GDF 15 als anti-apoptotischer und pro-hypertropher Faktor in ventrikulären Herzmuskelzellen der Ratte

Abstract

GDF 15 ist ein Mitglied der TGF-beta Superfamilie, das nach ischämischenBedingungen im Myokard hochreguliert und als potenter prognostischer Marker beikardialen Erkrankungen beschrieben wird. Im Gegensatz zu anderen TGF-betaFamilienmitgliedern konnten für GDF 15 in dieser Arbeit anti-apoptotischeEigenschaften in adulten Kardiomyozyten der Ratte beschrieben werden. GDF 15verringerte hierbei die apoptotischen Effekte von TGF-beta, SNAP und Angiotensin II.Weiterhin zeigten sich erstmalig pro-hypertrophe Eigenschaften für GDF 15.Inkubation adulter ventrikulärer Herzmuskelzellen der Ratte mit GDF 15 über 24 hvergrößerte die Proteinsyntheserate und die Querschnittsfläche signifikant. DieStärke der Hypertrophie entsprach dabei der unter alpha-adrenerger Stimulation mitPhenylephrin. Stimulation der adulten Kardiomyozyten mit dem Inhibitor derProteinkinase C, Goe6850, verringerte den pro-hypertrophen Effekt von GDF 15.Auch Inhibitoren des PI3-Kinase Weges, LY294002 oder Wortmannin, verhindertendie Steigerung der Proteinsyntheserate unter GDF 15. Dies steht im Einklang mitdem durch Phenylephrin stimulierten, alpha-adrenergen hypertrophen Signalweg. ImGegensatz zu Phenylephrin konnte die GDF 15 stimulierte Hypertrophie auch mitdem MAPK-Inhibitor PD9805 blockiert werden. Dazu ergab die Bestimmung derERK-Kinetik mittels Western Blot einen kontinuierlichen Anstieg der ERK-Aktivierungdurch GDF 15.Da der Transkriptionsfaktor SMAD ein klassisches Signalmolekül der TGF-beta Familieist, wurde seine Rolle in der Signaltransduktion von GDF 15 untersucht. Stimulationmit GDF 15 erhöhte die SMAD-Bindungsaktivität im Retardation Assay deutlich,während sich unter Phenylephrin keine Steigerung der Bindungsaktivität zeigte. DieAktivierung der SMAD-Bindungsaktivität unter GDF 15 blieb aus, wenn die Zellen miteinem Inhibitor der PI3-Kinase, der ERK oder der PKC behandelt wurden. Zudemwurde zum ersten Mal eine Beteiligung von SMAD1,5 in der Signaltransduktion vonGDF 15 in Western Blots aufgezeigt. Durch Transformation der Herzmuskelzellen mitSMAD-decoy-Oligonukleotiden, die die SMAD-Aktivität intrazellulär abfangen, wurdedie durch GDF 15 gesteigerte Proteinsyntheserate entscheidend gesenkt. Somitwurden erstmalig pro-hypertrophe Eigenschaften für SMAD-Proteine nachgewiesen.Diese Ergebnisse stellen den Wachstumsfaktor GDF15 als anti-apoptotischen undpro-hypertrophen Faktor in isolierten ventrikulären Herzmuskelzellen der adultenRatte dar. Der Signalweg der Hypertrophieinduktion verläuft dabei über klassischeSignalwege wie die PI3-Kinase und die PKC, wird aber zusätzlich durch die MAPKinaseERK und den Transkriptionsfaktor SMAD vermittelt. Letzterer scheint denklassischen Signalmolekülen nachgeschaltet zu sein. Somit handelt es sich bei GDF15 um einen bedeutsamen Faktor in der Pathologie der Herzinsuffizienz, der inZukunft als Angriffspunkt für die Diagnose und Therapie kardiovaskulärerKrankheiten dienen könnte. Growth differentiation factor 15 (GDF 15) is a member of the TGF-beta superfamily thatis up-regulated in the heart after ischemic conditions and which is described as apotent prognostic biomarker in patients with cardiac disease. In contrast to otherTGF-beta family members anti-apoptotic effects were found for GDF 15 incardiomyocytes of adult rats: GDF 15 reduced the apoptotic effects of TGF-beta, SNAPand Angiotensin II.Furthermore, it could be shown for the first time that GDF 15 acts as an inducer ofhypertrophic growth in cardiomyocytes of adult rats. Incubation of these cells withGDF 15 over 24 h enhanced the rate of protein synthesis and the cross sectionalarea significantly. The extent of hypertrophy was similar to the one under stimulationby alpha-adrenoceptor agonist phenylephrine. The hypertrophic growth response toGDF15 was abolished by the inhibitor of PKC, Goe6850. Inhibitors of the PI3-kinase,LY294002 or Wortmannin, blocked the increase of the protein synthesis rate as well.This correlates with the enhancement of cardiomyocyte growth under classical a-adrenergic stimulation by PE. In contrast to PE, GDF 15 stimulated hypertrophycould be blocked with MAPK-inhibitor PD9805. Activation of ERK was determined inwestern blots and revealed a sustained induction under GDF15 over at least 4 hours.Since transcription factors of the SMAD family are the classical signal molecules ofthe TGF-beta super family, we analyzed the role of SMADs in the development ofhypertrophy. GDF 15 enhanced SMAD binding activity in cardiomyocytes, whereasunder phenylephrine SMAD binding activity did not increase. Enhanced activation ofSMAD1 and 5 but not SMAD2 was found under GDF15. Since SMAD signaling underGDF15 was prevented by inhibition of PKC, PI3K and ERK, all these signals areupstream of SMAD activation. Transformation of cardiomyocytes with SMAD decoyoligonucleotides, which intracellular scavenge SMAD proteins, decreased GDF15induced protein synthesis. Thus, this is the first report describing pro-hypertrophiceffects of SMADs.In conclusion, GDF 15 has anti-apoptotic and pro-hypertrophic effects in ventricularcardiomyocytes of rats. Like the classical alpha-adrenergic signalling this pathway ofhypertrophy induction is mediated via PI3-kinase and PKC. In contrast to the alphaadrenergicpathway, MAP-kinase ERK and the transcription factor SMAD take part inthe hypertrophy induction stimulated by GDF 15, whereas the latter seems to liedownstream of the classical signal molecules. Therefore, GDF 15 is an importantfactor in the development of chronic heart failure that might be useful in the diagnosisand treatment of cardiovascular diseases in the future.