CaMKII-dependent regulation of ion channels and its role in cardiac arrhythmias
CaMKII-abhängige Regulation von Ionenkanälen und ihre Rolle bei kardialen Arrhythmien
by Nataliya Dybkova
Date of Examination:2008-07-03
Date of issue:2008-07-24
Advisor:Prof. Dr. Rüdiger Hardeland
Referee:Prof. Dr. Detlef Doenecke
Referee:Prof. Dr. Lars S. Maier
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Description:Dissertation
Abstract
English
Intracellular calcium (Ca2+) is a central second messenger, which translates the electrical signal into cardiac contraction. This process is termed excitation-contraction coupling (E-C coupling). Recently, it has become clear that several Ca2+-dependent proteins contribute to the fine tuning of E-C coupling. One of these is the Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII). Its major cardiac isoform is CaMKIIδ with the δC splice variant being localized to the cytosol. CaMKII can phosphorylate and alter the function of several Ca2+ handling proteins including sarcoplasmic reticulum Ca2+ release channels also known as ryanodine receptors (RyR). Increased CaMKII activity has been linked to heart failure (HF) and ventricular arrhythmias. Expression levels and activity of CaMKII in human HF and in animal HF models are increased 2- to 3- fold. HF is associated with an increased risk of sudden death mainly caused by ventricular arrhythmias. Altered sodium (Na+) channel function has been shown to underlie ventricular arrhythmias. Another mechanism for ventricular arrhythmias is catecholaminergic polymorphic ventricular tachycardia (CPVT). CPVT is a disease caused by mutations (e.g. R4496C) in the cardiac RyR2 gene in individuals with structurally normal hearts.In the present work it has been investigated 1) whether CaMKIIδC associates with and phosphorylates cardiac Na+ channels in rabbit myocytes and mouse heart tissue thereby regulating its function possibly leading to ventricular arrhythmias; 2) intracellular Ca2+ handling in mouse myocytes harboring the R4496C mutation in RyR2; 3) possible alterations of E-C coupling and arrhythmogenic effects due to overexpression of CaMKIIδC in mouse hearts, carrying additionally the R4496C mutation in cardiac RyR2. The present study shows that CaMKIIδC associates with cardiac Na+ channels within the transverse tubular system, and that CaMKIIδC can phosphorylate Na+ channels in both mouse and rabbit myocardium.Studies with a mouse model harboring the R4496C mutation in RyR2 revealed abnormal Ca2+ release through RyR2. Overexpression of CaMKIIδC in these mice leads to severe heart failure, contractile dysfunction and altered intracellular Ca2+ handling in vitro causing arrhythmogenic events in isolated myocytes under basal conditions and increased mortality in vivo as compared to mice overexpressing CaMKIIδC only.
Keywords: arrhythmias; CaMKII; calcium; excitation-contraction coupling; Na channel; ryanodine receptor
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Intrazelluläres Calcium (Ca2+) ist der zentrale
Second Messenger, der das elektrische Signal in
kardiale Kontraktion umsetzt. Dieser Prozess wird als
elektromechanische Kopplung (EC-Coupling) bezeichnet.
In der letzten Zeit hat sich herausgestellt, dass
einige Calcium-sensible Proteine am Ablauf der
elektromechanischen Kopplung beteiligt sind. Eines
dieser Proteine ist die Ca2+/Calmodulin abhängige
Proteinkinase II (CaMKII). Die hauptsächlich im Herzen
vorkommende Isoform ist die CaMKIIδ, deren
Splice-Variante δc im Zytosol lokalisiert ist. Die
CaMKII phosphoryliert und verändert so die Funktion von
mehreren Proteinen, die am Ca2+-Stoffwechsel beteiligt
sind, darunter unter anderem auch den
Calciumfreisetzungskanal des sarkoplasmatischen
Retikulums, auch bekannt als Ryanodin-Rezeptor (RyR).
Eine erhöhte CaMKII-Aktivität ist mit Herzinsuffizienz
und ventrikulären Arrhythmien assoziiert. Aktivität und
Expression der CaMKII sind in menschlichen wie
tierischen Herzinsuffizienzmodellen zwei- bis dreifach
erhöht. Die Herzinsuffizienz ist mit einem erhöhten
Risiko des plötzlichen Herztodes assoziiert, der
hauptsächlich durch ventrikuläre Arrhythmien verursacht
wird. Es wurde gezeigt, dass eine veränderte Natrium
(Na+)-Kanal-Funktion ventrikulären Arrhytmien zugrunde
liegt. Ein anderer Mechanismus für die Ausbildung
ventrikulärer Arrhytmien ist die katecholaminerge
polymorphe ventrikuläre Tachykardie (CPVT). Dabei
handelt es sich um eine Krankheit bei strukturell
intaktem Herzen, die durch eine Mutation (z.B. R4496C)
im kardialen RyR2-Gen verursacht wird. In der
vorliegenden Arbeit wurde untersucht, 1) ob die
CaMKIIδC mit kardialen Natrium-Kanälen assoziiert ist
und diese phosphoryliert. Hierzu wurden Kardiomyozyten
von Kaninchen und murines Herzgewebe herangezogen; 2)
ob und wie der intrazelluläre Ca2+-Haushalt in murinen
Kardiomyozyten, die die R4496C-Mutation tragen,
verändert ist; 3) ob es mögliche Veränderungen in der
elektromechanischen Kopplung und möglicherweise
arrhythmogene Effekte aufgrund einer Überexpression der
CaMKIIδC in Mäuseherzen gibt, die darüber hinaus die
Mutation R4496C im kardialen RyR2 tragen.Die aktuelle Arbeit zeigt, dass die CaMKIIδC mit
kardialen Na+-Kanälen innerhalb der T-Tubuli assoziiert
ist, und dass die CaMKIIδC Na+-Kanäle sowohl im Maus-
als auch im Kaninchenmyokard phosphorylieren kann.Studien mit einem Mausmodell, das die
R4496C-Mutation im RyR2 trägt, zeigten eine
unregelmäßige Calcium-Abgabe durch den RyR2. Die
Überexpression der CaMKIIδC führte in diesen Mäusen zu
einer schweren Herzinsuffizienz, kontraktiler
Dysfunktion und einem veränderten intrazellulären
Stoffwechsel in vitro, was im Vergleich zu Mäusen, die
nur eine Überexpression der CaMKIIδC hatten, zu
vermehrten arrhythmogenen Ereignissen in isolierten
Myozyten unter Basalbedingen wie auch zu einer erhöhten
Mortalität in vivo führte.
Schlagwörter: Arrhythmien; CaMKII; Calcium; elektromechanische Kopplung; Na Kanal; Ryanodin-Rezeptor