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Remodeling of the Inositol(1,4,5)-Triphosphate Ca2+ release Mechanism in Cardiomyocytes: Beneficial or Detrimental?

English title Remodeling of the Inositol(1,4,5)-Triphosphate Ca2+ release Mechanism in Cardiomyocytes: Beneficial or Detrimental?
Applicant Egger Marcel
Number 185211
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Institut für Physiologie Medizinische Fakultät Universität Bern
Institution of higher education University of Berne - BE
Main discipline Cardiovascular Research
Start/End 01.05.2019 - 30.04.2023
Approved amount 496'558.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Cardiovascular Research
Physiology : other topics

Keywords (5)

Cardiomyocytes; Ca2+ signaling; InsP3 signaling; EC-coupling; Cardiac muscle

Lay Summary (German)

Lead
Herz-Pathologien sind mit Veränderungen und Anpassungen ("Remodeling") auf zellulärem Niveau verbunden. Von besonderem Interesse sind dabei zelluläre Mechanismen die im Zusammenhang mit der Erregungs-Kontraktions-Kopplung in ventrikulären und arterialen Kardiomyocyten stehen. In diesen, für die Herzleistung entscheidenden Zellen, ist die Rolle des Inositol-1,4,5-triphosphat aktivieren Kalziumfreisetzungs Mechanismus bei Herz-Pathologien ein aktueller Forschungsgegenstand und bisher nicht ausreichend verstanden. Das Projekt leistet dazu einen Beitrag.
Lay summary
Inhalt und Ziele des Forschungsprojekts

Seit Mitte der 1990er Jahre konnten zentrale regulatorische zelluläre und molekulare  Mechanismen der Herzmuskelkontraktion aufgeklärt werden. Gegenwärtig ist vor allem der Einfluss von pathophysiologischem Stress bei unterschiedlichen Herzpathologien auf zelluläre und subzelluläre regulatorische Prozesse der Erregungs-Kontraktions-Kopplung von Interesse. Eine gestörte oder veränderte zelluläre Kalzium-Homöostase spielt hierbei eine Schlüsselrolle. Im Zusammenhang mit dem zellulären Remodeling ist über Kalzium-Freisetzungskanäle welche sensitiv auf das intrazelluläre Signalmolekül inositol-1,4,5-triphosphate (IP3) reagieren, wenig bekannt. Es gibt nur wenige experimentelle Studien die einen funktionellen Zugang auf sub-zellulärer Ebene der IP3-induzierten Kalzium-Freisetzung und deren funktioneller Interaktion mit anderen Kalzium-Freisetzungs-Mechanismen und Phänomenen, darstellen. Mit Hilfe von unterschiedlichen biophysikalischen Methoden, wie konfokaler Mikroskopie und lokaler mechanischer Stimulation wird die Funktion der IP3-Rezeptoren auf subzellulärer Ebene untersucht. Hierbei richtet sich unser Interesse auf einen bisher wenig untersuchten regulatorischen Faktor (X-ROS) der die Rezeptor-Funktion moduliert. Des weiten ist das mikroanatomische Arrangement (Clustering) und zusammenwirken der IP3-Rezeptoren bisher nicht klar. Das funktionelle Clustering ist für die Wechselwirkung verschiedenen Kalzium-Freisetzungs-Mechanismen bedeutsam.  Hier werden spezielle hochauflösende Mikroskopie-Techniken (dSTORM) im Zusammenwirken mit speziellen transgenen Tiermodellen eingesetzt.  

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Das Projekt befasst sich mit biomedizinischer Grundlagenforschung. Herzerkrankungen haben eine grosse gesellschaftliche und gesundheitspolitische Relevanz. Die Entwicklung von Therapien welche pathophysiologisches Kalzium-Missmanagement korrigiert oder verbessert, könnte sich positiv auf die Pathogenese von Herzpathologien auswirken. Hierzu könnte das Projekt Grundlagendaten liefern.

Direct link to Lay Summary Last update: 10.04.2019

Responsible applicant and co-applicants

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
149301 Inositol(1,4,5)-Triphosphate Signaling in Cardiomyocytes - Contribution to CICR 01.04.2014 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Background: In cardiomyocytes, controlled Ca2+ release from the sarcoplasmic reticulum (SR) is responsible for the functional stability of the excitation-contraction coupling (ECC) mechanism, linking electrical membrane excitability with force production on a cellular level. This is a prerequisite for the coordinated contraction and relaxation of the whole heart. Recently, it has been emphasized that Ca2+ release through channels sensitive to the intracellular second messenger inositol-1,4,5-triphosphate (InsP3, IP3ICR) may account for a significant functional contribution in ECC under pathophysiological conditions. However, underlying cellular and molecular mechanisms of IP3ICR and their role in cellular remodeling still remain puzzling.Working hypothesis: Our working hypothesis predicts that InsP3 receptor type 2 (InsP3R2) and ryanodine receptor type 2 (RyR2) crosstalk are significant under cellular remodeling conditions during pathophysiological stress. We provide evidence for a new concept of bi-directional regulatory mechanisms for IP3ICR on CICR. In a pathological state, increased InsP3R2 expression and function may contribute to a “boosting” role on CICR while simultaneously protecting against Ca2+-triggered arrhythmogenicity (“dual-action” of IP3ICR). We hypothesized that the progression in functional InsP3R expression remodeling to a large extent is responsible for the “dual-action” of IP3ICR. For a protective role of IP3ICR we hypothesized that “orphaned” InsP3R2 appears to be responsible for this IP3ICR operation. In addition, we assume that ROS signaling targets IP3ICR similarly to what was suggested for RyR2 functional regulation. General aims: 1) We seek to understand the “dual-action” of IP3ICR in ECC under remodeling conditions considering causality, timeline, kind-of-interaction and sub-cellular compartmentation of InsP3R2/IP3ICR remodeling. This also includes verification of the “orphaned” hypothesis of InsP3R2 spatial distribution. 2) We intend to characterize “tuned” IP3ICR via the mechano-sensitive X-ROS signaling pathway under remodeling conditions. Specifically we intended to clarify whether X-ROS signaling is beneficial or detrimental for IP3ICR (e.g. Ca2+ puffs) depending on mechanical stress. At present, for cardiomyocytes a specific contribution of ROS-dependent pathways on the modulation of InsP3R2 activity and IP3ICR remains to be established.Experimental design and methods: The study is mainly based on functional read-outs from SR-Ca2+ release channels (RyR2, InsP3R2) on a local scale accessed from cardiomyocytes isolated from a model specifically overexpressing InsP3R2 in the heart. This model mimics, at least in part, cardiac hypertrophy occurring in patients. The general aims will be addressed with a combination of simultaneously applied imaging methods (e.g. confocal microscopy), photolysis of caged compounds, and whole-cell voltage clamp techniques. Local Ca2+ events will be analyzed by using a recently developed per-pixel denoising and clustering algorithm, which enables precise identification and separation of different types of Ca2+ events. To obtain information about subcellular InsP3R2 expression and spacial distribution, we intend to use a self-labeling technology with a newly designed transgenic mouse that conditionally over-expresses snap-taged-InsP3R2s and combine this labeling technology with super-resolution imaging (dSTORM). This innovative approach will enable us to reveal the InsP3R2 sub-cellular location, clustering and compartmentation in an extremely precise and specific manner. In order to examine the ROS signaling on IP3ICR we will establish a novel and very innovative approach based on fiber optic interferometric micro-electromechanics (nano-indentation) to trigger stretch-dependent ROS production in cardiomyocytes. Locally stimulated X-ROS signaling and subsequent ROS production will be triggered by nano-indentation. We shall also use fluorescent dyes to perform direct confocal measurements of ROS or Ca2+ release at cellular subdomains. Expected impact of the proposed project: Developing therapies that might prevent or reverse pathological intracellular Ca2+ mismanagement in cardiomyocytes, thereby avoiding progression to heart failure, requires an improved understanding of the cellular mechanisms and identification of novel therapeutic targets. We intend to contribute with substantial new knowledge about beneficial or deleterious effects of IP3ICR in remodeling of ECC in ventricular and atrial cardiomyocytes. Because of their ability to establish functional crosstalk with RyR2s, InsP3Rs may be a potential target for pharmacological interventions. Because of the functional similarity of InsP3Rs types in various tissue, our findings can be of importance in a broader context for therapeutic strategies to treat other diseases (e.g. neurodegenerative disorders).
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