Role of Peroxisome Proliferator Activated Receptor-alpha (PPARalpha) in cardiomyogenesis of mouse embryonic stem cells

Abstract

Peroxisome proliferator-activated receptors (PPARalpa, -beta and -gamma) are nuclear receptors involved in transcriptional regulation of lipid and energy metabolism. Since the energy demand increases when cardiac progenitor cells develop rhythmic contractile activity, we hypothesized that PPAR activation may play a critical role during cardiomyogenesis of embryonic stem (ES) cells.We show that ES cells express PPARalpa, -beta, and -gamma mRNA during differentiation of ES cells towards cardiac cells. Treatment of embryoid bodies with PPARalpha agonists (WY14643, GW7647 and ciprofibrate) significantly increased cardiomyogenesis and expression of the cardiac genes ANP, MHCalpha, MHCbeta, MLC2a, MLC2v, and cardiac alpha-actin. Furthermore, WY14643 increased PPARalpha gene expression and the expression of the cardiogenic transcriptionfactors GATA4, Nkx2.5, DTEF1 and MEF2c. In contrast, the PPARalpha antagonist MK886 decreased cardiomyogenesis, whereas the PPARbeta agonist L-165,041 as well as the PPARgamma agonist GW1929 were without effects. Treatment with PPARa but not PPARb, and PPARg agonists and MK886 resulted in generation of reactive oxygen species (ROS), which was inhibited in the presence of the NADPH oxidase inhibitors diphenylen iodonium (DPI) and apocynin and the free radical scavengers vitamin E and N-(2-mercapto-propionyl)-glycine (NMPG), whereas the mitochondrial complex I inhibitor rotenone was without effects. The effectof PPARalpha agonists on cardiomyogenesis of ES cells was abolished upon preincubation with free radical scavengers and NADPH oxidase inhibitors, indicating involvement of ROS in PPARa-mediated cardiac differentiation.In summary our data indicate, that stimulation of PPARalpha but not PPARbeta and -gamma enhances cardiomyogenesis in ES cells using a pathway that involves ROS and NADPH oxidase activity. Peroxisomen-Proliferator-aktivierte Rezeptoren (PPARalpha, -beta, und -gamma) sind nukleäre Rezeptoren, die an der Regulation des Fettstoffwechsels und des Energiehaushalts beteiligt sind. Da die rhythmische kontraktile Aktivität der Herz-Vorläuferzellen im Laufe der Entwicklung einen gesteigerten Energieverbrauch voraussetzt, liegt die Vermutung nahe, dass PPAR eineentscheidende Rolle in der Kardiomyogenese spielen.In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass während des Differenzierungsprozesses embryonaler Stammzellen PPARalpha, -beta, und -gamma mRNA nachweisbar ist. Eine Behandlung der aus Stammzellen gewonnenen embryoid bodies mit den PPARa Agonisten WY14643, GW7647 und Ciprofibrat führte zu einer signifikant gesteigerten Kardiomyogenese, sowie zu einem signifikanten Anstieg der Genexpression kardialer Marker wie ANP, MHCalpha, MHCbeta, MLC2a, MLC2v und kardiales alpha-Aktin. Desweiteren erhöht WY14643 die PPARalpha Genexpression, sowie die Expression der kardialen Transkriptionsfaktoren GATA4, Nkx2.5, DTEF1 und MEF2c. Im Gegensatz dazu reduzierte der PPARalpha Antagonist MK886 die Differenzierung von Kardiomyozyten, während sowohl der PPARbeta Agonist L-165041 als auch der PPARgamma Agonist GW1929 ohne Effekt blieben. PPARalpha Agonisten und der Antagonist MK886, jedoch nicht die PPARbeta und -gamma Agonisten, führten zur Entstehung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS), die in Anwesenheit von NADPH Oxydase Inhibitoren Diphenylen iodonium (DPI) und Apocynin, sowie der freien Radikalfänger Vitamin E und N-(2-mercapto-propionyl)-Glycerin (NMPG) in ihrer Bildung gehemmt wurden. Rotenon, ein Inhibitor des mitochondrialen Komplexes I, zeigte dagegen keine Beeinflussung der ROS. Das Aufheben des Effektes der PPARalpha Agonisten auf die Kardiomyogenese mittels freier Radikalfänger und NADPH Oxydase Inhibitoren lässt auf eine Beteiligung der ROS in der PPARalpha-vermittelten kardialen Differenzierung schließen.Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Aktivierung von PPARalpha, jedoch nicht PPARbeta und PPARgamma, eine gesteigerte Kardiomyogenese zur Folge hat, welche über einen ROS und NADPH Oxydase abhängigen Signalweg induziert wird.