Tracing the cell fate of cardiomyocytes undergoing dedifferentiation upon myocardial ischemia via Runx1

Abstract

Myocardial infarction (MI) is based on the lack of blood supply in the heart muscle with the possible consequence of irreversible structural changes, known as cardiac remodeling. These ischemia-related adaption mechanisms include the dedifferentiation of cardiomyocytes (CMs). Despite intensive research, the dynamic pattern of dedifferentiated CMs, their cell fate and molecular characteristics during cardiac remodeling are still insufficiently described. I assumed in my doctoral thesis that the Runt-related transcription factor 1 (Runx1) is the central inductor and regulator of CM dedifferentiation and therefore used Runx1 as the primary target gene for further characterization of this process in the context of experimental myocardial infarction. First, I was able to demonstrate that Runx1 deficient adult mouse cardiomyocytes (mACMs) originated from a heart-specific Runx1 knock-out strain lacked the ability to sprout, elongate and decline sarcomeric proteins as typical signs of dedifferentiation. In contrast, OSM signaling, which constituted a central modulator pathway for the induction of CM dedifferentiation, was not impaired, indicating an OSM-initiated but Runx1-triggered dedifferentiation. In the second part of my study, I established a reproducible Runx1 tracing approach. There, I used different transgenic reporter mouse strains and applied them to models of MI in order to characterize ischemic and dedifferentiated Runx1+ CMs more in depth. Here, a strong induction of Runx1 expression was noted adjacent to the infarcted region. The number of Runx1+ ACMs, which also demonstrated a dedifferentiated phenotype at this time, increased within the first 7 days post MI and declined thereafter. Furthermore, living once Runx1 expressing ACMs were found throughout the entire remodeling process, what indicated that Runx1 is directly associated with the survival of ischemic CMs. Last, profiling of Runx1-traced CMs by a unique live-cell sorting approach in combination with next-generation sequencing revealed an active pro-angiogenic, proliferative and immunomodulative character with the ability of those cells to contribute to regenerative processes of the infarcted heart. Overall, I could show that the time-limited and regional Runx1-mediated dedifferentiation of CMs is neither an artificial occurrence generated in the petri dish nor a meaningless adaptation mechanism, but instead dynamically shapes cardiac remodeling processes of the ischemic heart to prevent further organ damage and resulting functional restrictions in an auto- and paracrine way of intercellular communication. Der Myokardinfarkt (MI) beruht auf der mangelnden Blutversorgung des Herzmuskels mit der möglichen Folge irreversibler struktureller Veränderungen, bekannt als kardiales Remodelling. Zu den Ischämie-bedingten Anpassungsmechanismen gehört die Dedifferenzierung von Kardiomyozyten (CMs). Trotz intensiver Forschung sind das dynamische Muster dedifferenzierter Herzmuskelzellen, ihr zelluläres Schicksal sowie die molekularen Eigenschaften während des Remodelling-Prozesses noch unzureichend beschrieben. In meiner Doktorarbeit ging ich davon aus, dass der Runt-verwandte Transkriptionsfaktor 1 (Runx1) der zentrale Induktor und Regulator der Dedifferenzierung in CMs ist und verwendete daher Runx1 als primäres Targetgen für eine weitere Charakterisierung dieses Prozesses im Kontext eines experimentellen Myokardinfarktes. Zunächst konnte ich nachweisen, dass Runx1-defiziente adulteMauskardiomyozyten (mACMs), die von herzspezifischen Runx1-Knock-out-Mäusen stammten, nicht die Fähigkeit besaßen, typische Charakteristika der Dedifferenzierung, wie ein vermehrtes Längenwachstum und der Verlust sarkomerer Strukturen, aufzuzeigen. Im Gegensatz dazu war der OSM-Signalweg, der einen zentralen Modulator für die Induktion einer kardiomyozytären Dedifferenzierung darstellte, nicht beeinträchtigt, was zwar auf eine OSM-initiierte aber durch Runx1-ausgelöste Dedifferenzierung hinwies. Im zweiten Teil meiner Studie etablierte ich einen reproduzierbaren Runx1-Tracing-Ansatz. Hierzu nutzte ich verschiedene transgene Reportermausstämme und wandte bei diesen MI-Modelle an, um ischämische und dedifferenzierte Runx1+-ACMs eingehender zu charakterisieren. Dabei wurde eine starke Induktion der Runx1-Expression in der Nähe der infarzierten Region festgestellt. Die Anzahl der Runx1+-ACMs, die zu diesem Zeitpunkt ebenfalls einen dedifferenzierten Phänotyp aufwiesen, stieg innerhalb der ersten 7 Tage nach dem MI an und nahm danachab. Darüber hinaus wurden während des gesamten Remodelling-Prozesses lebende, einmal Runx1-exprimierende ACMs gefunden, was darauf hindeutete, dass Runx1 mit dem Überleben von ischämischen CMs direkt assoziiert ist. Schließlich ergab das Profiling von Runx1-markierten CMs, in einem einzigartigen Ansatz zur Sortierung lebender Zellen und in Kombination mit einer Next-Generation-Sequenzierung, aktiv pro-angiogene, proliferative und immunmodulative Eigenschaften und damit verbunden die Fähigkeit dieser Zellen, zur Regeneration des infarzierten Herzens beizutragen. Insgesamt konnte ich zeigen, dass die Runx1-vermittelte Dedifferenzierung von CMs weder ein künstliches, also in der Petrischale erzeugtes Ereignis noch ein bedeutungsloser Anpassungsmechanismus ist, sondern stattdessen die kardialen Remodelling-Prozesse des ischämischen Herzens dynamisch beeinflusst, um so den weiteren Organschaden und daraus resultierende Funktionseinschränkungen durch einen auto- und parakrinen Weg sowie durch interzelluläre Kommunikation zu verhindern.