Functional role of NFAT in ventricular cardiomyocytes of rat

Abstract

Catecholamines contribute to the adaption of heart to pressure overload via stimulation of adrenoceptors (a- or b-adrenoceptor). While mechanisms resulting in hypertrophic growth of myocytes after a- or b-adrenoceptor-stimulation are established, the functional consequences on cardiomyocyte contractility or hypertrophy are unknown. The present study investigates whether a- or b-adrenoceptor-stimulation by phenylephrine (PE) or isoprenaline (ISO) over 24 h modifies cell shortening in ventricular cardiomyocytes of rat. In PE-treated myocytes cell shortening at 0.5 Hz was reduced. At 2.0 Hz this reduction was compensated by an increased relaxation velocity. In parallel, SERCA2A expression was increased at protein level and at mRNA level. This induction was independent of PKC activation but dependent on an increase in diastolic calcium. The calcineurin/NFAT pathway was identified, since addition of BAPTA, cyclosporine or NFAT-decoy oligonucleotides reduced SERCA2A expression in presence of PE as regulators of SERCA2A expression. Inhibition of SERCA up regulation under PE by NFAT decoy oligonucleotides reduced cell shortening at high beating frequencies. Under b-adrenoceptor stimulation similar effects were found: SERCA2A expression was increased under ISO-stimulation and could be reduced to basal level by NFAT decoy oligonucleotides. Decreased cell shortening under ISO is found at 0.5 Hz, but not at high beating frequencies (2 Hz). In myocytes transformed with NFAT decoy oligos decreased cell shortening is present also at 2 Hz under b-adrenergic stimulation. In conclusion, a functional deficite in contraction of cardiomyocytes due to PE or ISO stimulation can be partially antagonized by PE- or ISO-dependent activation of SERCA expression mediated via the calcium/calcineurin/NFAT pathway Katecholamine tragen über die Aktivierung a- oder b-Adrenorezeptoren Zur Anpassung des Herzens an erhöhte Druckbelastung bei. Während Mechanismen der Hypertrophie-Induktion unter a- oder b adrenerger Stimulation weitgehend bekannt sind, ist ihr Einfluss auf die kontraktile Funktion von Herzmuskelzellen wenig untersucht. Die hier vorliegende Arbeit untersucht, ob eine 24-stündige Adrenozeptorstimulation mit Phenylephrin (PE) oder Isoprenalin (ISO) die Zellverkürzung in ventrikulären Herzmuskelzellen der Ratte beeinflusst. In PE-behandelten Herzmuskelzellen kam es zu einer verringerten Zellverkürzung (dL/L), wenn die Zellen mit 0,5 Hz stimuliert wurden. Bei erhöhten Frequenzen (2 Hz) war die Zellverkürzung normal. Dies ging einher mit einer erhöhten Relaxationsgeschwindigkeit und einer Erhöhung der SERCA2A-Expression in PE-behandelten Zellen. Die Induktion der SERCA-Expression war abhängig von einer Erhöhung der diastolischen Kalziumkonzentration. Gabe von BAPTA, Cyclosporin oder NFAT-Decoy-Oligonukleotiden hemmte die PE-induzierte SERCA-Expression, was Kalzium/Calcineurin/NFAT als Regulatoren der SERCA-Expression charakterisiert. Die reduzierte SERCA-Expression nach Transformation mit NFAT-Decoy-Oligonukleotiden hatte eine erniedrigte Zellverkürzung bei elektrischer Stimulation auch unter hohen Frequenzen (2 Hz) zur Folge.Unter b-adrenerger Expression wurden ähnliche Effekte gefunden: Die SERCA2A-Expression wurde durch Gabe von Isoprenalin erhöht. Diese Induktion konnte durch NFAT-Decoy-Oligonukleotide verhindert werden. Eine reduzierte Zellverkürzung wurde in ISO-behandelten Zellen bei elektrischer Stimulation mit 0,5 Hz, aber nicht mit 2 Hz gefunden. Nach Transformation der Herzmuskelzellen mit NFAT-Decoy-Oligonukleotiden wurde eine reduzierte Zellverkürzung auch bei 2 Hz in ISO-stimulierten Zellen gemessen. Schlussfolgerung: Ein funktionelles Defizit der kontraktilen Zellverkürzung durch Inkubation von Herzmuskelzellen mit PE oder ISO kann zum Teil durch eine Erhöhung der SERCA-Expression ausgeglichen werden. Die Expression der SERCA unter PE- oder ISO-Stimulation wird über den Kalzium/Calcineurin/NFAT-Signalweg vermittelt.