Mechanismen der Proliferation von Kardiomyozyten differenziert aus embryonalen Stammzellen der Maus

Abstract

Kurz nach der Geburt verlieren Kardiomyozyten ihre Proliferationsfähigkeit, das weitere Wachstum des Herzen erfolgt durch Hypertrophie. In dieser Arbeit wurde zum ersten Mal die Proliferationsfähigkeit der Kardiomyozyten von embryonalen Stammzellen (ES Zellen) mit der neonataler Kardiomyozyten der Maus verglichen und der Effekt reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) auf die Proliferationsfähigkeit und die Kardiomyogenese untersucht. Geringe Konzentrationen H2O2 stimulierten die Kardiomyogenese von ES Zellen und induzierten die Zellproliferation der Kardiomyozyten, die aus ES Zellen und neonatalen Kardiomyozyten gewonnen wurden. Dies wurde anhand der Inkorporation von BrdU, der Steigerung der Ki-67-Expression, der Kerntranslokation von Zyklin D1, der Phosphorylierung des Retinoblastoms (Rb) und der verminderten Expression des p27KIP1 untersucht. Die beobachteten Effekte wurden in Anwesenheit der freien Radikalfänger Trolox und NMPG aufgehoben. In ES Zellen führte die Zugabe von ROS zu einer Expressionssteigerung der kardialen Gene a-CA, ANP, & #946;-MHC, MLC 2a und MLC 2v, der herzspezifischen Transkriptionsfaktoren MEF 2C, DTEF 1, GATA 4 und Nkx 2.5 und des bei der Kardiomyogenese involvierten Wachstumsfaktors BMP-10. Die Behandlung der Kardiomyozyten mit ROS führte sowohl zu einer Steigerung der Proteinexpression der NADPH-Oxidase-Untereinheiten MOX 1, NOX 4, p22phox, p47phox und p67phox als auch zu einer Steigerung der NOX 1 und NOX 4 mRNA, was für eine vorwärtsgerichtete Regulation der ROS-Generierung spricht. Dem entsprechend verhinderte eine Inhibierung der NADPH-Oxidase durch DPI und Apocynin die ROS-induzierte Kardiomyogenese der ES Zellen. Die Daten sprechen dafür, dass bei der Proliferation der neonatalen und ES-Zell-abgeleiteten Kardiomyozyten ROS-vermittelte Signalkaskaden involviert sind und dass die NADPH-Oxidase die kardiovaskuläre Differenzierung der ES Zellen beeinflusst. Shortly after birth the proliferation of cardiac cells declines by so far unknown reasons, and further growth of the heart occurs by hypertrophic cell growth. In the present study the cell proliferation capacity of mouse embryonic stem cells versus mouse neonatal cardiomyocytes and the effects of reactive oxygen species on cardiomyogenesis and cardiac cell proliferation of ES cells was investigated. Low levels of ROS stimulated cardiomyogenesis and induced cell proliferation of ES-cell-derived and mouse neonatal cardiomyocytes as investigated by nuclear translocation of cyclin D1, downregulation of p27KIP1, phosphorylation of retinoblastoma, increase of Ki-67 expression and incorporation of BrdU. The observed effects were blunted in the presence of the free radical scavengers trolox and NMPG. In ES cells exogenous ROS induced the expression of the cardiac-specific genes α-CA, ANP, β-MHC, MLC 2a and MLC 2v as well as the cardiac-specific transcription factors MEF 2C, DTEF 1, GATA 4 and Nkx 2.5 and the cardiomyogenesis-assocciated growth factor BMP-10. Treatment of cardiac cells with ROS increased MOX 1, NOX 4, p22phox, p47phox and p67phox protein as well as NOX 1 and NOX 4 mRNA, indicating feed-forward regulation of ROS generation. Consequently, inhibition of NADPH oxidase with DPI and apocynin totally abolished ROS-induced cardiomyogenesis of ES cells. In summary, the data suggest that proliferation of neonatal and ES cell-derived cardiac cells involves ROS-mediated signalling cascades and point toward an involvement of NADPH oxidase in cardiovascular differentiation of ES cells.