Analyses of differential effects of alpha1 AMPK and alpha2 AMPK on survival and metabolism in cardiac cells

Abstract

In the present study, the protective effects of adiponectin-AMPK signaling on mitochondrial biogenesis, apoptosis and cell proliferation in cardiac cells (adult cardiomyocytes, H9C2 cardiomyoblasts) were investigated. The role of alpha1 and alpha2 AMPK in these processes were examined. Adiponectin was able to induce the phosphorylation of AMPK as well as its target ACC in all these cell types. In H9C2 cardiomyoblasts, adiponectin-induced AMPK phosphorylation was mediated by both adipoR1 and adipoR2, and T-cadherin acted as co-receptor for adipoRs. Both AMPK kinases LKB1 and CaMKKbeta were involved in adiponectin-induced AMPK phosphorylation. AMPK phosphorylation either by adiponectin or A-769662 (a pharmacologic agent) showed similar effects on mitochondrial gene expression. In H9C2 cardiomyoblasts, adiponectin increased the enzyme activities of various respiratory chain complexes, which was abolished by AMPK inhibition. With the help of three stable inducible H9C2 cell lines (control, alpha1 AMPK knockdown and alpha2 AMPK knockdown), it was observed that: (1) both alpha1 and alpha2 AMPK were required for the expression and activation of mitochondrial complex I and therefore the mitochondrial respiration via complex I-III respiratory chain, but not complex II-III respiratory chain; (2) and both alpha1 and alpha2 AMPK were required for the expression and activation of mitochondrial complex IV. Furthermore, AMPK activation by either adiponectin or A-769662 showed an anti-apoptotic effect in H9C2 cardiomyoblasts. Alpha2 AMPK deletion resulted in cell apoptosis indicated by lower cell viability and rather higher activities of caspase3/7. Both alpha1 and alpha2 AMPK were required for the proliferation of H9C2 cardiomyoblasts, which was demonstrated by less DNA replication in these AMPK knockdown cells. Data of the present study revealed protective effects of alpha1 and alpha2 AMPK in cardiac cells, which may also suggest an important role of AMPK, as a potential therapeutic target, in the treatment of cardiac diseases. In der vorliegenden Arbeit wurden die protektiven Effekte des Adiponektin-AMPK-Signalweges auf die mitochondriale Biogenese, Apoptose und Zellproliferation in Herzzellen (adulte Kardiomyozyten sowie H9C2 Kardiomyoblasten) untersucht. Dabei wurde die Rolle der alpha1- und alpha2-AMPK näher beleuchtet. In allen beobachteten Zelltypen induzierte Adiponektin die Phosphorylierung sowohl der AMPK, als auch von deren Zielenzym, der ACC. In H9C2 Kardiomyoblasten vermittelten adipoR1 und adipoR2 die Adiponektin-induzierte AMPK-Phosphorylierung, während T-Cadherin als Co-Rezeptor dieser Rezeptoren fungierte. Die AMPK-Kinasen LKB1 und CaMKKbeta waren ebenfalls an der Adiponektin-induzierten AMPK-Phosphorylierung beteiligt. Die AMPK-Phosphorylierung durch Adiponektin zeigte den gleichen Effekt auf die mitochondriale Genexpression wie A-769662 (ein pharmakologisches Agens). In H9C2 Kardiomyoblasten steigerte Adiponektin die Enzymaktivität zahlreicher Komplexe der Atmungskette, was durch Inhibition der AMPK verhindert wurde. Mit Hilfe von drei stabil induzierbaren H9C2 Zelllinien (Kontrolle, alpha1-AMPK-knockdown und alpha2-AMPK-knockdown) konnte gezeigt werden, dass (1) sowohl alpha1-, als auch alpha2-AMPK für die Expression und Aktivierung des mitochondrialen Komplex I und dadurch für die mitochondriale Atmung via Komplex I-III der Atmungskette, nicht jedoch via Komplex II-III benötigt wurden; (2) beide AMPK-Isoformen für die Expression und Aktivierung des mitochondrialen Komplex IV erforderlich waren. Weiterhin zeigte die AMPK-Aktivierung durch Adiponektin oder A-769662 einen antiapoptotischen Effekt in H9C2-Kardiomyoblasten. Die Deletion der alpha2-AMPK resultierte in gesteigerter Apoptose, welche durch eine geringere Zellviabilität und eine gesteigerte Aktivität der Caspasen 3 und 7 gezeigt wurde. Beide AMPK-Isoformen wurden für die Proliferation von H9C2 Kardiomyoblasten benötigt, was anhand geringerer DNA-Replikation in den AMPK-Knockdown-Zellen demonstriert werden konnte. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen protektive Effekte der alpha1- und der alpha2-AMPK in kardialen Zellen und verdeutlichen die wichtige Rolle der AMPK als potentielles therapeutisches Ziel in der Behandlung kardialer Erkrankungen.