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Abstract

Despite advancement of therapeutic strategies, myocardial infarction (MI) and subsequent heart failure are still the leading causes of death and disability worldwide. Development of new therapeutic approaches is hampered by insufficient knowledge of the cellular and molecular mechanisms underlying myocardial repair. S100A1 is a Ca2+ governing protein in cardiomyocytes. When released upon MI, S100A1 targets neighboring cardiac fibroblasts and is thereby essential for preserving the left ventricular function. The aim of this study was to systematically assess the phenotype of cardiac fibroblasts in response to extracellular S100A1 by comprehensive gene expression and protein profile analysis. In order to mimic the ischemic myocardium, adult rat cardiac fibroblasts were exposed to extracellular S100A1. Using RNA microarray technology, a time-resolved transcriptome analysis revealed a rapid activation of gene sets involved in chemoattractance alongside downregulation of pro-fibrotic genes. Since the dominant functional changes comprised secreted proteins, a complete secretome analysis of the cardiac fibroblast supernatant was performed by mass spectrometry. On protein level, enrichment analysis highlighted chemotaxis, chemokine receptor binding, and chemokine activity as the predominantly increased categories upon exposure to S100A1. Chemoattractants formed the most abundantly secreted group of proteins in S100A1-treated cardiac fibroblasts, with CCL2 showing the highest quantity. A prominent early-onset increase of CCL2 expression and secretion in response to S100A1 was confirmed by qPCR and ELISA. S100A1-induced CCL2 expression increase was abolished by chemical inhibition and siRNA knockdown of TLR4. This study demonstrates for the first time a rapid transformation of cardiac fibroblasts into a chemoattractant phenotype upon exposure to S100A1 from damaged cardiomyocytes. These results suggest a novel role for cardiac fibroblasts as the initial link between ischemic injury and the influx of inflammatory cells in the process of myocardial repair.

Translation of abstract (German)

Trotz moderner Therapiemöglichkeiten stellen Myokardinfarkt und nachfolgende Herzinsuffizienz weltweit noch immer die häufigsten Ursachen von Tod und Invalidität dar. Die Entwicklung neuer Therapieansätze verlangt eine Entschlüsselung der zellulären und molekularen Mechanismen, die der Infarktheilung zugrunde liegen. S100A1 ist ein zentraler Regulator des Ca2+ Stoffwechsels in Kardiomyozyten. Bei Myokardinfarkt freigesetztes S100A1 verändert benachbarte kardiale Fibroblasten und ist dadurch wesentlich am Erhalt der linksventrikulären Pumpfunktion beteiligt. Ziel der vorliegenden Studie war die systematische Charakterisierung des S100A1-induzierten Phänotyps kardialer Fibroblasten mittels vollständiger Analyse von Genexpressions- und Proteinprofil. Um die Situation im ischämischen Myokard zu imitieren, wurden aus adulten Rattenherzen isolierte kardiale Fibroblasten mit extrazellulärem S100A1 stimuliert. Eine serielle Transkriptom-Analyse mittels RNA Microarray zeigte eine schnelle Aktivierung von Genen, die mit der Freisetzung von Chemokinen in Verbindung stehen. Gleichzeitig war eine verminderte Expression von pro-fibrotischen Faktoren zu beobachten. Da die beobachteten Veränderungen im Genexpressionsmuster überwiegend sezernierte Proteine betrafen, wurde eine Sekretom-Analyse des Überstands kardialer Fibroblasten mittels Massenspektrometrie durchgeführt. Auf Proteinebene wurden mittels Enrichment Analysis "chemotaxis", "chemokine receptor binding" und "chemokine activity" als die bestimmenden Merkmale von S100A1-stimulierten kardialen Fibroblasten charakterisiert. Unter den sezernierten Proteinen stellten Chemokine hierbei die quantitativ größte Gruppe dar, wobei CCL2 die höchste Abundanz aufwies. Eine frühe und deutliche Überexpression und Sekretion von CCL2 als Reaktion auf S100A1 wurde durch qPCR und ELISA bestätigt. Die S100A1-induzierte CCL2 Produktion kardialer Fibroblasten konnte durch chemische Inhibition und siRNA Knockdown von TLR4 gehemmt werden. Diese Studie zeigt erstmals eine rasche Transformation kardialer Fibroblasten in einen chemotaktischen Phänotyp nach Stimulation durch S100A1 aus geschädigten Kardiomyozyten. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass kardialen Fibroblasten beim Myokardinfarkt eine neue Funktion als initiale Verknüpfung zwischen ischämischer Schädigung und Immunzellinfiltration zukommen könnte.