Abstract Intracellular signalling cascades regulate cardiomyocyte hypertrophic response. Initially hypertrophy of individual myocytes occurs as an adaptive response to increased demands for cardiac work, e.g. during hypertension or after myocardial infarction, but a prolonged hypertrophic response, accompanied by accelerated fibrosis and apoptosis, predisposes the heart to impaired performance and the syndrome of heart failure. The goal of this work was to elucidate some of the main signalling pathways in experimental models of the cardiac hypertrophic response. Mechanical stretching of cultured neonatal rat cardiomyocytes in vitro activates the B-type natriuretic peptide (BNP) gene, a well-established marker of the hypertrophic response, through intracellular signalling cascades mitogen-activated protein kinases (MAPKs) and protein kinase A (PKA) -pathway. Further, transcription factors transcriptional enhancer factor-1 (TEF-1) and activating transcription factor 3 (ATF3) were induced during stretch, and TEF-1 activation was shown to be regulated by extracellular signal-regulated kinase (ERK), while ATF3 activation was modulated by PKA. The BNP gene was also activated by the adenoviral overexpression of the p38 MAPK isoforms p38α and p38β in vitro. Importantly, p38α–induced activation was mediated through activator protein-1 (AP-1) while p38β mediated BNP transcription through GATA-4, which suggests distinct physiological roles for different p38 isoforms. This was further confirmed by quantitative PCR, which demonstrated pro-fibrotic role for the p38α isoform and a pro-hypertrophic role for the p38β isoform. Finally, adenoviral overexpression of ATF3 in vitro and in vivo resulted in activation of cardiac survival factors nuclear factor-κВ and Nkx-2.5, and attenuation of central pro-inflammatory and pro-fibrotic mediators. Together these data suggest a protective role for ATF3 in the heart. Overall this study provides new insights into the role of several signalling molecules involved in cardiac hypertrophic process and suggests potential therapeutic strategies for the diagnosis and treatment of heart failure. / Tiivistelmä Sydämen kammioiden seinämät paksuuntuvat kuormituksen lisääntyessä mm. verenpainetaudissa tai sydäninfarktin jälkeen. Lisääntynyt kuormitus aiheuttaa sydänlihassolujen koon kasvun (hypertrofioitumisen) ohella sidekudoksen kertymistä (fibroosia) ja solukuolemaa. Nämä solutason muutokset lopulta vioittavat sydämen rakennetta niin, että sen toiminta pettää, ja sydän ajautuu vajaatoimintaan. Tätä taudin etenemistä säätelevät molekyylitasolla lukuisat solunsisäiset signaalinvälitysjärjestelmät, joita tässä väitöskirjatyössä tutkittiin eri koemalleissa. Sydämen täyttöpaineen nousun aiheuttama sydänlihassolujen mekaaninen venytys aktivoi natriureettisten peptidien (eteispeptidi, ANP ja B-tyypin natriureettinen peptidi, BNP) synteesiä ja vapautumista verenkiertoon. BNP geenin säätelyä mekaanisen venytyksen aikana tutkittiin rotan sydänlihassoluviljelmissä. Mitogeeni-aktivoituvat proteiinikinaasit (MAPK) sekä proteiinikinaasi A (PKA) säätelivät mekaanisen ärsykkeen aiheuttamaa BNP geenin ekspressiota. Venytys aktivoi myös transkriptiotekijöitä TEF-1 (transcriptional enhancer factor-1) ja ATF3 (activating transcription factor 3). TEF-1 sääteli venytyksen aiheuttamaa BNP:n aktivaatiota ERK:n (extracellular signal-regulated kinase) välityksellä BNP geenin säätelyalueella olevan sitoutumispaikkansa (M-CAT elementti) kautta. ATF3:n säätelyssä PKA:lla oli keskeinen merkitys. Tutkimus osoitti myös, että p38 MAPK:n alatyypeistä p38α lisäsi fibroosiin liittyvien geenien aktiivisuutta, kun taas p38β aiheutti solujen hypertrofioitumista lisäävien geenien ekspressiota. Molemmat alatyypit aktivoivat BNP geenin ekspressiota, mutta aktivaatio tapahtui eri transkriptiotekijöiden kautta. Tutkimuksessa havaittiin myös, että ATF3:n yliekspressio adenovirusvälitteisellä geeninsiirrolla lisäsi kahden sydäntä suojaavan transkriptiotekijän (nuclear factor-κВ ja Nkx-2.5) aktiivisuutta, sekä vähensi sydämen tulehdusvastetta ja fibroosia lisäävien tekijöiden (interleukiini-6 ja plasminogeeniaktivaattorin inhibiittori-1) ekspressiota. Väitöskirjatutkimus antaa uutta tietoa solunsisäisistä signaalinvälitys-järjestelmistä, jotka säätelevät sydänlihaksen kuormitusvastetta sydän- ja verenkiertoelimistön sairauksissa. Näiden solutason mekanismien tunteminen osaltaan edesauttaa jatkossa uusien menetelmien kehittämistä sydämen vajaatoiminnan ehkäisyyn ja hoitoon.

Abstract Cardiovascular diseases are the leading causes of death in the developed countries and their incidence is not expected to decrease in the future. There is a lifetime risk of one in five of developing heart failure, which still has poor prognosis and current treatments only cover part of the pathophysiology behind this syndrome. Pathological processes contributing to heart failure include cardiac hypertrophy and remodeling, which involves neurohumoral activation, reactivation of fetal genes, impaired Ca2+ cycling, increased apoptosis, and increased fibrosis. Intracellular signalling pathways and transcription factors mediating the response to various extracellular stresses have a key role in the regulation of myocardial remodeling and they are investigated in order to develop new approaches for the treatment of heart failure. The aim of this thesis was to elucidate roles of mitogen-activated protein kinases (MAPKs) and transcription factor GATA-4 in the regulation of cardiomyocyte function in cell cultures, and in hearts ex vivo and in vivo. The main findings were that (i) Inhibition of p38α MAPK enhanced function of sarco/endoplasmic reticulum Ca2+ -ATPase and thus cardiac contractility by increasing phosphorylation of protein phosphatase inhibitor-1 and phospholamban, (ii) p38 MAPK isoforms p38α and p38β regulated promoter activity of B-type natriuretic peptide via distinct pathways, (iii) p38α and p38β MAPKs also had different effects on gene expressions related to fibrosis and hypertrophy, and (iv) p38 and ERK1/2 MAPKs mediated stretch-induced activation of GATA-4 by phosphorylation at Ser 105. GATA-4 also seems to be regulated by ubiquitination. This study provides novel data of p38 MAPK and GATA-4 in the regulation of cardiomyocyte function. Inhibition of p38α MAPK could be beneficial in the treatment of heart failure. Also GATA-4 is a potential target for treatment of cardiovascular diseases. / Tiivistelmä Sydän- ja verisuonisairaudet ovat yleisin kuolinsyy länsimaissa, eikä niiden ilmaantuvuus tule vähenemään lähitulevaisuudessa. Elinikäinen riski sairastua sydämen vajaatoimintaan on 20 %, ja sydämen vajaatoiminnan ennuste on edelleen huono. Nykyisillä hoitomuodoilla voidaan puuttua vain osittain sydämen vajaatoiminnan patofysiologisiin mekanismeihin. Sydämen vajaatoiminnan kehittymiseen liittyvät sydänlihaksen liikakasvu ja uudelleenmuovautumisprosessi, johon liittyy neurohumoraalinen aktivaatio, sikiöaikaisten geenien uudelleenilmentyminen, häiriöt solunsisäisessä Ca2+-viestinnässä sekä lisääntynyt ohjelmoitu solukuolema ja sidekudoksen muodostuminen sydämeen. Solunsisäisillä viestinvälitysketjuilla sekä transkriptiotekijöillä, jotka vastaavat solunulkoisten ärsykkeiden välittämisestä solun sisällä, on keskeinen rooli edellämainittujen prosessien säätelyssä. Uusien lähestymistapojen kehittäminen sydämen vajaatoiminnan hoitoon edellyttää myös solunsisäisen viestinvälityksen ja geenien säätelyn mekanismien selvittämistä. Tämän väitöstyön tavoite oli selvittää p38 mitogeeniaktivoituvan proteiinikinaasin (p38 MAPK) ja transkriptiotekijä GATA-4:n merkitystä sydämen vajaatoiminnan patogeneesissä soluviljelymalleissa. Päälöydöksiä olivat: (i) p38α MAPK -isoformin estäminen paransi kalsiumia solulimakalvostoon pumppaavan SERCA2a:n toimintaa ja sydänlihassolun supistumiskykyä lisäämällä fosfolambaanin ja proteiinifosfataasi-inhibiittori-1:n fosforylaatiota. (ii) p38 MAPK isoformit p38α ja p38β säätelivät B-tyypin natriureettisen peptidin geenin promoottorialuetta erillisten reittien kautta. (iii) p38α ja p38β isoformit vaikuttivat myös eri tavoin sydämen sidekudoksen muodostumiseen ja hypertrofiaan liittyvien geenien ilmentymiseen. (iv) p38 ja ERK1/2 välittävät venytyksen aiheuttaman GATA-4:n aktivaation fosforyloimalla seriini-105 fosforylaatiopaikan. Lisäksi GATA-4:n toimintaa säädellään ubiquitinaation avulla. Tämä tutkimus tuo uutta tietoa p38 MAPK:n ja GATA-4:n rooleista sydämen vajaatoiminnan kehittymisessä. p38α-isoformin toiminnan estäminen voisi olla hyödyllinen hoitomuoto sydämen vajaatoiminnassa. Myös GATA-4 on potentiaalinen lääkehoidon kohde sydänsairauksien hoidossa.