TY  - THES
A1  - Govindaraj, Vijayakumar
T1  - Improved Cardiac Glucose Uptake: A Potential Mechanism for Estrogens to Prevent the Development of Cardiac Hypertrophy
N2  - The incidence of cardiovascular diseases including cardiac hypertrophy and failure in pre-menopausal women is lower compared to age-matched men but the risk of heart disease increases substantially after the onset of menopause. It has been postulated that female sex hormones play an important role in cardiovascular health in pre-menopausal women. In animal studies including spontaneously hypertensive (SHR) rats, the development of cardiac hypertrophy is attenuated by 17β-estradiol treatment. Cardiac energy metabolism is crucial for normal function of the heart. In cardiac hypertrophy and heart failure, the myocardium undergoes a metabolic shift from fatty acid as primary cardiac energy source to glucose, which re-introduces the fetal type of metabolism that representing the glucose as a major source of energy. Many studies have reported that the disruption of the balance between glucose and fatty acid metabolism plays an important role in cardiac pathologies including hypertrophy, heart failure, diabetes, dilative cardiomyopathy and myocardial infarction. Glucose enters cardiomyocytes via GLUT1 and GLUT4 glucose transporters and GLUT4 is the major glucose transporter which is insulin-dependent. Cardiac-selective GLUT4 deficiency leads to cardiac hypertrophy. This shows that the decrease in cardiac glucose uptake may play a direct role in the pathogenesis of cardiac hypertrophy. Estrogens modulate glucose homeostasis in the liver and the skeletal muscle. But it is not known whether estrogens affect also cardiac glucose uptake which could provide another mechanism to explain the prevention of cardiac hypertrophy by female sex hormones. In the present study, SHR Rats were ovariectomized (OVX), not ovariectomized (sham) or ovariectomized and treated with subcutaneous 17β-estradiol. After 6 weeks of treatment, body weight, the serum levels of estrogen, insulin, intra-peritoneal glucose tolerance test (IP-GTT), myocardial glucose uptake by FDG-PET (2-(18F)-fluoro-deoxyglucose (18FDG) and Positron Emission Tomography), cardiac glucose transporter expression and localization and cardiac hexokinase activity were analyzed. As results of this study, PET analysis of female SHR revealed decreased cardiac glucose uptake in OVX animals compared to intact that was normalized by estrogen supplementation. Interestingly, there was no change in global glucose tolerance among the treatment groups. Serum insulin levels and cardiac hexokinase activity were elevated by E2 substitution. The protein content of cardiac glucose transporters GLUT-4 and GLUT-1, and their translocation as determined by fractionation studies and immuno-staining did not show any significant change by ovariectomy and estrogen replacement. Also levels of insulin receptor substrate-1 (IRS-1) and its tyrosine phosphorylation, which is required for activation and translocation of GLUT4, was un-affected in all groups of SHR. Cardiac gene expression analysis in SHR heart showed that ei4Ebp1 and Frap1 genes which are involved in the mTOR signaling pathway, were differentially expressed upon estrogen treatment. These genes are known to be activated in presence of glucose in the heart. As a conclusion of this study, reduced myocardial FDG uptake in ovariectomized spontaneously hypertensive rat is normalized by 17β-estradiol treatment. Increased myocardial hexokinase appears as a potential mechanism to explain increased myocardial glucose uptake by 17β-estradiol. Increased cardiac glucose uptake in response to 17β-estradiol in ovariectomized SHR may provide a novel mechanism to explain the reduction of cardiac hypertrophy in E2 treated SHR. Therefore, 17β-estradiol improves cardiac glucose utilization in ovariectomized SHR which may give rise to possible mechanism for its protective effects against cardiac hypertrophy.
N2  - Erkrankungen des kardiovaskulären Systems, wie beispielsweise Herzhypertrophie oder Herzinsuffizienz treten bei Frauen vor der Menopause im Vergleich zu gleichaltrigen Männern seltener auf. Das Risiko für eine solche kardiovaskuläre Erkrankung steigt jedoch drastisch mit dem Beginn der Menopause an. Aus diesem Grund wird angenommen, dass weibliche Geschlechtshormone kardioprotektive Wirkungen besitzen. Tierstudien an spontan hypertensiven Ratten (SHR) haben belegt, dass eine Herzhypertrophie durch die Behandlung der Tiere mit 17β-Estradiol abgemildert werden kann. Entscheidend für die Funktion des Myokards ist sein Energiemetabolimus, der sich im Verlauf einer Hypertrophie oder Herzinsuffizienz vom primären Fettsäurestoffwechsel auf Glucosemetabolismus umschaltet. Diese Situation entspricht der des fetalen Herzens. Viele Studien haben belegt, dass eine Störung der Balance zwischen Glucose- und Fettsäurestoffwechsel oftmals ein erstes Anzeichen für einen pathologischen Zustand des Herzens, wie z.B. Hypertrophie, Herzinsuffizienz, Diabetes, dilative Kardiomyopathie und Myokardinfarkt ist. Im gesunden Herzen gelangt Glucose über die zwei Glucosetransporter GLUT1 und GLUT4 in die Zellen des Myokards, wobei der insulinabhängige Glut4-Transporter der Hauptglucosetransporter ist. Eine GLUT4-Defizienz führt daher ebenfalls zu einer Herzhypertrophie was wiederum zeigt, dass eine verminderte Glucoseaufnahme im direkten Zusammenhang mit pathologischen Zuständen des Herzens steht. Bisherige Studien haben gezeigt, dass Östrogen an der Glucosehomöostase in Leber und Skelettmuskeln beteiligt ist. Jedoch ist wenig darüber bekannt, ob Östrogen ebenfalls in die kardiale Glucosehomöostase eingreift und inwiefern die kardioprotektive Wirkung des Östrogens in diesem Zusammenhang steht.In der vorliegenden Arbeit wurden weibliche SH-Ratten ovariektomiert (OVX), nicht ovariektomiert (sham) oder ovariektomiert und zusätzlich subkutan mit 17β-Estradiol behandelt. Nach einer Behandlungszeit von 6 Wochen wurden dann das Körpergewicht, die Serumspiegel von Östrogen, Insulin und IPGTT bestimmt, und die Glucoseaufnahme des Myokards mittels FDG-PET analysiert. Zusätzlich wurden Expression und zelluläre Lokalisation der kardialen Glucosetransporter sowie die kardiale Hexokinaseaktivität untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass sich eine verminderte Glucoseaufnahme des Herzens bei ovariektomierten Tieren durch Östrogen-Supplementation normalisieren lässt. Eine Abweichung bezüglich der Glucosetoleranz der einzelnen Gruppen konnte nicht beobachtet werden. Jedoch konnte ein erhöhter Insulinspiegel des Serums und eine erhöhte kardiale Aktivität des Enzyms Hexokinase durch die Behandlung mit Östrogen bei den ovariektomierten Tieren beschrieben werden. Durch Fraktionierungen und immunhistologische Untersuchungen konnte kein signifikanter Unterschied in Bezug auf die Menge sowie die Translokation der Glucosetransporter GLUT1 und GLUT4 im Myokard zwischen den einzelnen Behandlungen der Tiere beschrieben werden. Ferner konnte zwischen den einzelnen Tiergruppen auch kein Unterschied zwischen dem Insulin Rezeptor Substrat-1 (IRS-1) und seiner Tyrosin-phosphorylierten Form festgestellt werden, die für die Aktivierung und Translokation des GLUT4 benötigt werden. Analysen der Genexpression in den Herzen der SH-Ratten konnten allerdings zeigen, dass die Gene ei4Ebp1 und Frap1, die im mTOR Signalweg involviert sind, bei den Östrogen-supplementierten Tieren ein abweichendes Expressionsmuster aufweisen. Über diese Gene ist bekannt, dass sie in der Gegenwart von Glucose im Herzen aktiviert werden und bei der Entstehung einer Herzhypertrophie mitwirken. Basierend auf den PET-Analysen und der Hexokinaseaktivität lässt sich als Resultat dieser Arbeit aussagen, dass Östrogen die kardiale Glucoseaufnahme in SH-Ratten fördert. Diese Ergebnisse könnten einen Hinweis auf einen noch unbekannten Mechanismus geben, um die protektive Wirkung des Östrogens im Hinblick auf die Herzhypertrophie zu erklären. Hinsichtlich der Tatsache, dass keine Veränderungen in der Translokation der GLUT4-Transporter in der Plasmamembran bei den einzelnen Behandlungen der Tiere zu verzeichnen sind, jedoch Veränderungen der Glucoseaufnahme durch die PET-Analysen dargestellt werden konnten, besteht jedoch noch Erklärungsbedarf. Es liegen diverse Studien vor, die diesen Unterschied damit erklären könnten, dass der GLUT4-Transporter in einer inaktiven Form in der Plasmamembran vorliegt bis die Glucoseaufnahme durch den GLUT4-Transporter mittels der Insulin Signaltransduktionskaskade reguliert wird.
KW  - estrogen
KW  - estrogen receptor
KW  - cardiac hypertrophy
KW  - cardiac metabolism
KW  - Glut4
KW  - estrogen
KW  - estrogen receptor
KW  - cardiac hypertrophy
KW  - cardiac metabolism
KW  - Glut4
KW  - estrogen
KW  - estrogen receptor
KW  - cardiac hypertrophy
KW  - cardiac metabolism
KW  - Glut4
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-35911
ER  - 
TY  - THES
A1  - Jager, Tertia ¬de¬
T1  - Estrogen action in the myocardium
T1  - Östrogenwirkung im Myokard
N2  - Cardiovascular disease is the leading cause of mortality in both men and women in the Western world. Earlier observations have pointed out that pre-menopausal women have a lower risk of developing cardiovascular disease than age-matched men, with an increase in risk after the onset of menopause. This observation has directed the attention to estrogen as a potential protective factor in the heart. So far the focus of research and clinical studies has been the vascular system, leaving the current knowledge on the role of estrogen in the myocardium itself rather scarce. Functional estrogen receptor-alpha as well as -beta have recently been identified in the myocardium, making the myocardium an estrogen target organ. The focus of this thesis was 1) to investigate the role of estrogen and estrogen receptors in modulating myocardial gene expression both in vivo in an animal model for cardiac hypertrophy (spontaneously hypertensive rats; SHR), as well as in vitro in isolated neonatal cardiomyocytes, 2) to investigate the mechanisms of the rapid induction of an estrogen target gene, the early growth response gene-1 (Egr-1) and 3) to initiate the search for novel estrogen target genes in the myocardium. 1) The effects of estrogen on the expression of one of the major myocardial specific contractile proteins, the alpha-myosin heavy chain (alpha-MHC) have been investigated. In ovarectomised animals treated either with 17beta-estradiol alone or in combination with a specific estrogen receptor antagonist, ICI 182780, it was shown that both alpha-MHC mRNA and protein were upregulated by estrogen in an estrogen receptor specific manner. The in vivo results were confirmed in vitro in isolated neonatal cardiomyocytes which showed that estrogen has a direct action on the myocardium potent enough to upregulate the expression of alpha-MHC. Furthermore it was shown that the alpha-MHC promoter is induced by estrogen in an estrogen receptor-dependent manner and first investigations into the mechanisms involved in this upregulation identified Egr-1 as a potential transcription factor which, upon induction by estrogen, drives the expression of the alpha-MHC promoter. 2) Previously it was shown that Egr-1 is rapidly induced by estrogen in an estrogen receptor-dependent manner which was mediated via 5 serum response elements (SREs) in the promoter region and surprisingly not via the estrogen response elements (EREs). In this study it was shown that estrogen-treatment of cardiomyocytes resulted in the recruitment of serum response factor (SRF), or an antigenically related protein, to the SREs in the Egr-1 promoter, which was specifically inhibited by the estrogen receptor antagonist ICI 182780. Transfection experiments showed that estrogen induced a heterologous promoter consisting only of 5 tandem repeats of the c-fos SRE in an ER-dependent manner, which identified SREs as promoter elements able to confer an estrogen response to target genes. 3) Potentially new target genes regulated by estrogen in vivo were analysed using hearts of ovarectomised animals as well as ovarectomised animals treated with estrogen. Analyses of cDNA microarray filters containing 1250 known genes identified 24 genes that were modified by estrogen in vivo. Among these genes, some might have potentially important functions in the heart and further analyses of these genes will create a more global picture of the role and function of estrogen in the myocardium. Taken together, the results showed that estrogen does have a direct action on the myocardium both by regulating the expression of myocardial specific genes in vivo, as well as exerting rapid non-nuclear effects in cardiac myocytes. It was shown that SREs in the promoter region of genes can confer an estrogen response to genes identifying SREs as important elements in regulation of genes by estrogen. Furthermore, 24 potentially new estrogen targets were identified in the myocardium, contributing to the general understanding of estrogen action in the myocardium.
N2  - Kardiovaskuläre Erkrankungen gehören zu den häufigsten Todesursachen in westlichen Ländern. Vor den Wechseljahren besteht für Frauen ein geringeres Risiko, Herzerkrankungen zu entwickeln als für gleichaltrige Männer. Nach dem Eintritt der Menopause sind diese geschlechtsspezifischen Unterschiede aufgehoben, da sich das Risiko bei Frauen erhöht. Dies deutet darauf hin, dass Östrogene kardioprotektiv wirken. Bislang konzentrierten sich sowohl Forschung als auch klinische Studien hauptsächlich auf das vaskuläre System, so dass wenig über die Rolle von Östrogenen im Myokard bekannt ist. Zwar wurde gezeigt, dass funktionelle Östrogenrezeptoren (alpha- und beta-Form) in Herzmuskelzellen exprimiert werden, ihre genaue Funktion im Myokard ist jedoch noch ungeklärt. Dies lieferte den Ansatzpunkt für die vorliegende Arbeit, die sich mit der Rolle von Östrogenen im Myokard beschäftigte. Dazu wurde 1) der Einfluss der Östrogene auf die Genexpression im Myokard sowohl in vivo mit Hilfe eines Tiermodells für Herzhypertrophie, der spontan hypertensiven Ratte (SHR), als auch in vitro an isolierten neonatalen Kardiomyozyten untersucht. 2) Weiterhin wurde der Mechanismus der schnellen Geninduktion durch Östrogene mit Hilfe eines bereits identifizierten östrogenresponsiven Gens, dem ?Early growth response gene-1? (Egr-1), analysiert. 3) Gleichzeitig wurden erste Versuche zur Identifizierung bislang unbekannter Östrogenzielgene im Myokard eingeleitet. 1) Die Beeinflussung der myokardiale Genexpression wurde an Hand eines myokardial spezifischen kontraktilen Proteins, der alpha-Myosinschwerkette (alpha-MHC), untersucht. Östrogensubstitution in ovarektomierten Ratten induzierte alpha-MHC sowohl auf mRNA- als auch auf Protein-Ebene in einer spezifisch durch Östrogenrezeptoren vermittelten Weise. In isolierten Kardiomyozyten konnten diese in vivo Ergebnisse bestätigt werden, indem gezeigt wurde, dass Östrogene direkt auf die Herzmuskelzellen wirken und die alpha-MHC-Expression induzieren. Weiterhin wurde die Östrogenrezeptor-abhängige Induktion des alpha-MHC-Promotors durch Östrogene nachgewiesen. Untersuchungen zu dem Mechanismus dieser Induktion identifizierten Egr-1 als potentiellen Transkriptionsfaktor, der durch Östrogene induziert wird und so die alpha-MHC-Induktion vermittelt. 2) Es wurde bereits in einer früheren Arbeit nachgewiesen, dass Egr-1 durch Östrogene in Kardiomyozyten induziert wird. Diese schnelle Induktion wird durch serumresponsive Elemente (SREs), nicht aber durch die östrogenresponsiven Elemente (EREs) im Egr-1 Promotor vermittelt. Zur Untersuchung des Mechanismus dieser schnellen Induktion konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass Östrogenbehandlung die Bindung von SRF (serum response factor) an die SREs im Egr-1 Promoter auslöst. Ebenso wurde ein künstlicher Promotor aus 5 SREs des c-fos Promotors durch Östrogene induziert. Diese Induktion fand in einer spezifisch Östrogenrezeptor-vermittelten Weise statt. Damit konnten SREs neben EREs und AP-1 als Promoterelemente identifiziert werden, die eine wichtige Rolle bei der östrogenabhängigen Induktion von Zielgenen spielen. 3) Ein Ansatz zur Identifizierung neuer potentieller Östrogenzielgene im Myokard wurde etabliert. Mit Hilfe der Microarray-Technik wurde die Genexpression in Herzen von ovarektomierten, östrogenbehandelten Tieren mit unbehandelten Tieren verglichen. Durch die Verwendung von cDNA Mikroarray-Membranen mit 1250 cDNAs bekannter Rattengene wurden 24 Gene identifiziert, deren Expression möglicherweise durch Östrogene im Herzen beeinflusst werden könnte. Im Rahmen dieser Arbeit ist es somit gelungen zu zeigen, dass Östrogene eine direkte Wirkung auf das Myokard haben, indem sie die Expression des wichtigen kontraktilen Proteins a-MHC beeinflussen. Daneben vermitteln Östrogene auch schnelle nicht-genomische Geninduktionen via SREs. Zusätzlich wurden 24 potentiell neue Östrogenzielgene im Myokard identifiziert, was zu dem allgemeinen Verständnis der Östrogenwirkung im Myokard beiträgt.
KW  - Herzmuskel
KW  - Östrogene
KW  - Genexpression
KW  - Östrogene
KW  - Östrogenrezeptor
KW  - Myokard
KW  - alpha-Myosinschwerkette
KW  - Egr-1
KW  - serumresponsive Elemente
KW  - SRF
KW  - estrogen
KW  - estrogen receptor
KW  - myocardium
KW  - alpha-myosin heavy chain
KW  - Egr-1
KW  - serum response element
KW  - SRF
Y1  - 2002
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-1182573
ER  -