The Role of Heat Shock Protein A4 (HSPA4) in the Heart

by Daniel Marques Rodrigues
Doctoral thesis
Date of Examination:2023-02-02
Date of issue:2023-07-07
Advisor:Prof. Dr. Karl Toischer
Referee:Prof. Dr. Susanne Lutz
Referee:Prof. Dr. Michael Thumm
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-9959

 

 

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Abstract

English

Non-ischemic cardiomyopathies may be caused by genetic mutations but may also result from cytotoxic influences of chemotherapeutic drugs and the accumulation of misfolded proteins. Heat shock protein A4 (HSPA4) knockout mice have been shown to have muscular dystrophy, juvenile mortality and growth retardation, and concentric cardiac hypertrophy. Overexpression of HSPA4 has preserved a balance in protein quality control and avoided hypertrophic development of the left ventricle. The patchy histological pattern of fibrosis in mutant hearts suggests pauses in signal transmission, presumably due to gap junction disconnection. In the heart, it may be assumed that HSPA 4 is essential for preventing the aggregation of proteins and promoting degradation by the autophagic system. Additionally, mice treated with doxorubicin were protected from the proteotoxic side effects of this treatment by overexpressing HSPA4 in the heart, after which they were stressed with an acute lethal dose of the drug. Here the damaged proteins could be stabilized by increased HSP70:HSPA4 chaperoning efficiency and presumably chaperone-mediated autophagy. Chaperone-mediated autophagy is an HSPA70 and, therefore, also HSPA4 dependent process that encompasses lysosomal membrane integrity, acidification, and autophagic flux. If this process requires different nucleotide exchange and if HSP70:HSPA4 is involved has yet to be discovered. On the other hand, the DOX-induced mitochondrial damage and disrupted autophagic processes could lead to a metabolic imbalance in the cardiomyocytes, promoting a more fetal gene program initiating atrophic pathways that lead to cardiomyocyte “hibernation” The ATP-independent holdase abilities of HSPA4 could stabilize ROS-damaged mitochondrial proteins. In contrast, an increased autophagic clearance would provide an increased pool of amino acids that could be catabolized. Furthermore, excess HSPA4 protein pool did not lead to hyperactivation of protein degradation by either UPS or autophagic clearance in AAV9-HSPA4 treated control mice. This suggests excess could be therapeutic in reverse remodeling processes. The HSP70:HSPA4 chaperone-mediated autophagy could be beneficial in this context, and it would be interesting to investigate further the time-dependent proteostatic effect Autophagic degradation seems to have. It needs further research to supplement the insufficient protein pool with overexpression to improve cardiac function. Strengthening protein stability and autophagy could be advantageous as an adjuvant therapy to cardiotoxic chemotherapeutics like doxorubicin. Still, further experiments must be tested before drawing a conclusion if this holds. Ultimately, HSPA4 overexpression seemed to have beneficial effects on protein homeostasis in the heart, and gene therapeutic interventions might hold promising new prospects for the future.
Keywords: Heart Failure; Chemotherapy; Protein Quality Control; Gene Therapy

German

Nicht-ischämische Kardiomyopathien können durch genetische Mutationen, aber auch durch zytotoxische Einflüsse von Chemotherapeutika und die Ansammlung fehlgefalteter Proteine verursacht werden. Bei Mäusen, bei denen das Hitzeschockprotein A4 (HSPA4) ausgeschaltet wurde, wurden Muskeldystrophie, juvenile Mortalität und Wachstumsverzögerung sowie konzentrische Herzhypertrophie festgestellt. Die Überexpression von HSPA4 hat ein Gleichgewicht in der Proteinqualitätskontrolle bewahrt und eine hypertrophe Entwicklung der linken Herzkammer verhindert. Das lückenhafte histologische Muster der Fibrose in mutierten Herzen deutet auf eine Unterbrechung der Signalübertragung hin, die vermutlich auf eine Unterbrechung der Gap Junction zurückzuführen ist. Es ist anzunehmen, dass HSPA 4 im Herzen eine wichtige Rolle spielt, um die Aggregation von Proteinen zu verhindern und den Abbau durch das autophagische System zu fördern. Darüber hinaus wurden Mäuse, die mit Doxorubicin behandelt wurden, vor den proteotoxischen Nebenwirkungen dieser Behandlung geschützt, indem HSPA4 im Herzen überexprimiert und anschließend mit einer akuten tödlichen Dosis des Medikaments belastet wurde. Hier konnten die geschädigten Proteine durch eine erhöhte HSP70:HSPA4-Chaperon-Effizienz und vermutlich durch Chaperon-vermittelte Autophagie stabilisiert werden. Die Chaperon-vermittelte Autophagie ist ein HSPA70- und damit auch HSPA4-abhängiger Prozess, der die Integrität der lysosomalen Membran, die Ansäuerung und den autophagischen Fluss umfasst. Ob dieser Prozess einen anderen Nukleotidaustausch erfordert und ob HSP70:HSPA4 daran beteiligt ist, muss noch herausgefunden werden. Andererseits könnten die DOX-induzierte mitochondriale Schädigung und die gestörten autophagischen Prozesse zu einem metabolischen Ungleichgewicht in den Kardiomyozyten führen und ein eher fötales Genprogramm fördern, das atrophische Wege initiiert, die zum "Winterschlaf" der Kardiomyozyten führen. Die ATP-unabhängigen Holdase-Fähigkeiten von HSPA4 könnten ROS-geschädigte mitochondriale Proteine stabilisieren. Im Gegensatz dazu würde eine erhöhte autophagische Clearance einen größeren Pool an Aminosäuren bereitstellen, die katabolisiert werden könnten. Darüber hinaus führte der überschüssige HSPA4-Proteinpool bei den mit AAV9-HSPA4 behandelten Kontrollmäusen nicht zu einer Hyperaktivierung des Proteinabbaus durch UPS oder autophagische Clearance. Dies deutet darauf hin, dass der Überschuss bei umgekehrten Umbauprozessen therapeutisch wirken könnte. Die HSP70:HSPA4- Chaperon-vermittelte Autophagie könnte in diesem Zusammenhang von Vorteil sein, und es wäre interessant, die zeitabhängige proteostatische Wirkung, die der autophagische Abbau zu haben scheint, weiter zu untersuchen. Es bedarf weiteren Forschungen, den unzureichenden Proteinpool durch Überexpression zu ersetzen, um die Herzfunktion zu verbessern. Die Stärkung der Proteinstabilität und der Autophagie könnte als adjuvante Therapie zu kardiotoxischen Chemotherapeutika wie Doxorubicin von Vorteil sein. Es müssen jedoch noch weitere Experimente durchgeführt werden, bevor eine Schlussfolgerung gezogen werden kann. Letztendlich scheint die Überexpression von HSPA4 positive Auswirkungen auf die Proteinhomöostase im Herzen zu haben, und gentherapeutische Eingriffe könnten vielversprechende neue Perspektiven für die Zukunft bieten.
 
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