Co-expression of natriuretic peptide receptors and its implications on receptor regulation in smooth muscle cells of the aorta

Abstract

Die Regulierung der Hormonaktivität auf Rezeptorebene hat entscheidende physiologische Auswirkungen. Im Falle der cGMP-generierenden Rezeptoren (GC-A und GC-B) für die natriuretischen Peptide ANP, BNP und CNP vollzieht sich diese Regulation vorwiegend in der Änderung des Phosphorylierungsgrades des Rezeptors. Andauernde Bindung des Liganden führt zu einer Dephosphorylierung, die eine verminderte Empfindlichkeit des Rezeptors zum Liganden zur Folge hat. Diesen Prozess bezeichnet man als homologe Desensitisierung.Bisherige Studien mit Hypophysenzellen, die GC-A und GC-B coexprimieren, enthüllten einen unerwarteten Cross-talk zwischen ANP- und CNP-induzierten Signalwegen. Auffallenderweise löst eine Präexposition der Zellen zu CNP eine erhöhte GC-A Aktivität aus. Diese Reaktion wird offensichtlich durch eine cAMP-abhängige Proteinkinase (PKA) vermittelt.Das Ziel der vorliegenden Untersuchungen war herauszufinden, ob dieses Phänomen auch in Gefäßen vorzufinden sei, die schließlich ein wichtiges Zielorgan für natriuretische Peptide darstellen. Sowohl GC-A, als auch GC-B werden in glatten Muskelzellen der Rattenaorta reichlich coexprimiert. Organbadstudien zeigten, daß Präinkubation mit CNP die vasorelaxierende Wirkung von ANP versärkt. Weitere Experimente verdeutlichten, daß dieser Effekt durch die Aktivierung von GC-B durch CNP ausgelöst und von PKA vermittelt wird. Diese Ergebnisse werden durch Untersuchungen der intrazellulären cGMP-Konzentrationen als Indikator für die Rezeptoraktivität untermauert. Dementsprechend zeigte sich, daß die Präinkubation mit CNP zu einem signifikanten Anstieg der cGMP-Synthese durch GC-A führt. Darüberhinaus konnte demonstriert werden, daß Gefäße, die einer Präinkubation mit ANP ausgesetzt waren, eine verminderte GC-A-Aktivität zu verzeichnen hatten. Dies weist eindeutig darauf hin, daß auch GC-A in glatter Muskulatur auf Desensitisierung reagiert, welche hingegen durch Proteinkinase G (PKG) vermittelt wird.Demnach bestätigen diese Ergebnisse einen vorhandenen Signalweg, mithilfe dessen sich die Hormonsensitivität von GC-A durch CNP steigern läßt. Dieser Mechanismus ist offensichtlich in der Vaskulatur präsent und aktiv und reguliert die vasorelaxierende Potenz von ANP. Die Desensitisierung von GC-A, im Falle von erhöhten Plasmakonzentrationen von ANP zu erwarten, kann vom CNP/GC-B System wieder aufgehoben werden. Da die Abschwächung biologischer Eigenschaften von ANP augrund einer Rezeptordesensitisierung in verschiedenen Erkrankungen mit einer erhöhten Konzentration von ANP einhergeht und somit ein relevantes klinisches Problem darstellt, weist diese Arbeit auf die besondere Bedeutung von möglichen CNP/GC-B-Agonisten und ihr therapeutisches Potenzial hin.

Regulation of hormone activity at the receptor level has crucial physiological impact. In the case of the cGMP-generating receptors (GC-A and GC-B) for the natriuretic peptides ANP, BNP and CNP, such a regulation occurs primarily by changes in the degree of receptor phosphorylation. Prolonged ligand exposure induces dephosphorylation resulting in reduced receptor hormone responsiveness, a process called homologous desensitization.Previous studies with pituitary cells that co-express GC-A and GC-B revealed an unexpected cross talk between ANP- and CNP-induced signaling pathways. Strikingly, CNP pre-exposure to the cells elicited increases in GC-A activity, and this reaction was apparently mediated by cAMP-dependent protein kinase (PKA).Goal of the present investigations was to examine whether such a cross talk may exist also in the vasculature, a most important natriuretic peptide target organ. Both GC-A and GC-B were found to be co-expressed at high levels in vascular smooth muscle cells of the rat aorta. Isometric tension studies revealed that CNP pre-exposure enhances the vasorelaxing effect of ANP on vascular tone. Further experiments showed that this regulatory effect of CNP is initiated by activating GC-B and mediated through PKA. These findings were supported by assays carried out to show intracellular cGMP levels as indication for receptor enzymatic activity. Consistently, results demonstrated that pre-incubation with CNP evoked significantly higher amounts of cGMP production by GC-A. Moreover, vessels, pre-incubated with ANP, showed reduced GC-A activity, indicating that smooth muscle GC-A is also sensitive to desensitization mediated through protein kinase G (PKG).Thus, these findings corroborated the existence of a signaling pathway, by which CNP can increase the hormone-sensitivity of GC-A. This mechanism is apparently present and active in the vasculature to regulate the vasodilatory potency of ANP. Desensitization of GC-A, expected to take place under conditions of elevated ANP plasma levels, can be relieved by CNP/GC-B signaling. Since attenuation of the biological effects of ANP due to GC-A desensitization in various diseases associated with enhanced ANP levels is a major clinical problem, the data indicates a considerable therapeutic potential of GC-B agonists.