Dokument: Role of the Rab GTPase activating protein TBC1D4 in ischemia/reperfusion-induced myocardial injury

Titel:	Role of the Rab GTPase activating protein TBC1D4 in ischemia/reperfusion-induced myocardial injury
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=60744
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20221006-115352-7
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Binsch, Christian [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 13,41 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 29.09.2022 / geändert 29.09.2022
Beitragende:	Prof. Dr. Al-Hasani, Hadi [Gutachter] Prof. Dr. Feldbrügge, Michael [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Typ-2 Diabetes mellitus (T2DM) ist ein wesentlicher Risikofaktor für Entstehung und Verlauf von Herzerkrankungen. Patienten mit T2DM haben eine erhöhte Prävalenz für Myokardinfarkt (MI) sowie eine verminderte Überlebensrate. Die kardiale metabolische Flexibilität, d.h. der adäquate Wechsel zwischen Kohlenhydraten und Lipiden als Energiequelle, ist in T2DM gestört. Das Signalprotein TBC1D4/AS160 ist ein essentieller Regulator der Energiegewinnung durch Glukose und Fettsäuren in Skelettmuskel und Fettgewebe. Eine p.Arg684Ter Mutation von TBC1D4 ist für über 10% der T2DM-Fälle in grönländischen Inuit Populationen verantwortlich. Ziel dieser Studie ist die Entschlüsselung der Funktion von TBC1D4 auf den kardialen Substratmetabolismus und die Adaptation an Ischämie/Reperfusion (I/R) -vermittelte Schädigung des Myokards. Die Ergebnisse der vorliegenden Studie konnten TBC1D4 als essentiellen Mediator des kardialen Glukosestoffwechsels und der adäquaten Adaptation an I/R-vermittelten Myokardschaden identifizieren. Tbc1d4-defiziente C57BL/6J Mäuse zeigten keine Erhöhung der kardialen Glukoseaufnahme nach Insulinstimulation ex vivo und in vivo. Zugleich war der kardiale Gehalt des insulin-abhängigen Glukosetransporters GLUT4 vermindert, nicht aber der des Glukosetransporters GLUT1. Die TBC1D4 Defizienz führte weder zu Veränderungen in Bezug auf Funktion und Zahl der Mitochondrien, noch zu Änderungen des kardialen Lipidprofils. Drei Wochen nach I/R-Intervention zeigte sich durch Tbc1d4 Defizienz eine reduzierte Herzfunktion sowie eine deutlich vergrößerte Infarktfläche. Die Analyse des kardialen Transkriptoms identifizierte differentielle Genregulation durch knockout von Tbc1d4 bezüglich Signalwegen, welche mit der Stressantwort des endoplasmatischen Retikulums (ER) und des strukturellen Umbaus der kardialen extrazellulären Matrix (ECM) assoziiert sind. Weitere Analysen identifizierten spezifisch über den ATF4/eIF2α Signalweg vermittelte Störungen der kardialen ER-Stress Antwort, sowie verminderte Expression kardialer Matrix-Metalloproteasen (MMPs) und eine verminderte Ratio zu ihren Inhibitoren (TIMPs). Eine Tbc1d4-assozierte Störung der ECM Modellierung konnte unterstützend durch Morphometrie anhand von Transmissionselektronenmikroskopie eine Erhöhung der ECM Fläche in Tbc1d4-defizienten Herzen identifiziert werden. Zusammengefasst ist die gestörte kardiale Genesung nach I/R in Tbc1d4-defizienten Mäusen assoziiert mit i) Defekten in der metabolischen Flexibilität, ii) gestörter ER-Stressantwort und iii) veränderter Modellierung der kardialen ECM, welche mit geänderter Synthese und/oder Sekretion von Matrix-Metalloproteasen assoziiert sein könnte. Weiterführende Untersuchungen sollen ihren Fokus auf die molekulare Funktion von TBC1D4 in der ER-Stressantwort und Umbau der ECM legen. Die Bedeutsamkeit von TBC1D4 in der Humansituation, wie im Fall der grönländischen Inuit, macht TBC1D4 zu einem potentiellen Ziel therapeutischer Interventionen. Type 2 Diabetes mellitus (T2DM) represents a significant risk factor for the development and the course of cardiac diseases. Patients suffering from T2DM exhibit an increased prevalence for myocardial infarction (MI) and reduced survival rate. In T2DM, the cardiac metabolic flexibility, i.e. the switch between carbohydrates and lipids as energy source, is disturbed. The signaling protein TBC1D4/AS160 is a crucial regulator of glucose and fatty acid utilization for energy production in skeletal muscle and adipose tissue. Moreover, a TBC1D4 p.Arg684Ter loss-of-function variant defines a specific form of T2DM and accounts for more than 10% of T2DM in arctic populations. Therefore, the aim of this study was to elucidate the function of TBC1D4 in cardiac substrate metabolism and adaption under conditions of ischemia/reperfusion (I/R)-induced myocardial injury. The results of the present study identified TBC1D4 as a crucial mediator of cardiac glucose homeostasis and adequate adaptation towards ischemia/reperfusion injury-induced myocardial damage. Tbc1d4-deficient C57BL/6J mice showed no insulin-stimulated increase in glucose uptake in the heart ex vivo and in vivo, and exhibited a marked decrease of cardiac GLUT4 content while GLUT1 abundance remained unchanged. At the same time, mitochondrial function and number as well as cardiac lipid composition were not altered due to the loss of Tbc1d4. Three weeks following cardiac I/R-intervention, deficiency of Tbc1d4 led to reduced cardiac function along with a markedly increased infarction size. At the molecular level, cardiac transcriptome analysis of Tbc1d4-knockout hearts revealed distinct differential gene regulation in pathways regarding the unfolded protein response (UPR) and extracellular matrix (ECM) remodeling processes. Further biochemical analysis identified specific alterations of the cardiac unfolded protein response via the ATF4/eIF2α mediated pathway and decreased expression of cardiac matrix metalloproteinases (MMPs) as well as reduced ratios to their inhibitors (TIMPs). A Tbc1d4-associated impairment of ECM remodeling in the heart was further supported by morphometry using transmission electron microscopy (TEM) which demonstrated increased ECM area in hearts of Tbc1d4-deficient mice. Collectively, the impaired cardiac recovery after I/R in Tbc1d4-deficient mice is linked to i) defects in metabolic flexibility, ii) altered response to ER-stress through the UPR system, and iii) changes in remodeling of the cardiac ECM which may relate to altered synthesis and/or secretion of matrix proteases. Further studies will focus on the exact molecular pathways of TBC1D4 action on the unfolded protein response and ECM remodeling. The importance of TBC1D4 for glucose homeostasis in humans, as seen in Greenlandic Inuit, renders it as a potential target for therapeutically intervention.
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Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie
Dokument erstellt am:	06.10.2022
Dateien geändert am:	06.10.2022
Promotionsantrag am:	22.12.2020
Datum der Promotion:	04.11.2021