Jan Becher

• Die Myokardhypertrophie ist eine Anpassungsreaktion des Herzens auf verschiedene pathologische Stimuli wie der arteriellen Hypertonie, Herzklappen-Vitien, Myokardinfarkt, endokrine Stoffwechselstörungen sowie Mutationen von Genen kontraktiler Proteine. Die Antwort der Herzmuskelzelle auf einen hypertrophen Reiz ist gekennzeichnet durch ein verstärktes Zellwachstum ohne Zellteilung und auf molekularer Ebene durch die Induktion fetaler kardialer Gene kontraktiler Proteine. Auch wenn über den klinischen Aspekt der Myokardhypertrophie bereits einDie Myokardhypertrophie ist eine Anpassungsreaktion des Herzens auf verschiedene pathologische Stimuli wie der arteriellen Hypertonie, Herzklappen-Vitien, Myokardinfarkt, endokrine Stoffwechselstörungen sowie Mutationen von Genen kontraktiler Proteine. Die Antwort der Herzmuskelzelle auf einen hypertrophen Reiz ist gekennzeichnet durch ein verstärktes Zellwachstum ohne Zellteilung und auf molekularer Ebene durch die Induktion fetaler kardialer Gene kontraktiler Proteine. Auch wenn über den klinischen Aspekt der Myokardhypertrophie bereits ein umfangreiches Wissen vorliegt, wurden Details über die bei der Hypertrophie ablaufenden intrazellulären Signalwege erst in den letzten Jahren entdeckt. Der Calcineurin/NFAT Signalweg ist bei der Entstehung der Herzhypertrophie von großer Bedeutung. Die Aktivierung der Ca²+-Calmodulin-abhängigen Phosphatase Calcineurin führt zur einer Dephosphorylierung des Transkriptionsfaktors NFAT. Dies erlaubt die nukleäre Translokation, was zur einer Induktion von Genen führt, welche an der Entstehung der Myokardhypertrophie beteiligt sind. Nach dem heutigen Verständnis benötigt die Aktivierung des Calcineurin/NFAT-Signalweges die Bindung von Calmodulin sowie dauerhaft erhöhte Ca²+-Spiegel. Die Folge der Calcineurinaktivierung ist eine strukturelle Veränderung mit einem Shift der C-terminalen Autoinhibitorischen Domäne, so dass das aktive Phosphatase-Zentrum freigegeben wird. In dieser Arbeit untersuchen wir einen Mechanismus der gezielten proteolytischen Abspaltung der Autoinhibitorischen Domäne, welcher ebenfalls zu einer Enzymaktivierung führt. Die Stimulation von Ratten-Kardiomyozyten mit Angiotensin II führte zu einer Erhöhung der Calpain-Aktivität, was eine proteolytische Abspaltung der autoinhibitorischen Domäne von Calcineurin bedingte. Durch die Blockierung von Calpain konnte die Proteolyse verhindert werden. Die Calcineurin-Aktivität war nach Angiotensin II-Stimulation erhöht (310±29%) und bleib auch nach Wegnahme des Stimulus auf erhöhtem Niveau (214±17%). Wurde dem Medium während der Stimulation Calpain-Inhibitor hinzu gegeben, kam es nach Wegnahme des Angiotensin II-Stimulus zu einem deutlichen Absinken (110±19%) der Calcineurin-Aktivität. An Hand von immunhistochemischen Färbungen und von Transfektionsversuchen mit einem GFP-fusionierten Calcineurin konnte gezeigt werden, dass die Angiotensin II-Stimulation eine nukleäre Translokation von Calcineurin bewirkt. Die Calpain-Blockierung und somit die Unterdrückung des Calpain vermittelten Verdaus von Calcineurin erlaubt es diesem, den Zellkern wieder zu verlassen. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass die Angiotensin II-Stimulation der Kardiomyozyten zu einer Erhöhung der Calpain-Aktivität führt. Diese wiederum bedingt eine proteolytische Abspaltung der Autoinhibitorischen Domäne von Calcineurin. Die Folge ist eine erhöhte Calcineurin-Aktivität, was eine nukleäre Translokation von Calcineurin auslöst. Nach dem Verlust der Autoinhibitorischen Domäne ist Calcineurin dauerhaft aktiv und nukleär lokalisiert, sogar nach Wegnahme des Hypertrophie-auslösenden Stimulus.…
• Cardiac hypertrophy is an adaptive response of the heart to various pathological conditions, including hypertension, valvular disease, myocardial infarction, endocrine disorders, and mutations of genes for cardiac contractile proteins. The cardiomyocyte response to hypertrophic stimuli is characterized by an increase in cell size without cell division as well as by induction of fetal cardiac genes of contractile proteins. Even though extensive knowledge is available on the clinical aspect of LVH, details of the involved signal transductionCardiac hypertrophy is an adaptive response of the heart to various pathological conditions, including hypertension, valvular disease, myocardial infarction, endocrine disorders, and mutations of genes for cardiac contractile proteins. The cardiomyocyte response to hypertrophic stimuli is characterized by an increase in cell size without cell division as well as by induction of fetal cardiac genes of contractile proteins. Even though extensive knowledge is available on the clinical aspect of LVH, details of the involved signal transduction pathways are being explored only in the recent years. The calcineurin/NFATc signal cascade is of major importance in the development of cardiac hypertrophy. Activation of the Ca²+-calmodulin-dependent phosphatase CnA leads to dephosphorylation of the nuclear transcription factor NFATc, enabling its nuclear translocation resulting in induction of genes typical of cardiac hypertrophy. According to the current understanding, the activation of the CnA/NFATc pathway required sustained high Ca²+ and the binding of calmodulin. The result is a structural change an subsequent displacement of the C-terminal autoinhibitory domain from the catalytic subunit. In this study we investigated a mechanism of targeted proteolyses of the CnA autoinhibitory domain leading to the activation of CnA. Stimulation of rat cardiomyocytes with angiotensin II increased calpain activity significantly and caused proteolyses of the autoinhibitory domain of CnA. Inhibition of calpain prevented proteolysis. CnA activity was increased after Ang II stimulation (310±29%) and remained high after removal of Ang II (214±17%). Addition of calpain inhibitor to the medium decreased CnA activity (110±19%) after removal of Ang II. Ang II stimulation of cardiomyocytes furthermore leads to a translocation of CnA into the nucleus as demonstrated by immunohistochemical staining and transfection assays with GFP-tagged CnA. Calpain inhibition and therefore suppression of calpain-mediated cleavage of CnA enabled CnA exit from the nucleus. The data presented in this study demonstrated that Ang II stimulation of cardiomyocytes increased calpain activity, leading to proteolysis of the autoinhibitory domain of CnA. This causes an increase in CnA activity and results in nuclear translocation of CnA. Loss of the autoinhibitory domain renders CnA constitutively nuclear and active, even after removal of the hypertrophic stimulus.…