APVV-15-0302

Cytoarchitektúra vápnikovej signalizácie srdcových myocytov vo vývoji hypertrofie myokardu (CAMYS)

Vedúci projektu: Alexandra Zahradníková

Trvanie: júl 2016 – jún 2019
Koordinujúca organizácia: Ústav molekulárnej fyziológie a genetiky SAV, Bratislava (2016-2017), Ústav experimentálnej endokrinológie BMC SAV, Bratislava (2018-2019)

Anotácia:

V raných fázach vývoja mnohých kardiovaskulárnych ochorení dochádza k oslabeniu vápnikovej signalizácie a k aktivácii hypertrofie kardiomyocytov. Vápniková signalizácia okrem riadenia kontraktilnej funkcie moduluje množstvo signalizačných dráh a metabolizmus myocytov. Preto jej narušenie, či už počas systoly alebo diastoly, môže byť nielen dôsledkom, ale aj príčinou maladaptačnej reakcie myocytov na preťaženie. Predpokladáme, že procesy spojené s hypertrofiou vedú k zmenám v distribúcii zložiek systému endo/sarkoplazmatického retikula zabezpečujúcich tvorbu a šírenie vápnikových signálov a s nimi súvisiacu zmenu expresie a distribúcie proteínov. Cieľom projektu je zistiť rozdiely v systéme vápnikovej signalizácie kardiomyocytov myokardu adaptujúceho sa na patologickú a fyziologickú záťaž a porovnať ich s vývojom systému vápnikovej signalizácie kardiomyocytov počas postnatálneho rozvoja myokardu. Stav systému vápnikovej signalizácie budeme analyzovať v modeloch záťaže myokardu laboratórneho potkana: a/ sedentárny model – štandardný klietkový chov, b/ model fyziologickej záťaže – chov v klietkach s behacím kolesom, c/ model tlakového zaťaženia – operačná obštrukcia vzostupnej aorty, a d/ rastový model hypertrofie – postnatálny vývoj myokardu. Použijeme moderné metódy elektrofyziológie, molekulárnej biológie a ultraštruktúrnej mikroskopie pre charakterizáciu kvality a distribúcie vápnikových signálov, rozsahu a distribúcie hladkého a ribozomálneho endoplazmatického retikula, a expresie, lokalizácie a kolokalizácie proteínov vápnikovej signalizácie. Očakávame, že multidisciplinárny prístup podložený expertízou kolektívu riešiteľov nám umožní interpretovať bunkové a molekulové mechanizmy vápnikovej signalizácie a vyvodiť závery relevantné pre pochopenie mechanizmov srdcového zlyhania, ktoré umožnia vývoj nových liečebných a preventívnych postupov.

Kľúčové slová:

myokard, hypertrofia, postnatálny vývoj, fyziologická záťaž, tlakové preťaženie, kardiomyocyt, vápniková signalizácia, cytoarchitektúra, retikularny membranovy systém, expresia proteínov, kolokalizácia proteínov

Ciele:

Cieľom projektu je objasniť úlohu molekulových a bunkových faktorov diastolickej a systolickej vápnikovej signalizácie počas vývoja a v skorých štádiách adaptácie kardiomyocytov na stresové stimuly vedúce k hypertrofii myokardu. Cieľ dosiahneme sledovaním lokálneho uvoľňovania vápnika prostredníctvom spontánnych a evokovaných vápnikových zábleskov, sledovaním expresie a lokalizácie RyR2 a IP3R2 kanálov a markerov membránových kompartmentov a sledovaním mikroarchitektúry myocytov na experimentálnych modeloch fyziologickej a patologickej hypertrofie myokardu.

Výsledky:

Projekt bol zameraný na štúdium vápnikovej signalizácie a relevantnej mikroarchitektúry myocytov počas adaptácie myokardu na fyziologickú a patofyziologickú záťaž.

Identifikovali a charakterizovali sme hlavné molekulové a bunkové faktory určujúce funkciu systému vápnikovej signalizácie srdcových myocytov v ranej fáze rozvoja zlyhania myokardu a preukázali ich spoluúčasť na remodelovaní myokardu. Charakterizovali sme zmeny ultraštruktúry a vápnikovej signalizácie v dvoch modeloch fyziologickej bunkovej hypertrofie a v raných štádiách dvoch patologických modelov. Ukázali sme, že fyziologické a patologické modely sa odlišujú charakterom zmien v kinetike vápnikovej signalizácie: zatiaľ čo u fyziologickej bunkovej hypertrofie dochádza k zrýchleniu vápnikovej signalizácie, v raných patologických stavoch sa vápniková signalizácia spomaľuje. Ultraštruktúrne a molekulové zmeny u jednotlivých modelov sa navzájom líšia, pričom hlavnými pozorovanými zmenami či už vo fyziologických, alebo patologických modeloch boli zmeny v objemovej hustote diád, štruktúre diád, expresii membránových proteínov, a v charaktere a objemovej hustote mitochondrií.

Publikácie:

	Grimbert L, Sanz MN, Gressette M, Rucker-Martin C, Novotova M, Solgadi A, Karoui A, Gomez S, Bedouet K, Jacquet E, Lemaire C, Veksler V, Mericskay M, Ventura-Clapier R, Piquereau JM, Garnier A (2021): Spatiotemporal AMPK alpha 2 deletion in mice induces cardiac dysfunction, fibrosis and cardiolipin remodeling associated with mitochondrial dysfunction in males only. Biol Sex Differ, vol 12: 52. doi: 10.1186/s13293-021-00394-z.
	Marcek Chorvatova A, Cagalinec M, Chorvat D Jr (2021): Time-resolved imaging of mitochondrial flavin fluorescence and its applications for evaluating the oxidative state in living cardiac cells. Mitochondrial Medicine. Methods in Molecular Biology, vol 2275, chapter 26: 403-414. Humana, New York, NY. Volume 1: Targeting Mitochondria, Weissig V., Edeas M. (eds), ISBN 978-1-0716-1262-0, doi: 10.1007/978-1-0716-1262-0_26.
	Iaparov B, Zahradnik I, Moskvin AS, Zahradnikova A (2021): In silico simulations reveal that RYR distribution affects the dynamics of calcium release in cardiac myocytes. J Gen Physiol 153: e202012685 doi: 10.1085/jgp.202012685.
	Kurekova S, Plaas M, Cagalinec M (2020): Short Communication: Lack of functional wolframin causes drop in plasmalemmal sodium-calcium exchanger type 1 expression at early stage in rat model of Wolfram syndrome. Gen Physiol Biophys 39: 499–503 doi: 10.4149/gpb_2020017.
	Iaparov B, Zahradnik I, Moskvin AS, Zahradnikova A (2020): Synergy of calcium release site determinants in control of calcium release events in cardiac myocytes. bioRXiv : doi: https://doi.org/10.1101/2020.08.26.260968.
	Zahradnikova A, Iaparov B, Zahradnik I (2020): The problem of accuracy in single-channel open probability measurements. Prog Biophys Mol Biol 157: 94-106 doi: 10.1016/j.pbiomolbio.2020.05.002.
	Novotova M, Zahradnikova A Jr, Nichtova Z, Kovac R, Kralova E, Stankovicova T, Zahradnikova A, Zahradnik I (2020): Structural variability of dyads relates to calcium release in rat ventricular myocytes. Sci Rep 10: 8076 doi: 10.1038/s41598-020-64840-5.
	Pires Da Silva J, Monceaux K, Guilbert A, Gressette M, Piquereau J, Novotova M, Ventura-Clapier R, Garnier A, Lemaire C (2020): SIRT1 Protects the Heart from ER Stress-Induced Injury by Promoting eEF2K/eEF2-Dependent Autophagy. Cells. 9: E426 doi: 10.3390/cells9020426.
	Iaparov B, Moskvin AS, Zahradnik I, Zahradnikova A (2019): Stochastic and deterministic approaches to modelling calcium release in cardiac myocytes at different spatial arrangements of ryanodine receptors. Eur Biophys J 48: 579–584 doi: 10.1007/s00249-019-01378-z.
	Skrabanek P, Zahradnikova A Jr (2019): Automatic assessment of the cardiomyocyte development stages from confocal microscopy images using deep convolutional networks. PLoS One 14: e0216720, doi: 10.1371/journal.pone.0216720.
	Cagalinec M, Zahradnikova A, Zahradnikova A Jr, Kovacova D, Paulis L, Kurekova S, Hotka M, Pavelkova J, Plaas M, Novotova M, Zahradnik I (2019). Calcium signaling and contractility in cardiac myocyte of wolframin deficient rats. Front Physiol 10: 172, doi: 10.3389/fphys.2019.00172.
	Prola A, Nichtova Z, Pires Da Silva J, Piquereau J, Monceaux K, Guilbert A, Gressette M, Ventura-Clapier R, Garnier A, Zahradnik I, Novotova M, Lemaire C (2019): Endoplasmic reticulum stress induces cardiac dysfunction through architectural modifications and alteration of mitochondrial function in cardiomyocytes. Cardiovasc Res 115: 328-342, doi: 10.1093/cvr/cvy197.
	Hotka M, Zahradnik I (2017): Reconstruction of membrane current by deconvolution and its application to membrane capacitance measurements in cardiac myocytes. PLoS One 12: e0188452.
	Mackova K, Zahradnikova A Jr, Hotka M, Hoffmannova B, Zahradnik I, Zahradnikova A (2017). Calcium release-dependent inactivation precedes formation of the tubular system in developing rat cardiac myocytes. Eur Biophys J 46: 691-703.
	Faltinova A, Tomaskova N, Antalik M, Sevcik J, Zahradnikova A (2017). The N-terminal region of the ryanodine receptor affects channel activation. Front Physiol 8: 443.
	Misuth M, Joniova J, Horvath D, Dzurova L, Nichtova Z, Novotova M, Miskovsky P, Stroffekova K, Huntosova V. (2017): The flashlights on a distinct role of protein kinase C δ: Phosphorylation of regulatory and catalytic domain upon oxidative stress in glioma cells. Cell Signal 34: 11–22.
	Huntosova V, Novotova M, Nichtova Z, Balogova L, Maslanakova M, Petrovajova D, Stroffekova K (2017): Assessing light-independent effects of hypericin on cell viability, ultrastructure and metabolism in human glioma and endothelial cells. Toxicol In Vitro 40: 184–195.
	Novotova M, Tarabova B, Tylkova L, Ventura-Clapier R, Zahradnik I (2016): Ultrastructural remodelling of slow skeletal muscle fibres in creatine kinase deficient mice: a quantitative study. Gen Physiol Biophys 35: 477–486.