RKIP ist ein Kinaseregulator, der unter anderem Raf und GRK-2 kontrolliert. Im Herzen inhibiert RKIP die GRK-2 und verstärkt daher die beta-adrenerge Signalweiterleitung. Eine Überexpression von RKIP im murinen Herzen führt zu einer Steigerung der kardialen Kontraktilität, die gut toleriert wird. Aufgrund einer ausgewogenen Aktivierung der beta1- und beta2-Adrenorezeptoren (beta-AR) hat der positiv inotrope Effekt -unerwarteterweise- keine schädlichen Auswirkungen auf das Herzgewebe. Der beobachtete Phänotyp weist auf einen erhöhten Energiebedarf hin. Da dies möglicherweise einen Effekt von RKIP auf Mitochondrien beinhaltet, war das Ziel dieses Projekts die Aufklärung einer möglichen Achse aus RKIP, betaAR und Mitochondrien. Elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigten einen Effekt von RKIP auf die mitochondriale Morphologie. Die Mitochondrien in wildtypischen (Wt) Mausherzen reihten sich entlang der Myofilamente auf. In Mäusen mit einer Herz-spezifischen Überexpression von RKIP (RKIP-tg) war ein größerer Anteil des Herzgewebes mit Mitochondrien bedeckt, hervorgerufen durch eine erhöhte Anzahl an Mitochondrien im Vergleich zu Wt. Trotzdem ist die hochgeordnete Struktur von Mitochondrien und Myofilamenten nicht gestört. Die Mitochondrien bilden sogar mehrschichtige Reihen zwischen den Myofilamenten aus. Im Gegensatz dazu sind Mitochondrien aus RKIP-knockout Tieren (RKIP-KO) kleiner und ihre Konnektivität, die die geordnete Struktur ausprägt, geht verloren. Die Veränderungen der mitochondrialen Morphologie gehen einher mit Anomalitäten im Expressionsniveau von Proteinen der mitochondrialen Teilung und Fusion. Mitochondrien sind sehr dynamische Organellen, die permanenten Teilungs- und Fusionsprozessen unterliegen, die von einem Set aus GTPasen ausgeführt werden. Die Expression von DRP-1, einem Protein der mitochondrialen Teilung, ist in RKIP-KO Mausherzen hochreguliert im Vergleich zu Wt und RKIP-tg. Das könnte die reduzierte Größe von Mitochondrien in RKIP-KO Herzen erklären. Im Gegensatz dazu ist Mfn-1, ein Protein der mitochondrialen Fusionsmaschinerie, zwischen den Genotypen nicht verändert. Das passt gut zu der Beobachtung, dass RKIP nicht zu einer Vergrößerung von individuellen Mitochondrien führt. Trotzdem ist Mfn-2, ein Protein das zur Verknüpfung von Mitochondrien und von Mitochondrien mit anderen Organellen beiträgt, in RKIP-tg Mausherzen verglichen mit Wt und RKIP-KO hochreguliert. Das könnte zu der Ausbildung eines Netzwerkes zwischen der erhöhten Anzahl an Mitochondrien beitragen. Um zu überprüfen, ob die morphologischen Veränderungen auf funktionaler Ebene gespiegelt werden, wurden Sauerstoffverbrauchsmessungen durchgeführt. Tatsächlich zeigten Mitochondrien, die aus RKIP-KO Herzen gewonnen wurden, eine erniedrigte ADP-stimulierte Atmung verglichen mit Wt Mitochondrien. Bezieht man die Hyperpolarisation der inneren Mitochondrienmembran, die in isolierten Kardiomyozyten beobachtet wurde, mit ein, könnte das auf einen Defekt in der ATP-Synthese zurückzuführen sein. Im Einklang damit ist das Expressionsniveau von ATP5a, einem Protein, das am Aufbau der ATP-Synthase beteiligt ist, in isolierten Mitochondrien aus RKIP-KO Mausherzen reduziert. Das deutet auf eine essentielle Funktion von RKIP bei der mitochondrialen Funktion hin. Im Gegensatz dazu war die mitochondriale Funktion in RKIP-überexprimierenden Herzen normal. Der Sauerstoffverbrauch und das mitochondriale Membranpotential waren nicht von Wt zu unterscheiden. Jedoch steigerte eine RKIP-Überexpression das Expressionsniveau von Proteinen der Atmungskette. Dies führte uns zu der Hypothese, dass RKIP kardiale Mitochondrien schützt. Um dies zu testen, wurden Ischämie/Reperfusionsbedingungen in isolierten Kardiomyozyten simuliert, indem ein Puffer zugesetzt wurde, der die metabolischen Veränderungen während einer Ischämie imitiert. Während das mitochondriale Membranpotential in Wt Kardiomyozyten kollabiert, wenn der Ischämiepuffer zugegeben wird, waren RKIP-tg Kardiomyozyten vor diesem schädlichen Effekt geschützt. Das deutet einen RKIP-vermittelten Schutz der kardialen Mitochondrien unter ischämischen Bedingungen an. Da RKIP im Herzen als GRK-2-Inhibitor fungiert, wollten wir als nächstes die Beteiligung der betaAR am RKIP-vermittelten Effekt auf Mitochondrien untersuchen. Daher wurden die RKIP-induzierten Veränderungen der Proteinexpression in Abwesenheit von beta1AR oder beta2AR analysiert. Interessanterweise hebt der Verlust des beta2AR den RKIP-vermittelten Anstieg der Mfn-2 Expression und der Proteine der Atmungskette komplett auf, während ein beta1-KO keinen Effekt hat. Um die Rolle des beta2AR als Mitochondrien-protektiven Rezeptor weiter zu beleuchten, wiederholten wir die Experimente, bei denen adulte Kardiomyozyten mit Ischämiepuffer behandelt wurden. In Abwesenheit des beta2AR verlor RKIP seinen schützenden Effekt auf kardiale Mitochondrien. Zusammengenommen weist das darauf hin, dass RKIP einen Effekt auf morphologischer und funktionaler Ebene sowie auf Proteinebene auf Mitochondrien ausübt. Die erhöhte Anzahl an funktionalen Mitochondrien könnte dabei helfen, die zusätzliche Energie bereitzustellen, die für eine langfristige Erhöhung der kardialen Kontraktilität benötigt wird. Da wir beobachtet haben, dass RKIP Mitochondrien beeinflussen könnte, war die nächste Überlegung, die Rolle von Mitochondrien im Kontext von genetischen Formen der Kardiomyopathie zu untersuchen. Die PLNR9C Mutation verursacht eine schnell fortschreitende Form der dilatativen Kardiomyopathie. In einem Mausmodell verlängerte die gleichzeitige Überexpression von RKIP das Überleben und stellte die Herzfunktion in PLNR9C Mäusen wieder her. Zunächst beobachten wir einen reduzierten Sauerstoffverbrauch in kardialen Mitochondrien aus PLNR9C Mäusen. Nimmt man die Depolarisation des mitochondrialen Membranpotentials dazu, scheint die mitochondriale Fehlfunktion auf einem Defekt der Substratoxidation zu beruhen. Eine gleichzeitige Überexpression von RKIP normalisierte den mitochondrialen Phänotyp der PLNR9C Mäuse fast vollständig. Das legt nahe, dass Mitochondrien nicht nur Teil der PLNR9C-induzierten Kardiomyopathie sind, sondern auch des RKIP-abhängigen Schutzes. Da Mitochondrien in einer Vielzahl von kardialen Situationen eine zentrale Rolle einnehmen, war das nächste Ziel die mitochondriale Gesundheit als Parameter für die Testung von Substanztoxizität zu etablieren. Die Messung des mitochondrialen Membranpotentials wurde angewandt, um eine kleine Bibliothek von MEK-Inhibitoren auf ihre mitochondriale Toxizität zu testen. Die bekannten Nebenwirkungen der MEK-Inhibitoren auf Kardiomyozyten und die Rolle der ERK-Aktivierung bei der Apoptose veranlasste uns dazu. Tatsächlich brach das mitochondriale Membranpotential nach Behandlung mit MEK-Inhibitoren ein und verringerte sich unter oxidativem Stress noch weiter. Im Gegensatz dazu führte eine neue Interventionsstrategie für die Raf/MEK/ERK-Kaskade, die spezifisch mit der nukleären Akkumulation von ERK interferiert, die zytosolische ERK-Aktivität aber erhält, nicht zu einer Depolarisation des mitochondrialen Membranpotentials und schützte die Kardiomyozyten sogar unter Wasserstoffperoxidbehandlung. Zusammen genommen betont das Projekt die immens wichtige Rolle von Mitochondrien für neue Strategien zur Kontraktionskraftsteigerung, in pathologischen Situationen, wie Kardiomyopathien, und deren Interventionsstrategien und sogar für das Sicherheitsprofil von neuen therapeutischen Substanzen.

The purpose of the “Micronuclei and Disease” special issue (SI) is to: (i) Determine the level of evidence for association of micronuclei (MN), a biomarker of numerical and structural chromosomal aberrations, with risk of specific diseases in humans; (ii) Define plausible mechanisms that explain association of MN with each disease; (iii) Identify knowledge gaps and research needed to translate MN assays into clinical practice. The “MN and Disease” SI includes 14 papers. The first is a review of mechanisms of MN formation and their consequences in humans. 11 papers are systematic reviews and/or meta-analyses of the association of MN with reproduction, child health, inflammation, auto-immune disease, glycation, metabolic diseases, chronic kidney disease, cardiovascular disease, eleven common cancers, ageing and frailty. The penultimate paper focuses on effect of interventions on MN frequency in the elderly. A road map for translation of MN data into clinical practice is the topic of the final paper. The majority of reviewed studies were case-control studies in which the ratio of mean MN frequency in disease cases relative to controls, i.e. the mean ratio (MR), was calculated. The mean of these MR values, estimated by meta-analyses, for lymphocyte and buccal cell MN in non-cancer diseases were 2.3 and 3.6 respectively, and for cancers they were 1.7 and 2.6 respectively. The highest MR values were observed in studies of cancer cases in which MN were measured in the same tissue as the tumour (MR = 4.9–10.8). This special issue is an important milestone in the evidence supporting MN as a reliable genomic biomarker of developmental and degenerative disease risk. These advances, together with results from prospective cohort studies, are helping to identify diseases in which MN assays can be practically employed in the clinical setting to better identify high risk patients and to prioritise them for preventive therapy.

Adipositas wurde mit erhöhtem oxidativem DNA-Schaden und verminderter DNA- Reparatur in Verbindung gebracht. Die Auswirkungen bariatrischer Chirurgie auf oxidativen DNA-Schaden sind bis heute nicht vollständig verstanden. Ziel dieser Arbeit war es, diese Fragestellung weiter zu erörtern. Die Ergebnisse zeigen eine signifikante BMI-Reduktion nach bariatrischer Operation. Unterschiedliche Operationsmethoden führten zu leicht unterschiedlichen Ergebnissen, wobei der RYGB zu einer etwas stärkeren Gewichtsreduktion führte als die SG. Eine Reduktion des DNA-Schadens wurde ebenfalls beobachtet und steht im Einklang mit früheren Ergebnissen. Der genaue Mechanismus für die Abnahme des DNA-Schadens ist nicht vollständig verstanden. Neben dem Gewichtsverlust treten komplexe metabolische Veränderungen auf, die möglicherweise eine Rolle spielen. Bei der vergleichenden Untersuchung von PBMCs vor und ein Jahr nach Operation konnte keine Verbesserung des oxidativen Status der Patienten gezeigt werden. Es wurde jedoch eine Reduktion des oxidativen Stresses nach der Operation in anderen Studien beobachtet, wobei die Datenlage sehr inkohärent ist. Des Weiteren wurde der Einfluss von Adipositas auf oxidativen DNA-Schaden in Plazentazellen untersucht. Bei adipösen Müttern wurde ein erhöhter basaler DNA- Schaden festgestellt, jedoch zeigten diese keine signifikanten Unterschiede der oxidativen DNA-Schäden im Vergleich zur Kontrollgruppe. Außerdem wurden die Reparaturaktivitäten der NER und BER in PBMCs adipöser Patienten und normalgewichtiger Kontrollen verglichen. Obwohl die PBMCs der Kontrollgruppe eine höhere Reparaturaktivität aufwiesen, war der Unterschied nicht signifikant. Weitere Untersuchungen deuten darauf hin, dass die DNA- Reparaturkapazität bei adipösen Personen verringert ist. Darüber hinaus wurden Möglichkeiten gesucht, Reparaturaktivität in kryokonservierten PBMCs nachzuweisen. Weder die Stimulation durch PHA noch die Zugabe von ATP oder längere Inkubationszeiten zur Regeneration führten zu einer nachweisbaren Reparaturaktivität. Die Herstellung von Proteinextrakten aus gefrorenen Zellen erwies sich als vielversprechende Alternative, um spezifische Reparaturwege zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass Adipositas mit erhöhtem DNA-Schaden und oxidativem Stress assoziiert ist, eine Gewichtsabnahme nach bariatrischer Operation jedoch nicht zu der erwarteten Abnahme des oxidativen Stresses führte. Weitere Forschung ist notwendig, um die Hintergründe dieser Assoziation genauer zu verstehen.

An interplay between Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase IIδc (CaMKIIδc) and late Na+ current (INaL) is known to induce arrhythmias in the failing heart. Here, we elucidate the role of the sodium channel isoform NaV1.8 for CaMKIIδc-dependent proarrhythmia. In a CRISPR-Cas9-generated human iPSC-cardiomyocyte homozygous knock-out of NaV1.8, we demonstrate that NaV1.8 contributes to INaL formation. In addition, we reveal a direct interaction between NaV1.8 and CaMKIIδc in cardiomyocytes isolated from patients with heart failure (HF). Using specific blockers of NaV1.8 and CaMKIIδc, we show that NaV1.8-driven INaL is CaMKIIδc-dependent and that NaV1.8-inhibtion reduces diastolic SR-Ca2+ leak in human failing cardiomyocytes. Moreover, increased mortality of CaMKIIδc-overexpressing HF mice is reduced when a NaV1.8 knock-out is introduced. Cellular and in vivo experiments reveal reduced ventricular arrhythmias without changes in HF progression. Our work therefore identifies a proarrhythmic CaMKIIδc downstream target which may constitute a prognostic and antiarrhythmic strategy.

Parkinson’s disease (PD) is a neurodegenerative disorder characterized by progressive loss of dopaminergic neurons in the substantia nigra of the human brain, leading to depletion of dopamine production. Dopamine replacement therapy remains the mainstay for attenuation of PD symptoms. Nonetheless, the potential benefit of current pharmacotherapies is mostly limited by adverse side effects, such as drug-induced dyskinesia, motor fluctuations and psychosis. Non-dopaminergic receptors, such as human A2A adenosine receptors, have emerged as important therapeutic targets in potentiating therapeutic effects and reducing the unwanted side effects. In this study, new chemical entities targeting both human A2A adenosine receptor and dopamine D2 receptor were designed and evaluated. Two computational methods, namely support vector machine (SVM) models and Tanimoto similarity-based clustering analysis, were integrated for the identification of compounds containing indole-piperazine-pyrimidine (IPP) scaffold. Subsequent synthesis and testing resulted in compounds 5 and 6, which acted as human A2A adenosine receptor binders in the radioligand competition assay (Ki = 8.7–11.2 μM) as well as human dopamine D2 receptor binders in the artificial cell membrane assay (EC50 = 22.5–40.2 μM). Moreover, compound 5 showed improvement in movement and mitigation of the loss of dopaminergic neurons in Drosophila models of PD. Furthermore, in vitro toxicity studies on compounds 5 and 6 did not reveal any mutagenicity (up to 100 μM), hepatotoxicity (up to 30 μM) or cardiotoxicity (up to 30 μM).