Посещений:
Кардиальная Гипертрофия

Сигнальные Пути

Regulation of cardiac hypertrophy by intracellular signalling pathways
Joerg Heineke and Jeffery D. Molkentin
NATURE REVIEWS | MOLECULAR CELL BIOLOGY VOLUME 7 No. 8| AUGUST 2006 | 589|doi:10.1038/nrm1983

The mammalian heart is a dynamic organ that can grow and change to accommodate alterations in its workload. During development and in response to physiological stimuli or pathological insults, the heart undergoes hypertrophic enlargement, which is characterized by an increase in the size of individual cardiac myocytes. Recent findings in genetically modified animal models implicate important intermediate signaltransduction pathways in the coordination of heart growth following physiological and pathological stimulation.

Oedema Interstitial accumulation of fluid (for example, in the lung or at the ankle) that occurs in heart failure. Oedema is a result of increased venous hydrostatic pressure that is due to reduced cardiac function with impaired venous blood return to the heart.

Myocarditis Inflammatory disease of the heart that is usually caused by viral infection or autoimmune processes. In some cases, myocarditis leads to irreversible cardiac dilation and heart failure.

Arrhythmia Abnormally fast, slow, or nonrhythmic heart rate that is due to conduction defects, extraneous sites of excitatory action potentials or alterations in ionic currents at the level of the myocyte. Arrhythmia can lead to (sudden) death.

Eccentric hypertrophy Uniform cardiac growth response that is associated with a matched increase in ventricular walls, septum and chamber dimensions. Cardiac myocytes grow in width and in length, although length increases are more prominent.

Sarcomeres Repetitive units of overlapping myosin-containing thick filaments and actin-containing thin filaments that generate force when they slide over one another.

Concentric hypertrophy Cardiac growth that is associated with thickening of the ventricular walls and septum, with no increase, or a net decrease, in chamber volume. Cardiac myocytes typically grow more in width than in length.

Compensated hypertrophy Enhanced myocardial growth with preserved or even enhanced cardiac function. Compensated hypertrophy is sometimes followed by a state of decompensated hypertrophy with reduced cardiac performance and heart failure.

AKAP79 (A-kinase anchoring protein- 79). A kinase anchoring protein that binds protein kinase A and calcineurin, and functions as a potent non-competitive inhibitor of calcineurin when overexpressed.

Cabin-1 Also known as cain, cabin-1 is a 240-kDa protein with a wide tissue distribution (high expression in brain, lung and liver) that binds to calcineurin within a 38-amino-acid domain near the cabin-1 C terminus and functions as a potent noncompetitive inhibitor of calcineurin when overexpressed.

Aortic banding A surgical procedure in which a ligature of defined constriction is placed around the aorta. In the mouse, this is typically performed in the thoracic cavity at the level of the ascending or transverse aorta, resulting in increased cardiac afterload, and hypertrophy as a secondary consequence.

Angiotensin II or isoproterenol infusion Cardiovascular acting agonists that induce a specific effect on the heart to either promote hypertrophy or cardiomyopathy over short periods of infusion (14–28 days).

eIF2B A GEF (guanine nucleotideexchange factor) that, together with its substrate eIF2, regulates the translationinitiation phase of protein synthesis.


Рис.1.  | Integrated schematic of the more extensively characterized intracellular signal-transduction pathways that coordinate the cardiac hypertrophic response.


Рис.2.  | Different phenotypes of cardiac hypertrophy.


Рис.3.  | Calcineurin–NFAT signalling in cardiac myocytes.


Box 1  |  Types of cardiac hypertrophy


Box 2  |  Proteins involved in chromatin remodelling


Box 3  |  Transcription factors that induce cardiac hypertrophy

DATABASES

The following terms in this article are linked online to: UniProtKB: http://ca.expasy.org/sprot

CDK7 | CDK9 | ERK1 | ERK2 | HDAC1 | HDAC2 | JNK1 | JNK2 | MCIP1 | MEK1 | RGS4 | TAK1

FURTHER INFORMATION

Jeffery D. Molkentin’s homepage:
Сердечно-сосудистые заболевания остаются причиной номер один смертности в Западном мире с сердечной недостаточностью, представляющей быстро растущий субкласс в последнюю декаду1-4. Напр., имеется приблизительно 5 миллионов американцев с диагностированной сердечной недостаточностью, которая характеризуется 5-летней долей выживаемости у приблизительно 50%, что наносит общий экономический урон в 100 биллионов долларов в год4-6.
Сердечная недостаточность определяется как недостаточность способности сердца адекватно перекачивать кровь в ответ на системные нужды, что приводит к преждевременным утомляемости, одышке и/или отеки. Она обычно вызывается рядом общих болезненных стимулов, включая: длительно держащееся давление; инфаркт миокарда или ишемия, ассоциированные с болезнью коронарных сосудов; недостаточность и стеноз клапанов; миокардиты, обусловленные инфекционными агентами; врожденные пороки сердца; семейная гипертрофическая и дилятационная кардиомиопатии; и диабетическая кардиомиопатия7,8.
Большинство из этих стимулов сначала индуцирует фазу кардиальной гипертрофии, в которой индивидуальные миоциты растут в длину и/или ширину как способ увеличения качающей функции сердца и снижается натяжение стенки желудочков (индуцируется состояние 'компенсированной гипертрофии')9,10. Однако, в отдаленные сроки миокардиальная гипертрофия предрасполагает индивидов к сердечной недостаточности, аритмии и внезапной гибели (BOX 1)9. Наиболее проксимальные инициирующие стимулы для кардиальной гипертрофии могут быть грубо разделены на биомеханические и чувствительные к натяжению (stretch-sensitive) механизмы, или нейрогуморальные механизмы. которые ассоциируют с высвобождением гормонов, цитокинов и пептидов ростовых факторов. Лиганды ощущаются кардиальными миоцитами посредством ряда связанных с мембранами G-protein-coupled receptors (GPCRs), рецепторов, которые имеют внутриклеточные тирозин киназные домены или которые имеют внутриклеточные serine/threonine киназные домены и gp130-сцепленные рецепторы. Биомеханические сигналы, как полагают, опосредуются внутренними stretch-чувствительными рецепторами, точные молекулярные особенности которых пока неизвестны. Эти разнообразные рецепторы, как полагают, конвергируют к органиченному числу внутриклеточных сигнал-передающих цепочек (circuits), чтобы обеспечивать реакцию кардиального роста. Такие сигнальные цепочки непосредственно координируют гипертрофический рост путем изменения генной экспрессии в ядре и путем увеличения скорости трансляции белков и снижения скорости деградации белков в цитоплазме. Сердце является также примером постмитотической ткани, которая способна к острому и хроническому гипертрофическому росту. Следовательно, она может использоваться в качестве модельной системы для изучения сигнальных путей, которые обеспечивают дифференцированный рост в целом.
Хотя пути сигнальной трансдукции врожденно сложны и обильны, в этом обзоре мы предоставим информацию о центральных путях и эффекторах, которые, как было установлено, играют критическую роль в трансдукции ростовой реакции во взрослом сердце. Исследования животных моделей выявили важные медиаторы кардиальной гипертрофии в виде белков, таких как mitogen-activated protein kinase (MAPK), сигнальных путей, таких как calcineurin-nuclear factor of activated T cells (NFAT) и insulin-like growth factor-I (IGF-I)-phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K)- AKT/protein kinase B (PKB)-mammalian target of rapamycin (mTOR). Регуляция транскрипции с помощью cyclin-dependent kinase-7 (CDK7) и CDK9, a также киназами регулируемый shuttling класс II histone deacetylases (HDACs), также влияют на кардиальную гипертрофию у животных моделей8,11-15.
Большинство из сигнальных эффекторов, которые влияют на регуляцию гипертрофии, сначала были идентифицированы в культивируемых первичных кардиомиоцитов новорожденных крыс, которые первоначально использовали в качестве основной модельной системы для анализа механизмов кардиального роста. Однако, недавно были разработаны генетически модифицированные мышиные модели, серьезно продвинувшие наше понимание сложностей, которые окружают реакции кардиального роста, и предоставившие рог изобилия из данных относительно потенциала молекулярных основ кардиальной гипертрофии, ремоделирования желудочков и недостаточности сердца. Здесь впервые обсуждается, как кардиальные миоциты воспринимают стрессы и лиганды на клеточных мембранах. Затем мы рассмотрим группу путей сигнальной трансдукции, которые возможно функционируют как центральные медиаторы кардиального роста и ремоделирования реакций. Многие из этих недавно охарактеризованных сигнальных цепочек предсказывают новые терапевтические мишени для лечения различных форм болезней сердца.

Initiation of signalling at the cell membrane


Сигнальные события, которые происходят на клеточной мембране, чтобы инициировать реакцию кардиальной гипертрофии, вполне могут быть предметом целого обзора, поэтому они будут коротко суммированы так, чтобы увязать их с нижестоящими путями, и чтобы представить их в логическом контексте.
Catecholamines (такие как noradrenaline и adrenaline), endothelin-1, angiotensin II и IGF-I являются хорошо охарактеризованными нейрогуморальными и эндокринными гормонами, которые воспринимаются посредством специфических связанных с мембранами рецепторами кардиальных миоцитов (FIG. 1).
Activation of G-protein-coupled receptors. Angiotensin II, endothelin-1 и catecholamines (α-adrenergic) соединяются со специфическими 7 раз пронизывающими мембрану рецепторами, которые купированы с гетеротримерными G белками из Gαq/α11 субкласса. Эти G белки соединяются с phospholipase Cβ (PLCβ). Такое соединение индуцирует продукцию diacyl glycerol (DAG), который функционирует в качестве внутриклеточного лиганда для protein kinase C (PKC), приводя к активации PKC и продукции inositol-1,4,5-trisphosphate (Ins(1,4,5)P3)14. Накопление Ins(1,4,5)P3 ведет к мобилизации внутреннего Ca2+ путем непосредственного связывания с Ins(1,4,5)P3 рецептором. локализованным в эндоплазматическом ретикулеме или на ядерной оболочке. Недавно было показано, что генерация Ins(1,4,5)P3 и ассоциированное с этим высвобождение хранилищ Ca2+ обеспечивает передачу гипертрофических сигналов через активацию calcineurin-NFAT или инактивацию calmodul-independent kinase (CaMK)-HDAC15,16.
Активация Gαq/α11 также является мощным индуктором передачи сигналов MAPK в кардиомиоцитах, хотя точный механизм взаимосвязи с MAPK неизвестен17. Исследования генетически модифицированных модельных мышей подтвердили, что купирование Gαq/α11 является необходимым событием в индукции патологической кардиальной гипертрофией, в то время как передача сигналов IGF-I регулирует физиологическую кардиальную гипертрофию, а также рост сердца во время нормального развития. Избыточная экспрессия дикого типа Gαq (или инактивированной формы Gαq) в сердце индуцирует униформный профиль кардиальной гипертрофии, которая обусловливает сердечную недостаточность и обнаруживает пониженную склонность к апоптозу18-21. В подтверждение этих результатов трансгенные мыши, которые экспрессируют, 54-аминокислотный Gαq/α11-ингибирующий пептид в сердце, обнаруживают специфическое ослабление pressure-overload гипертрофии и подавление передачи сигналов MAPK22,23. Комбинированное нарушение генов, которые кодируют Gαq- b Gα11-субъединицы, также подвергает риску способность миокарда подвергаться гипертрофии вследствие избыточного давления24.
Сходным образом, избыточная экспрессия GTPase-активирующего белка RGS4 (регуляторов передачи сигналов G-белков) в сердце, который инактивирует членов подсемейства Gαi- и Gαq, редуцирует индуцированную повышенным давлением кардиальную гипертрофию25. Ингибирование гипертрофической реакции в этих моделях (за исключением RGS4 трансгенных мышей) не повреждает кардиальную функцию, указывая тем самым, что Gαq-зависимая гипертрофия не нужна для функциональной компенсации22,23,24. Следовательно, ингибирование специфических GPCRs или самих Gαq/α11-субъединиц является привлекательной терапевтической стратегией для лечения патологической кардиальной гипертрофии.
Агонисты GPCR также, как было показано, индуцируют кардиальную гипертрофию путем подавления (shedding) heparin-binding epidermal growth factor (HB-EGF) с помощью metalloprotease ADAM12 (REF. 26). Таким же способом, EGF может затем передавать сигнал через EGF receptor (EGFR), чтобы индуцировать гипертрофию совместно с нижестоящими сигнальными эффекторами. Сходная с этим парадигма, рецепторная тирозин киназа ERBB2 гетеродимеризуется с ERBB3 или ERBB4 и соединяется с neuregulin, тем самым она передает сигнал сама по себе или посредством трансактивации с помощью EGFR, gp130 и GPCRs27. Воздействие Herceptin, рекомбинантных антител, которые блокируют передачу сигналов ERBB228, а также сердце-специфическая делеция ERBB2 ведут к кардиомиопатии, указывая на критическое значение этого сигнального эффектора для поддержания интегральности и роста миоцитов29,30.
Sensing biomechanical stress signals. Помимо сигнальных событий, которые инициируются с помощью взаимодействий лиганд-рецептор, кардиальные миоциты непосредственно обнаруживают механические деформации или натяжения посредством внутреннего сенсорного аппарата. Одним из таких аппаратов может использовать integrins, которые являются гетеродимерными трансмембранными рецепторами (состоящими из α- β-субъединиц), которые связывают внеклеточный матрикс с внутриклеточным цитоскелетом31. Напр., integrin-взаимодействующая молекула melusin участвует в качестве сенсора механических стрессов в кардиальных миоцитах32. Второй сенсорный аппарат, как предполагается, действует на уровне Z-дисков внутри каждого саркомера. В частности, малый LIM-доменовый белок MLP (muscle LIM protein), который закрепляет специфические белки на Z-дисках, как полагают. функционирует как внутренний сенсор натяжения посредством комплекса передающих белков33. Эти два аппарата, как полагают, передают биохимические стрессовые сигналы путем прикрепления сигнальных молекул. Напр., integrins активируют нижестоящие эффекторы, подобные focal adhesion kinase (FAK) и малым GTPases, подобных Ras и Rho31. Melusin, как было установлено, важен для фосфорилирования (инактивации) glycogen synthase kinase-3β (GSK3β), это, позволяет предполагает, что MLP передает сигналы посредством calcineurin-NFAT сигнального пути32,34. Генетическая делеция каждого из этих stretch-сенсорных белков (β-integrin, melusin, FAK и MLP) у мышей ведет к кардиальной патологии (кардиальной дилятации и дисфункции) спонтанно или в ответ на внешние стрессы, указывая тем самым на важную роль этих молекул для сохранения кардиального гомеостаза и компенсаторной реакции на миокардиальные стрессы32,34-37.
Биохимические стрессы также могут передаваться на клеточную мембрану независимо от структурных белков. Напр., angiotensin II type 1 рецептор непосредственно ассоциирует с Janus kinase-2 (JAK2) и индуцирует транслокацию G белков в цитозоль после растяжения (stretch). Это ведет к активации extracellular signal-regulated kinase (ERK) и к индукции гипертрофии38.

MAPK signalling in cardiac hypertrophy


Пути передачи сигналов MAPK состоят из последовательностей последовательно функционирующих киназ, которые в конечном итоге приводят к двойному фосфорилированию и активации p38, c-Jun N-terminal kinases (JNKs) и ERKs39 (FIG. 1). Сигнальный каскад MAPK инициируется в кардиальных миоцитах посредством GPCRs, рецепторных тирозин киназ (IGF-I и fibroblast growth factor receptors), рецепторных serine/threonine киназ (transforming growth factor-β (TGFβ)), cardiotrophin-1 (gp130 receptor) и с помощью стрессовых воздействий, таких как растяжение (stretch)40. Активированные p38, JNKs и ERKs каждая фосфорилирует множественные внутриклеточные мишени, включая многочисленные транскрипционные факторы, которые индуцируют перепрограммирование экспрессии кардиальных генов. Вышестоящие активаторы ERK1 и ERK2 являются двумя MAPK kinases (MAPKK), MEK1 и MEK2, которые непосредственно фосфорилируют двойные сайты в активационной петле ERK киназ. p38 киназы непосредственно активируются непосредственно с помощью MAPKKs MKK6 и MKK3, в то время как JNKs непосредственно активируются с помощью MKK4 и MKK7. ERK5, также известная как big MAPK1, непосредственно активируется с помощью MEK5 (REF. 39). Стоящие выше MAPKKs, некоторые MAPKK kinases (MAPKKK) формируют сложную сеть киназ, которые или непосредственно распознают стрессовую стимуляцию или регулируются любой из MAPKKK kinases (MAPKKKK) или G-белками с низкой мол. массой из семейства Rho, Ras, Rac, Rho и CDC42. MAPKKKs, которые участвуют в кардиальной регуляции включают apoptosis signal-regulating kinase-1 (ASK1) и TGFβ-activated kinase-1 (TAK1), в то время как MST1, подобно MAPKKKK, также является важным регулятором роста сердца41.
ERKs as central regulators. Значение передачи сигналов ERK MAPK выяснено посредством анализа трансгенных мышей, которые экспрессируют активированную MEK1 под транскрипционным контролем кардиоспецифического промотора, который обнаруживает специфическую активацию ERK1/2 в сердце42. Эти мыши развивают стабильную концентрическую гипертрофию с униформным профилем повышенного отношения веса сердца к телу приблизительно в 25-30% и очень немногие признаки гистопатологии или интерстициального клеточного фиброза до 6 мес. возраста; этот фенотип согласуется с формой компенсированной гипертрофии, которая может и не приводить к сердечной недостаточности42 (FIG. 2). Механистически путь MEK1-ERK1/2 индуцирует кардиальную гипертрофию in vivo, частично путем усиления транскрипционной активности NFAT, это указывает на взаимодействие с цепочкой calcineurin-NFAT43. Хотя передача сигналов MEK1-ERK1/2 индуцирует компенсированную гипертрофию in vivo, избыточная экспрессия вышестоящего регуляторо этого пути, Ras, способствует кардиомиопатии, которая характеризуется патологическим ремоделированием желудочков и преждевременной гибелью44. Ras непосредственно активирует RAF1, приводя к активации MEK1-ERK1/2, но он может также активировать JNK ветвь каскада MAPK cascade, PI3K и др. внутриклеточные сигнальные пути45. Следовательно, дефекты сердца, которые наблюдаются при постоянной активации Ras возможно не зависят от передачи сигналов MEK1-ERK1/2. Однако, часто трудно различить между эффектами специфических нижестоящих сигнальных путей, интенсивностью передачи сигналов, продолжительностью сигнала и потенциалом неблагоприятной синергии среди параллельных путей, если один из них классифицирует данный стимул как адаптивный или неблагоприятный; однако, остается неясным, обеспечивается ли Ras-индуцированный фенотип исключительно одним или более нижестоящими путями или участвуют более сложные события (такие как время и продолжительность сигналов).
В отношении манипуляций по потере функции, трансгенные мыши, которые экспрессируют доминантно-негативную RAF1 кДНК в сердце, обнаруживают снижение фосфорилирования MAPK мишени ELK1 и ослабление кардиальной гипертрофии вследствие перегрузки давления, которое указывает на то, что ERKs необходимы для этой реакции in vivo46. Однако, RAF1 является усложненной киназой, которая формирует комплексы с некоторыми белками, такими как Ras, ASK1, ROKα, CDC25, casein kinase-2, retinoblastoma protein, MEK kinase-1 (MEKK1) и PAC1 (REFS 47,48). Следовательно, может предположить, что ветвь передача сигналов MEK1-ERK1/2 достаточна, чтобы способствовать кардиальной гипертрофии in vivo, хотя её необходимость в обеспечении этого процесса детально не изучена. Наконец, установлена уникальная функция ветви передачи сигналов MEK5-ERK5 в регуляции формы кардиального роста. В частности MEK5 трансгенные мыши обнаруживают эксцентрический или dilated рост сердца, который ассоциирует с добавлением саркомеров в серии внутри индивидуальных кардиомиоцитов49.
Negative regulation by p38 and JNK. В противоположность экспрессии в сердце у активированных мутантов MEK1 и MEK5, экспрессия активированных MKK3 или MKK6, которые вызывают специфическую и униформную активацию p38, не вызывает кардиальную гипертрофию50. Вместо этого активированные MKK3 и MKK6 трансгенные мыши быстро получают сердечную недостаточность в молодом возрасте, что характеризуется пониженной функциональной эффективностью, фиброзом и истончением стенок желудочков50. p38 также может регулироваться с помощью TAK1, который сходным образом вызывает кардиомиопатию, если избыточно экспрессируется в сердцах трансгенных мышей, хотя TAK1 может функционировать и независимо от p38 (REF. 51). В отношении пути JNK, трансгенные мыши, которые экспрессируют активированную MKK7 в сердце, обнаруживают специфическую активацию JNK и летальную кардиомиопатию в юном возрасте без гипертрофического увеличения, напоминая трансгенных мышей с усиленной активностью p3852,53. Механизм, с помощью которого p38 и JNK действуют, чтобы индуцировать кардиомиопатию, остается неизвестным, хотя эти киназы могут негативно регулировать реакцию кардиального роста путем непосредственного фосфорилирования NFAT и уменьшения эффектов передачи сигналов calcineurin в сердце54. Напр., ингибирование эндогенной передачи сигналов JNK с помощью обусловленной трансгеном экспрессии доминантно негативных JNK1/JNK2 в сердце, или потери экспрессии у мышей Jnk1-/- или Jnk2-/-, приводит к повышенному кардиальному росту в стандартных условиях или вследствие стимуляции повышенным давлением посредством calcineurin-NFAT зависимого пути55. Однако, потеря Jnk1 способствует также раннему функциональному износу и повышению числа TUNEL-позитивных клеток в сердце вследствие стимуляции повышенным давлением, указывая на роль передачи сигналов JNK для выживаемости56. В противоположность этому одиночные нулевые по Jnk1 и Jnk2, а также доминантно негативные JNK1/JNK2 трансгенные мыши обнаруживали меньше клеточной гибели в сердце вследствие ischaemia reperfusion повреждений57. Следовательно, ингибирование активности JNK не только влияет на реакцию кардиальной гипретрофии, но и может затрагивать жизнеспособность клеток зависимым от стимулов образом.
В отношении передачи сигналов p38, экспрессия доминантно-негативных мутантов MKK3, MKK6 or p38α также способствует повышению кардиального роста в стандартных условиях и после стимуляции повышенным кровяным давлением посредством calcineurin-NFAT-засимого пути58. Это наблюдение согласуется с тенденцией в направлении индукции повышенным давлением кардиальной гипертрофии у избыточно экспрессирующих доминантно негативный p38β трансгенных мышей59 и у p38α условных кардиоспецифичных мышей с делецией гена60. Следовательно, активируемые стрессами протеин киназы p38, JNK1/JNK2 действительно могут негативно регулировать реакцию кардиальной гипертрофии. Возможно также, что активация JNK и p38 изменяет реакцию кардиальной гипертрофии благодаря непрямым следствиям их способности индуцировать апоптоз и некроз кардиальных миоцитов. Их активация может, следовательно, приводить ко вторичной кардиомиопатии и дилятации, которые независимы по своим эффектам от передачи сигналов calcineurin-NFAT. Остается неясным, как знание о передаче сигналов MAPK в сердцем может быть использовано для лечения болезней человека. Фармакологическое ингибирование MEK1-ERK1/2 может уменьшать благоприятные аспекты, которые ассоциируют с компенсированной гипертрофией, в то время как ингибирование p38 и/или JNK может приводить к неадекватной гипертрофической реакции в течение длительного времени.

The calcineurin-NFAT circuit


Ca2+-зависимая serine/threonine протеин-фосфатаза calcineurin была идентифицирована как центральная prohypertrophic сигнальная молекула в миокарде приблизительно 8 лет тому назад (FIG. 2)61. Calcineurin состоит из 57-61-kDa каталитической субъединиц (CnA) и 19-kDa регуляторной субъединицы (CnB). Этот димерный белок оказывается активированным за счет непосредственного связывания Ca2+-связывающего адапторного белка calmodulin, когда он насыщен Ca2+ (REF. 15). Хотя существуют три гена, которые кодируют CnA (CnAα, β и γ), и две гена, которые кодируют CnB (CnB1 и B2), сердце млекопитающих экспрессирует только CnAα, CnAβ и CnB1. Повышенные уровни Ca2+ активируют calcineurin, который соединяется с транскрипционными факторами из семейства NFAT. После соединения он дефосфорилирует законсервированные остатки серина на N конце, приводя к транслокации NFAT в ядро и к активации экспрессии прогипетрофических генов (FIG. 3)15. NFAT транскрипционные факторы, как было показано, необходимы и достаточны для вызывания кардиальной гипертрофии, это указывает на то, что они действуют как первичные эффекторы calcineurin в сердце61,62. Помимо активации с помощью Ca2+, calcineurin регулируется с помощью структурных белков, которые локализованы с повторяющихся Z-дисках кардиальных миоцитов в области, которая содержит также и NFAT34,63-65.
Calcineurin-NFAT передача сигналов контролируется также с помощью специфических киназ, которые непосредственно фосфорилируют N-терминальный регуляторный домен NFAT, противодействуя проникновению в ядро и снижая экспрессию гипертрофических генов. Киназы, такие как GSK3β, p38 и JNK , могут индуцировать фосфорилирование NFAT в кардиальных миоцитах (FIG. 3)55,58,66. Чтобы исследовать потребность в передаче сигналов calcineurin-NFAT для регуляции реакции кардиальной гипертрофии, фармакологические ингибиторы calcineurin, cyclosporine A и FK506 первоначально использовались со смешанными, в основном подтвержденными, результатами (FIG. 3)67.
Insights from mouse models. Различные генетические подходы подтверждают важность calcineurin-NFAT сигнального пути в регуляции кардиального роста. Напр., кардиоспецифическая экспрессия не-конкурентного calcineurin-ингибирующего домена из AKAP79 или cabin-1 заметно редуцировала миокардиальную гипертрофию после инфузии агониста или перевязывания аорты (повышения давления)68. Сходным образом трансгеном обусловленная избыточная экспрессия др. взаимодействующего с calcineurin белка, modulatory calcineurin-interacting protein- 1 (MCIP1), ингибировала кардиальную гипертрофию к разнообразным стимулам (FIG. 3)69,70. Однако, недавние исследования функции MCIP в сердце показали, что белки MCIP действительно облегчают активность calcineurin для специфических белков мишеней на физиологических уровнях экспрессии возможно с помощью активности в качестве docking или targeting субъединиц, несмотря на тот факто, что избыточная экспрессия MCIP является ингибирующей71,72.
Аналогично избыточной экспрессии MCIP1, трансгеном обусловленная экспрессия доминантно-негативной мутации calcineurin в сердце также редуцирует патологическую кардиальную гипертрофию у мышей73. Измененные по гену CnAβ мыши имеют ослабленную гипертрофию после 2 недельных вливаний angiotensin II или isoproterenol, также как и после перевязки аорты74. Потеря CnAβ достоверно снижает общую кардиальную активность calcineurin, которая не компенсируется за счет оставшейся CnAα изоформы74. Мыши с генетическим нарушением гена Nfatc3, но не Nfatc4, обнаруживают пониженный миокардиальный рост в ответ на активированный трансген calcineurin, перевязку аорты и вливание angiotensin II62. Остается определить, регулирует ли calcineurin исключительно патологическую форму гипертрофии или он также необходим для физиологического и/или онтогенетического роста миокарда. Хотя в одном из исследований не смогли наблюдать активации NFAT в ответ на плавательные упражнения мышей (стимулы для физиологического роста сердца)75, но пониженный базовый размер сердца у мышей, мутантных по гену CnAβ, указывает, что этот путь может участвовать в физиологическом росте74,76. Хотя роль сигнальной цепочки calcineurin-NFAT в качестве медиатора патологической гипертрофии в основном установлена, её общий кардиальный терапевтический потенциал осложнен; сегодня доступные стратегии и лекарства, ассоциированы с токсичностью и отсутствием тканевой специфичности. Напр., существующие ингибирующие calcineurin лекарства не подходят для лечение кардиальной гипертрофии или сердечной недостаточности из-за побочных эффектов, таких как иммуносупрессия и нефротоксичность.

Hypertrophic regulators: The PI3K-AKT pathway


Insulin или IGF-I как было предположено регулируют онтогенетический и физиологический рост сердца. Лиганд, связывающийся с IGF-I рецептором активирует PI3K из IA группы (PI3Kα) (FIG. 1)77. PI3K превращает липид плазматической мембраны phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate (PtdIns(4,5)P2) в phosphatidylinositol-3,4,5-trisphosphate (PtdIns(3,4,5)P3), который активирует др. сигнальные составляющие на плазматической мембране77,78. PI3Kα является гетеродимером, который состоит из p85 регуляторной субъединицы и p110 (α, β или δ ) каталитической субъединицы77. Специфические GPCRs могут активировать PI3K из IB группы (PI3Kγ) посредством Gβγ рекрутирования её каталитической субъединицы p101 в сарколемму77.
Induction of physiological hypertrophy. В отношении регуляции кардиальной гипертрофии экспрессия конституитивно активного p110α в сердце продуцирует форму физиологической кардиальной гипертрофии с сохранением функции желудочков (свыше одного года жизни)79. В согласии с этим результатом миокардиальная экспрессия доминантно-негативной формы p110α (dnPI3Kα) ингибирует реакцию физиологической гипертрофии по время постнатального роста и вследствие упражнений у мышей. Однако, реакция патологической гипертрофии на повышенное давление остается неизменной80. Сходным образом, мыши с генетической делецией в гене, который кодирует p85 регуляторную субъединицу, обнаруживают уменьшенные разеры сердца в стандартных условиях и после упражнений81. Несмотря на сохранение гипертрофической реакции dnPI3Kα мыши дают кардиальную дилятацию и дисфункцию во время повышенного кровяного давления, это указывает на защитный эффект PI3Kα. В противоположность эффектам, которые ассоциируют с передачей сигналов p110α, фенотип p110γ-нулевых мышей показывает, что эта форма PI3K вносит вклад в генерацию патологической гипертрофии и кардиальную дисфункцию во время повышенного давления, но она безразлична для постнатального физиологического роста (эффект упражнений на индуцированную гипертрофию не был тестирован)82,83.
AKT/PKB is required for heart growth. Активация PI3K приводит к рекрутированию в сарколемму киназ AKT/PKB и phosphoinositide-dependent kinase-1 (PDK1) посредством их pleckstrin-homology доменов (FIG.1)78. Когда PDK1 и AKT/PKB сильно сближаются, PDK1 фосфорилирует и тем самым активирует AKT/PKB78. Из трех Akt генов только Akt1 и Akt2 высоко экспрессируются в сердце. Akt1-нулевые мыши имеют 20% уменьшение размера тела с соотв. уменьшением размера сердца, тогда как Akt2-нулевые мыши не обнаруживают какой-либо снижения роста тела84-86. Недавно мыши Akt1-/- были проанализированы и был показан дефект в индуцируемой упражнениями кардиальной гипертрофии. Эти находки указывают на то, что передача сигналов AKT/PKB на самом деле важна для физиологического роста сердца, что согласуется с фенотипом p110α трансгенных мышей87. Также одинаково с p110α трансгенными мышами, AKT1 , как было показано, важен для функциональной компенсации во время повышенного кровяного давления, т.к. Akt1-/- мыши дают кардиальную дилятацию и дисфункцию87.
В отношении подхода к избыточной функции, активированный AKT/PKB может индуцировать кардиальную гипертрофию, которая ассоциирует с сохранением функции (т.е., компенсированная гипертрофия). Однако, конститутивная избыточная экспрессия AKT/PKB может также приводить к кардиальной дисфункции со временем в некоторых моделях88-90. Чтобы разрешить этот потенциальный парадокс использовали зависимую от условий трансгенную систему91. Экспрессия активированных AKT/PKB в миокарде в течение 2-х недель давала компенсированную форму гипертрофии с координированным ростом кардиомиоцитов и капилляров, тогда как экспрессия в течение 6 недель приводила к патологической кардиальной гипертрофии с дилятацией и гистопатологией91. Некоторые из благоприятных эффектов передачи сигналов AKT/PKB, как было установлено, появляются с ядре92. Nuclear-targeted избыточно экспрессирующие AKT/PKB трансгенные мыши не обнаруживали кардиальной гипертрофии, но они имели больше кардиальных миоцитов, улучшенную сократимость и были защищены от ишемического повреждения92,93. Следовательно, передача сигналов AKT/PKB, по-видимому, благоприятна для сердца, когда она активируется при физиологических условиях быстрым образом или когда она функционирует в ядре.
Heart targets of AKT/PKB function. GSK3β, которая обычно активна, но ингибируется с помощью AKT/PKB обусловленного фосфорилирования, является важной нижестоящей мишенью для AKT/PKB в сердце. Активная GSK3β негативно регулирует гипертрофические транскрипционные эффекторы, такие как GATA4, β-catenin, c-Myc и NFAT, а также ингибирует фактор инициации трансляции eIF2B78,94. GATA4 является содержащим цинковые пальчики транскрипционным фактором, который может регулировать экспрессию генов гипертрофии, в то время как β-catenin является цитоплазматическим структурным белком, который может транслоцироваться в ядро и индуцировать экспрессию генов путем соединения с транскрипционными факторами12. Избыточная экспрессия активной GSK3β в сердце ослабляет гипертрофию в ответ на повышенное давление, активирует calcineurin и β-adrenergic стимуляцию66,95.
AKT/PKB может также усиливать синтез белков путем активации mTOR78,94. Ингибирование mTOR с помощью rapamycin ослабляет патологическую кардиальную гипертрофию и может устранять дисфункцию миокарда91,96,97. mTOR может регулировать синтез белков двумя способами. Он может активировать p70/85 S6 kinase-1 (S6K1) и p54/56 S6K2, которые увеличивают биосинтез рибосом и трансляцию белков. Он также запускает высвобождение 4E-binding protein-1 из eIF4E; eIF4E может затем соединяться с др. факторами инициации, такими как eIF4G, приводя к инициации трансляции78,94. Комбинированное генетическое устранение S6k1 и S6k2 не меняет реакции миокардиального роста в ответ на действие патологических и физиологических стимулов, это указывает на то, что mTOR регулирует кардиальный рост посредством мишеней иных, чем S6Ks98. В самом деле, дальнейший анализ фосфорилирования S6 и эффектов клеточного роста у S6k1- и S6k2-нулевых мышей показал потенциал разобщения в предполагаемом механизме, так что S6Ks непосредственно регулируют рост посредством трансляционного контроля с участием S6 (REF. 99). Несмотря на эти негативные оценки делеция S6Ks у Drosophila melanogaster и S6k1 у мышей приводит к более мелким размерам животных, что ассоциирует с более мелкими размерами клеток100,101.
Potential therapeutic approaches. В отношении терапевтических мишеней в IGF-I-PI3K-AKT/PKB-GSK3β-mTOR пути подтверждаются некоторые предостережения. Хотя ясно, что ингибирование mTOR может быть терапевтически желательно для лечения патологической гипертрофии, но большинство др. членов этого пути могут иметь дихотомические эффекты. Напр., ингибирование AKT/PKB или PI3K может не быть терапевтически благоприятным, т.к. эти эффекторы регулируют физиологическую и адаптивную гипертрофию, которая возможно дает преимущества сердцу. Более того, неясно, может ли ингибирование AKT/PKB или PI3K уменьшать патологическую кардиальную гипертрофию. Тот эже самый вопрос относится и к GSK3β, которая. как предполагается, противодействует патологической кардиальной гипертрофии, если активирована. Однако, активация GSK3β может также уменьшать эффекты, которые ассоциируют с физиологической гипертрофией, такие как защита от клеточной гибели.
Основная проблема по использованию IGF-I-PI3K-AKT/PKB-GSK3β-mTOR пути для терапевтических целей не связана с лекарственной или тканевой избирательностью, а с тем, что каждый эффектор может иметь как адаптивное, так и неадекватное влияние на миокард. Более того, компоненты этого пути, такие как AKT/PKB, регулируют также передачу сигналов insulin и клеточную жизнеспособность, необходима дальнейшая оценка сложности, которая ассоциирует с нарушениями этого пути для модуляции состояния кардиальной болезни.

Chromatin remodelling and cardiac hypertrophy


Др. важным регулятором кардиальной гипертрофии является регуляторная парадигма, вызывающая изменения в генной экспрессии, которые обусловлены ремоделированием хроматина (BOX 2). Среди энзимов, которые регулируют ремоделирование хроматина, класс II HDACs участвует в кардиальной гипертрофии. Класса II HDACs регулируются с помощью различных путей сигнальной трансдукции через фосфорилирование. Напр., прогипертрофические сигналы модифицируют HDAC kinases, такие как protein kinase D (PKD), PKC и CaMK, которые фосфорилируют HDACs, приводя к их последующему экспорту в ядро (FIG.1)102. Увеличение Ca2+ в ядерной оболочке кардиальных миоцитов посредством Ins(1,4,5)P3-receptor-зависимымого сигнала, непосредственно способствует локальной активации CaMK и транслокации HDAC5 в цитоплазму16,103. В ядре класса II HDACs рекрутируются на критические гены, которые участвуют в регуляции мышечного роста путем физических взаимодействий с транскрипционными факторами, такими как myocyte enhancer factor-2 (MEF2, see BOX 3)104-106.
In vivo, гипертрофия, которая индуцируется с помощью активированного calcineurin или повышенного кровяного давления, ассоциирует с усилением фосфорилирования серина в HDAC5 и HDAC9, это указывает на то, что регуляция хроматина может контролировать гипертрофическую реакцию107. В самом деле, конститутивные ядерные мутации HDAC5 и HDAC9 ингибируют агонистами индуцированный гипертрофический рост в культивируемых кардиомиоцитах новорожденных. Более вызывающе, мыши с делециями генов Hdac5 и Hdac9 обнаруживают спонтанную кардиальную гипертрофию с возрастом и усиленную гипертрофию в ответ на патологические стимулы107,108. Однако, онтогенетическая гипертрофия не затрагивается в отсутствие или HDAC5 или HDAC9, подтверждая гипотезу, что разные регуляторные пути контролируют разные формы кардиального роста и что класса II HDACs негативно регулируют инициацию и поддержание патологической гипертрофии.
По сравнению с эффектами, которые ассоциируют с классом II HDACs в сердце, класс I HDACs, по-видимому, действует противоположным способом. Напр., фармакологическое ингибирование класса I HDACs (возможно HDAC1 и HDAC2) почти полностью блокирует кардиальную гипертпрофию после 2-хнедель повышенного давления у мышей109,110. Даже неизбирательные HDAC ингибиторы (т.е. ингибиторы класса I и II) trichostatin A и valproic кислота уменьшают кардиальную гипертрофию у мышей и крыс после вливания angiotensin II, isoproterenol и повышения кровяного давления109,110. Хотя ингибирование класса II HDACs д. способствовать гипертрофии, общий эффект, который ассоциирован с глобальным ингибированием может просто отражать тот факт, что уровни или активности класса I HDACs выше по сравнению с таковыми класса II HDACs. Итак, эти результаты являются стимулирующими, т.к. химические ингибиторы HDACs сегодня оценены в отношении эффективности в качестве противораковых агентов111 и эти ингибиторы могут быть легко оценены в качестве лечения патологической кардиальной гипертрофии.

Other hypertrophic regulatory pathways


Хотя мы сконцентрировались на избранной группе сигнальных путей в качестве центральных регуляторов реакции кардиальной гипертрофии, безусловно существуют и др. пути, которые могут использоваться в качестве терапевтических мишеней.
Недавно возникла новая парадигма, согласно которой экспрессия генов в сердце регулируется с помощью CDK7- и CDK9-обусловленного фосфорилирования RNA polymerase II, которая контролирует эффективность элонгации транскрипции112 (FIG. 1). Гипертрофические стимулы, которые ассоциируют с активированным трансгеном calcineurin, трансгеном Gαq и повышенным давлением, как было установлено вызывают диссоциацию малых ядерных РНК 7SK от комплекса, который регулирует активность CDK9 в сердцах взрослых мышей113. В самом деле, трансгенами обусловленная избыточная экспрессия cyclin T (чтобы активировать CDK9) индуцирует компенсированное состояние гипертрофии113.
Два др. класса киназ участвуют в качестве регуляторов кардиальной гипертрофии, CaMK и PKC, обе активируются с помощью Ca2+. Избыточная экспрессия CaMKIV или CaMKIIδ в сердце вызывает фенотип гипертрофической кардиомиопатии. Генетическое ингибирование CaMKII снижает гипертрофию и улучшает кардиальную функцию во время вливания isoproterenol, это указывает на то, что CaMK необходима и достаточна для индукции кардиальной гипертрофии114-116 (FIG. 1). Хотя ингибирование PKCα, PKCβ и PKCε с помощью генного таргетинга или блокирования пептидов показало, что они не участвуют в регуляции кардиальной гипертрофии, но избыточная экспрессия этих изоформ PKC может индуцировать кардиальную гипертрофию у трансгенных мышей. Эти находки показывают, что эти белки могут не быть первичными регуляторами этого процесса или что перекрываемость (redundancy) генов является существенной in vivo12.
Negative regulators of hypertrophy. Усиление активности негативных регуляторов может быть ценным терапевтическим подходм для лечения кардиальной гипертрофии. В этом отношении анти-гипетртрофические свойства GSK3β и класса II HDACs, cytosolic phospholipase A2 (cPLA2) и cyclic GMP-dependent protein kinase-I (PKGI) имеют критический функции117-119. Повсеместно экспрессируемая cPLA2 генерирует arachidonic кислоту из мембранных фосфолипидов. Генетическая делеция cPLA2 у мышей вызывает повышенный онтогенетический и патологический стрессами индуцированный гипертрофический миокардиальный рост посредством механизма, зависящего от arachidonic кислоты, который усиливает IGF-I-зависимую передачу сигналов (FIG. 1)117. Atrial natriuretic peptide (ANP) и B-type natriuretic peptide (BNP), а также свободные радикалы gas nitric oxide, продуцируются внутри сердца, где они активируют разного типа guanyl cyclases, которые в свою очередь генерируют cGMP, приводя к активации PKGI (FIG. 1). Активация же PKGI посредством ингибирования катаболизма cGMP ингибирует патологическую кардиальную гипертрофию после перевязывания аорты у мышей, в то время как избыточная экспрессия PKGI в культивируемых кардиомиоцитах сходным образом редуцирует гипертрофический рост118,119. Активированная PKGI, по-видимому, ингибирует calcineurin-NFAT, PI3K-AKT/PKB и ERK1/2 пути 118,120.

Concluding remarks and future directions


It is nearly impossible to discuss all of the signalling effectors that regulate aspects of the cardiac hypertrophic response in normal physiology or pathological conditions. However, we have presented some well defined pathways that seem to integrate specific neuro-endocrine signals at the cell membrane and transmit this information to intracellular target proteins that are involved in transcription, protein synthesis and protein stability.
A significant future challenge in the field will be to translate our knowledge of these signalling mechanisms into novel pharmacological or gene therapeutic treatments for pathological cardiac hypertrophy and heart failure. For example, the generation of novel and more selective inhibitors with low toxicity could provide new opportunities for alleviating heart disease. In the future, it will also be important to design new screening strategies with small molecules or small interfering RNA to identify novel therapeutic targets based on unbiased phenotypic screening or novel candidate proteins. Given the high prevalence of heart disease in the western world and the complex biology that underlies its pathogenesis, clearly a multi-pronged approach will be needed to identify novel therapeutics with a chance for success and significant improvement over current pharmacological agents.
Сайт создан в системе uCoz