IP3-mediated activation of the mitochondrial metabolism. We compared the effects of IP3-Receptor and Ryanodin-Receptor (RyR)-mediated cytosolic Ca2+-elevation on mitochondrial Ca2+-uptake and adenosine triphosphate (ATP) generation achieved by the IP3-receptor agonists endothelin-1 (ET-1) and angiotensin II (Ang II) and the β-adrenergic agonist isoproterenol (ISO). The IP3-receptor-agonists ET-1 and Ang II as well as ISO induced an increase in mitochondrial Ca2+, but only IP3-dependent we observed an increase in ATP concentration. ET-1 induced effects were prevented by cell treatment with the IP3-antagonist 2-aminoethyoxydiphenyl borate (2-APB) and absent in myocytes from transgenic mice expressing an IP3 chelating protein (IP3 sponge). Furthermore IP3-induced mitochondrial Ca2+-uptake was insensitive to the mitochondrial Ca2+-uniporter inhibitor Ru360, however was attenuated by RyR type 1 inhibitor dantrolene. Using immunostaining with specific IP3R antibodies, we demonstrated different expression patterns of each IP3R subtype. The immunofluorescence pattern of the IP3R type 3 shows a mitochondrial distribution, so that the type 3 IP3R is most likely the subtype involved in the observed effects. Altogether, our data indicate that the activity of IP3-Receptors is important for modulation of cellular energetics and ATP-generation in cardiac myocytes.

In Kardiomyozyten ist Calcium (Ca2+) ein wichtiges Signalmolekül und eine präzise Regulation der Ca2+ Konzentration in den Zellkompartimenten erforderlich. Ca2+ wird Angiotensin II-induziert und vom Botenstoff IP3 vermittelt aus IP3 Rezeptoren des Sarkoplasmatischen Retikulum (SR) freigesetzt, was zur mitochondrialen Ca2+ Aufnahme führt. Diese Kommunikationswege zwischen SR und Mitochondrium sind u.a. bei der Herzinsuffizienz durch pathologische Umbauprozesse gestört. Zudem zirkulieren bei Herzinsuffizienz vermehrt Hormone wie AngII, welches u.a. die intrazelluläre IP3 Konzentration steigert und als Hypertrophie Signal wirkt. Dieser Arbeit geht die Vermutung voraus, dass eine gestörte mitochondriale Ca2+ Aufnahme durch Veränderung des nukleären Ca2+ Transienten die hypertrophe Genexpression beeinflussen kann. Es wurde an ventrikulären Kardiomyozyten von adulten Mäusen mit kardiospezifischem MCU Knock out oder MCU Wildtyp untersucht, wie sich Ca2+ Transienten in Zytosol und Nukleus bei AngII-Stimulation und Störung der mitochondrialen Ca2+ Aufnahme durch Blockade des mRyR1 oder des MCU verändern. Zum Vergleich wurde der Effekt des β adrenerg vermittelten, IP3 unabhängigen Ca2+ Anstiegs beobachtet. Zur Untersuchung der Frequenzabhängigkeit der Effekte wurde die elektrische Stimulation wurde variiert. Die Arbeit zeigt, dass sich die Blockade der mitochondrialen Ca2+ Aufnahme unterschiedlich auf den nukleären Ca2+ Transienten auswirkt: Bei AngII-Stimulation kam es in Folge der Blockade des mRyR1, nicht aber des MCU, zur Steigerung des nukleären Ca2+ Transienten. Dieser Effekt war bei 1 Hz Stimulationsfrequenz, nicht aber nach einer Steigerung auf 4 Hz zu beobachten. Bei β adrenerger Stimulation hingegen veränderte die Blockade des MCU oder des mRyR1 die Ca2+ Transienten im Kern nicht signifikant. Die Arbeit verdeutlicht die Bedeutung der IP3 vermittelten Ca2+ Freisetzung für die Kontrolle der Ca2+ Konzentrationen in unterschiedlichen zellulären Kompartimenten. / Calcium (Ca2+) serves as a critical signaling molecule within cardiomyocytes, necessitating precise regulation of Ca2+ concentrations across cellular compartments. Angiotensin II (AngII) triggers Ca2+ release through inositol trisphosphate (IP3) receptors located on the sarcoplasmic reticulum (SR), a process mediated by the secondary messenger IP3, resulting in mitochondrial Ca2+ uptake. Perturbations in these communication pathways have been implicated in heart failure due to pathological remodeling processes. Additionally, in heart failure elevated levels of hormones like AngII have been observed, which increases intracellular IP3 concentration, thereby acting as a signal for hypertrophy. This work is based on the assumption that impaired mitochondrial Ca2+ uptake can influence hypertrophic gene expression by altering the nuclear Ca2+ transient. The investigation was conducted using ventricular cardiomyocytes obtained from adult mice with cardiac-specific MCU (mitochondrial calcium uniporter) knockout and MCU wildtype, analyzing alterations in cytosolic and nuclear Ca2+ transients upon AngII stimulation and impairment of mitochondrial Ca2+ uptake by blocking mRyR1 (ryanodine receptor) or MCU. Additionally, the impact of β-adrenergic mediated IP3-independent Ca2+ elevation was assessed, with varying electrical stimulation frequencies to explore frequency-dependent effects. The findings reveal distinct effects of mitochondrial Ca2+ uptake blockade on nuclear Ca2+ transients. While mRyR1 blockade, but not MCU blockade, augmented nuclear Ca2+ transients during AngII stimulation, this effect was evident at 1 Hz stimulation frequency and not after increase to 4 Hz. Conversely, β-adrenergic stimulation yielded no significant changes in nuclear Ca2+ transients upon MCU or mRyR1 blockade. This work underscores the significance of IP3-mediated Ca2+ release in controlling Ca2+ concentrations across diverse cellular compartments.