Dokument: p38 MAPKα is a key regulator of cardiac metabolism

Titel:	p38 MAPKα is a key regulator of cardiac metabolism
Weiterer Titel:	p38 MAPKα ist ein Schlüsselfaktor des kardialen Metabolismus
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=54219
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20200917-105815-5
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Kalfhues, Lisa [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 4,56 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 16.09.2020 / geändert 16.09.2020
Beitragende:	Prof. Dr. Gödecke Axel [Gutachter] Prof. Dr. Ahmadian, Reza [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	The heart utilizes different substrates to maintain a high rate of ATP production to ensure a sufficient cardiac performance, even when nutrient supply changes. Throughout the progression of heart failure (HF), the ability for the heart to switch substrate preference may be impaired even before overt cardiac dysfunction. This loss of metabolic flexibility and insulin sensitivity may even promote HF. The stress-activated p38 mitogen-activated protein kinase α (MAPKα) is known to be implicated in a variety of cardiac pathologies including HF by promoting metabolic remodeling. To elucidate the underlying mechanisms contributing to the establishment of cardiac failure, the influence of p38 MAPKα on cardiac metabolism during the early phase of HF development was investigated. In this study a mouse model with a cardiomyocyte specific, tamoxifen inducible p38 MAPKα deletion (iCMp38 MAPKα KO) was used. Substrate utilization measured by NMR spectroscopy with 13C-labeled substrates showed that iCMp38 MAPKα KO hearts failed to upregulate glucose utilization after insulin stimulation. This cardiac insulin resistance in iCMp38 MAPKα KO hearts was associated with a decreased Glut4 protein amount (approx. by 50%) and translocation to the plasma membrane after insulin stimulation (approx. by 50%), without compromising phosphorylation levels of other proteins mediating intracellular insulin signal transduction (incl. Akt isoforms, AS160, Pras40, and Gsk3-β). To induce pressure overload, these mice were exposed to angiotensin II (AngII) by implanting osmotic mini pumps (1.5 mg/kg/d). Heart failure was rapidly induced 48 hours after the onset of AngII treatment. This was confirmed by echocardiography, which revealed a strong left ventricular dilation and a severely impaired cardiac function in iCMp38 MAPKα KO AngII hearts (ejection fraction [%]: KO 18 ±8.9, Ctrl 45.7 ±11.4). The importance of p38 MAPKα signaling was shown by increased p38 MAPKαT180/Y182 phosphorylation in Ctrl AngII hearts (by 1.5 ±0.2-fold). Additionally, fatty acid (FA) metabolism alterations were shown by cardiac lipid accumulation and significantly reduced expression levels of the key regulator of FA metabolism, Pgc1-α (0.19 ±0.03-fold) and its cofactor PPARγ (0.45 ±0.26-fold) in iCMp38 MAPKα KO AngII hearts. Surprisingly, AngII treatment also led to increased plasma insulin levels in iCMp38 MAPKα KO mice which enhanced cardiac AktS473 phosphorylation in cardiomyocytes. Activation of Akt in turn reduced activating AMPKαT172 and increased inhibitory AMPKαS485 phosphorylation, shifting AMPKα to the inactive form. This might contribute to a reduced energy supply in pressure overloaded iCMp38 MAPKα KO hearts. Furthermore, insulin mediated AMPKα inhibition was not found in cardiomyocyte specific Akt KO hearts, underlining the importance of Akt in AMPKα inhibition. Additionally, the alteration in plasma insulin levels suggests a crosstalk between the stressed heart and the pancreas. Although transcriptional insulin expression in isolated pancreatic islets did not differ between control and iCMp38 MAPKα KO mice, a lower insulin protein amount was found in beta-cells from iCMp38 MAPKα KO animals. The reason for this might be a potential increase in insulin secretion leading to the detected hyperinsulinemia. In conclusion, iCMp38 MAPKα KO mice developed cardiac insulin resistance and an extensive metabolic depression which potentially contributed to the progression of HF. Additionally, iCMp38 MAPKα KO mice were hyperinsulinemic, suggesting a potential interorgan communication between the failing heart and the pancreas. Thus, this study demonstrates for first time that p38 MAPKα signaling is a key regulator in the adaption of cardiac metabolism to elevated workload. Moreover, this mouse model presents a valuable tool to investigate diabetic cardiomyopathy contributing to cardiac failure. Das Herz verwendet verschiedenste Substrate, um eine ausreichend hohe ATP Produktion zu garantieren. Dadurch kann die kardiale Leistung auch im Falle von sich ändernden Substratverfügbarkeiten zu jedem Zeitpunkt gewährleistet werden. Die Fähigkeit des Herzens seine Substratpräferenzen anzupassen ist bei der Entstehung einer Herzinsuffizienz möglicherweise schon vor Beginn einer kardialen Dysfunktion eingeschränkt. Der Verlust dieser metabolischen Flexibilität sowie eine Insulinresistenz fördern dabei möglicherweise sogar das Voranschreiten der Insuffizienz. Um die molekularen Mechanismen dieser metabolischen Veränderungen zu verstehen, wurde in dieser Arbeit der Einfluss der p38 MAPKα (engl. p38 mitogen-activated protein kinase α) auf den kardialen Stoffwechsel in der frühen Phase der Herzinsuffizienzentwicklung untersucht. Für diese Untersuchungen wurde ein Mausmodel verwendet, welches eine durch Tamoxifen-induzierbare Deletion der p38 MAPKα (engl. inducible cardiomyocyte (iCM)p38 MAPKα KO), spezifisch in Kardiomyozyten besitzt. Erste NMR-Spektroskopiemessungen mit 13C-markierten Substraten zeigten, dass iCMp38 MAPKα KO-Herzen nicht in der Lage sind, die Glukoseverwertung nach Insulinstimulation zu steigern. Es konnte gezeigt werden, dass diese kardiale Insulinresistenz in iCMp38 MAPKα KO-Herzen aus einer reduzierten Glut4-Menge (um ca. 50%) und zusätzlich aus einer reduzierte Glut4-Tanslokation zur Plasmamembran (um ca. 50%) nach Insulinstimulation resultiert. Die insulininduzierte intrazelluläre Signaltransduktion durch eine Phosphorylierungskaskade (von Akt Isoformen, AS160, Pras40 und Gsk3-β) war dabei nicht beeinträchtigt. Mittels AngiotesinII (AngII) Applikation über implantierte osmotische Minipumpen (1,5 mg/kg/d) wurde eine Steigerung der Druckbelastung für das Herz induziert. Bereits 48 Stunden nach Implantation konnte eine massiv eingeschränkte kardiale Kontraktilität mittels Echokardiographie festgestellt werden. Dabei zeigte sich neben einer starken linksventrikulären Dilatation auch eine schwerwiegend eingeschränkte Herzfunktion in iCMp38 MAPKα KO AngII-Herzen (Ejektionsfraktion [%]: KO 18 ±8.9, Ktrl 45.7 ±11.4). Die p38 MAPKα selbst zeigte in Kontrollherzen eine signifikant erhöhte p38 MAPKαT180/Y182 Phosphorylierung nach AngII Exposition, was auf eine wichtige Funktion dieses Signalwegs schließen lässt. Zusätzlich wurden massive kardiale Fetteinlagerungen und deutlich reduzierte Expressionslevel von wichtigen Faktoren des Fettsäureabbaus (Pgc1-α (auf das 0,19 ±0,03-fache ) und dessen Kofaktor PPARγ (auf das 0,45-fache ±0,26-fache ) festgestellt. Beides lässt auf Veränderungen im Fettmetabolismus in iCMp38 MAPKα KO AngII-Herzen schließen Die Behandlung mit AngII führte außerdem zu erhöhten Insulinspiegeln im Plasma von iCMp38 MAPKα KO-Mäusen, was auf eine Interorgankommunikation zwischen dem versagenden Herzen und dem Pankreas schließen lässt. Zwar zeigte die Transkriptexpression von Insulin keine Veränderung, allerdings konnte eine Reduzierung der Insulinmenge in beta-Zellen gezeigt werden. Das deutet auf einen möglichen Einfluss auf die Insulinsekretion hin, allerdings sind hier weitere Untersuchungen notwendig. In iCMp38 MAPKα KO-Herzen führten die erhöhten Insulinspiegel zu einer erhöhten AktS473-Phosphorylierung, was wiederum in einer reduzierten AMPKα Aktivität resultierte. Dadurch wird möglicherweise die bereits eingeschränkte Energieversorgung im drucküberlasteten Herzen zusätzlich beeinträchtigt. In Kardiomyozyten-spezifischen Akt KO-Herzen konnte diese insulinvermittelte AMPKα-Hemmung nicht beobachtet werden, was die Wirkung von Akt auf die AMPKα-Inhibierung unterstreicht. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass iCMp38 MAPKα KO-Mäuse eine Hyperinsulinämie, kardiale Insulinresistenz und eine ausgeprägte metabolische Depression entwickeln, was die Entstehung der Herzinsuffizienz begünstigt. Die Arbeit zeigt somit erstmalig, dass die p38 MAPKα einen essentiellen Regulator bei der Anpassung des kardialen Metabolismus an erhöhte Arbeitsbelastung darstellt. Zudem stellen iCMp38 MAPKα KO-Mäuse ein vielversprechendes Modell dar, um die diabetische Kardiomyopathie zu untersuchen, die zum kardialen Versagen beiträgt.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	17.09.2020
Dateien geändert am:	17.09.2020
Promotionsantrag am:	09.07.2020
Datum der Promotion:	08.09.2020