German Title: Hypertrophe Wachstumskontrolle durch Activating Transcription Factor 6 im neonatalen und adulten Herzen

Preview

PDF, English Download (72MB) | Terms of use

Abstract

The integrity of the proteome is essential for optimal cardiac function. Proteome integrity is maintained by the proteostasis network, which regulates cellular protein synthesis, folding, and degradation. An insufficient capacity of the proteostasis network results in the accumulation of toxic misfolded proteins, which impairs cellular function and can promote cell death. The integrity of the cardiac proteome is challenged during phases of stress, where cells augment the capacity of the proteostasis network to prevent protein misfolding. This is mediated by several adaptive mechanisms such as the induction of chaperones or the increased degradation of misfolded proteins. One essential element of the proteostasis network is the unfolded protein response, which maintains protein homeostasis of the endoplasmic reticulum. The canonical unfolded protein response is mediated by three sensors of protein misfolding, including activating transcription factor 6, which has been suggested to act as a nexus of adaptive responses that maintain cellular proteostasis. Importantly, previous studies reported a decline of the cellular proteostasis network and its ability to sufficiently respond to stress with age. Whether such a decline also occurs in the mammalian heart and if it leaves the heart vulnerable to protein misfolding in response to stress remains unknown. This study investigates how the expression and activity of the unfolded protein response in the heart changes with age. It further examines how a deficiency of the activating transcription factor 6 pathway impacts the activation of the unfolded protein response and cardiac function in response to chronic adrenergic stimulation, a common risk factor for cardiac dysfunction that promotes the development of cardiac hypertrophy through the stimulation of protein synthesis. This study found that the expression of the unfolded protein response decreases in adult mice, especially in postmitotic tissues. An in-depth analysis of the unfolded protein response in the heart and isolated cardiomyocytes revealed that this is accompanied by an impaired responsiveness to proteotoxic stress, resulting in decreased viability of adult cardiomyocytes in comparison to neonatal cardiomyocytes, which might be at least partly mediated by a decreased activity of the activating transcription factor 6 pathway. Further experiments revealed that hypertrophic cell growth causes the activation of the unfolded protein response in adult but not neonatal cardiomyocytes, eventually due to endoplasmic reticulum stress caused by increased protein synthesis in adult cells in which the baseline expression of proteostasis elements is low. The activity of activating transcription factor 6 was then shown to be essential for hypertrophic growth of cardiomyocytes. Importantly, a deficiency for activating transcription factor 6 resulted in an impaired unfolded protein response and reduced hypertrophic growth and cardiac dysfunction in mouse hearts in response to pressure overload and chronic adrenergic stimulation. Taken together, this study suggests that the induction of activating transcription factor 6 and its gene program protects against cardiac dysfunction in response to stimuli that promote hypertrophic growth in the adult heart. While not fully examined, it also suggests that the decreased capacity of the unfolded protein response in the adult heart makes it more susceptible to proteotoxic stress induced by adult cardiac hypertrophic growth.

Translation of abstract (German)

Die Integrität des Proteoms ist essentiell für eine optimale kardiale Funktion. Diese wird durch das Proteostase-Netzwerk gewahrt, welches Proteinsynthese, -faltung und -abbau reguliert. Eine unzureichende Kapazität des Proteostase-Netzwerks führt zu einer Ansammlung von schädlichen fehlgefalteten Proteinen, welche die zelluläre Funktion einschränken und zum Zelltod führen können. Die Integrität des kardialen Proteoms wird durch zellulären Stress beeinträchtigt. Um Proteinfehlfaltungen zu vermeiden reagieren kardiale Zellen hierauf mit einer Steigerung der Kapazität ihres Proteostase-Netzwerks. Dies wird durch verschiedene adaptive Mechanismen, wie die Induktion von Chaperonen, oder den vermehrten Abbau von fehlgefalteten Proteinen vermittelt. Ein essentielles Element des Proteostase-Netzwerks ist hierbei der „Unfolded Protein Response“, welcher die Proteostase im endoplasmatischen Retikulum reguliert. Der Unfolded Protein Response wird durch mindestens drei, sich teilweise überlappende, Signalwege reguliert, welche durch Sensoren für Proteinfehlfaltung vermittelt werden. Hierzu zählt „Activating Transcription Factor 6“, welcher als ein Nexus für adaptive und Proteostase wahrende Mechanismen wirkt. Vorherige Studien konnten eine Verminderung des Proteostase-Netzwerks und seiner Fähigkeit hinreichend auf Stress zu reagieren mit steigendem Alter nachweisen. Ob eine derartige Abnahme auch im Herzen von Säugetieren auftritt und ob es dieses anfällig gegenüber Proteinfehlfaltung während kardialem Stress macht, ist weitestgehend unbekannt. Diese Studie untersucht, wie sich die Expression und Aktivität des Unfolded Protein Response im Herzen mit zunehmendem Alter ändert. Weiterhin untersucht sie, wie sich ein Mangel des Activating Transcription Factor 6 auf die kardiale Funktion in Reaktion auf chronische adrenerge Stimulation auswirkt, einem kardialen Risikofaktor, welcher die Entwicklung einer kardialen Hypertrophie durch Steigerung der Proteinsynthese fördert. Die vorliegende Studie zeigt, dass sich die Expression des Unfolded Protein Response in erwachsenen Mäusen im Vergleich zu Neonaten vor allem in postmitotischen Geweben ausgeprägt reduziert. Eine ausführliche Analyse des Unfolded Protein Response im Herzen und isolierten Kardiomyozyten zeigte, dass dies von einer verminderten Reaktion auf proteotoxischen Stress begleitet wird, was zu einem vermindertem Zellüberleben von adulten Kardiomyozyten im Vergleich zu neonatalen Kardiomyozyten führt. Weiterführende Experimente zeigten, dass hypertrophes Zellwachstum zu einer Aktivierung des Unfolded Protein Response in adulten, jedoch nicht neonatalen Kardiomyozyten führt. Dies wird möglicherweise durch „Endoplasmic Reticulum Stress“ in adulten Kardiomyozyten, in denen die basale Expression von Proteostase Elementen gering ist, als Reaktion auf die gesteigerte Proteinsynthese vermittelt. Es wurde weiterhin gezeigt, dass die Aktivität des Activating Transcription Factor 6 essentiell für funktionelles hypertrophes Wachstum von Kardiomyozyten ist. Ein Defizit für Activating Transcription Factor 6 führt hierbei zu einem eingeschränkten Unfolded Protein Response, reduziertes hypertrophes Wachstum und kardiale Dysfunktion in Maus Herzen in Reaktion auf chronische adrenerge Stimulation. Zusammengefasst deuten die Ergebnisse dieser Studie darauf hin, dass in adulten Herzen das Protein Activating Transcription Factor 6 und sein vermitteltes Genprogramm gegen kardiale Dysfunktion in Reaktion auf Stimuli, welche hypertrophes Wachstum fördern, schützt. Auch wenn nicht vollständig untersucht, deuten die Ergebnisse dieser Studie ebenfalls an, dass die verminderte Kapazität des Unfolded Protein Response in erwachsenen Herzen diese anfälliger gegenüber proteotoxischem Stress macht, der durch adulte kardiale Hypertrophie verursacht wird.