Сердечная недостаточность, особенно в месяцы или годы после сердечного приступа, является распространенной, дорогостоящей и растущей причиной заболеваемости и смертности во всем мире.
Сигнальная киназа – HIPK2. В то время как несколько сотен протеинкиназ были идентифицированы в клетках сердечной мышцы сердца человека с недостаточностью сердца, исследования до сих пор игнорировали большинство высокоэкспрессируемых сердечных киназ, включая HIPK2.
«Наше исследование определяет HIPK2 как новый регулятор прогрессирования сердечной недостаточности», – сказал Лал, доцент медицины отделения сердечно-сосудистых заболеваний UAB.
Киназы-регуляторы, такие как HIPK2, представляют собой ферменты, которые могут передавать сигнал с поверхности клетки – работая через каскад киназ – в ядро клетки, где сигнал изменяет экспрессию генов в хромосоме.
Чтобы определить HIPK2 как хорошего кандидата для изучения, Лал и его коллеги использовали подход биоинформатики.
Сначала они определили гены, которые по-разному экспрессируются в сердечной недостаточности мыши, а затем использовали три разных алгоритма, чтобы постулировать факторы транскрипции, ответственные за эти изменения экспрессии. Наконец, они связали эти факторы транскрипции с потенциальными вышестоящими регуляторами киназ.
«Среди этих кандидатов мы определили потенциальный модулятор сердечной недостаточности – HIPK2, киназу, роль которой в биологии сердца никогда ранее не изучалась», – сказал Лал. «Чтобы определить роль HIPK2 в сердечной недостаточности человека, мы исследовали экспрессию HIPK2 в сердечной ткани пациентов с терминальной ишемической кардиомиопатией. Экспрессия HIPK2 была резко снижена в сердечной недостаточности по сравнению с нормальным человеческим сердцем."
Это подготовило почву для более глубокого изучения.
Основные результаты, полученные в экспериментах с моделями мышей и клетками сердечной мышцы крыс, заключались в том, что делеция HIPK2 из клеток сердечной мышцы, известных как кардиомиоциты, приводила к прогрессирующему ухудшению функции сердца с возрастом. У молодых мышей нормальная функция сердца. На молекулярном уровне исследователи показали, что дефицит HIPK2 вызывает усиленную запрограммированную гибель клеток или апоптоз кардиомиоцитов в сердечной мышце.
Механически дефицит HIPK2 и передача сигналов апоптоза действуют через снижение фосфорилирования киназы ERK1 / 2.
Лал и его коллеги предполагают, что специфическое для сердца восстановление HIPK2 при сердечной недостаточности человека может быть способом замедления прогрессирования заболевания.
Детали исследования
Исследователи создали мышей с нокаутом HIPK2 в клетках кардиомиоцитов.
В возрасте 2 месяцев эти мыши с нокаутом, у которых отсутствовал HIPK2 сердечной мышцы, имели тот же уровень сердечной функции, что и контрольная группа. Тем не менее, через 3 месяца они показали значительное снижение сердечной функции – более низкую фракцию выброса и частичное укорочение – а также значительное повышение маркеров сердечной недостаточности NPPA и NPPB.
У мышей с нокаутом не наблюдалось изменений фиброза или обработки кальция по сравнению с контрольной группой. В 8-месячном возрасте сердечная недостаточность у мышей с нокаутом была намного тяжелее, и сердца демонстрировали ремоделирование и увеличение.
Исследователи также изучали гетерозиготных мышей, у которых один ген HIPK2 был удален в кардиомиоцитах, а один остался нетронутым. Эти гаплонедостаточные мыши имели сравнимую функцию сердца с контрольной группой через 3 месяца, но к 6 месяцам их сердечная функция была значительно снижена, и у мышей обнаружилось расширение левого желудочка и истончение стенки сердечной мышцы.
«Таким образом, эти результаты указывают на прямую дозозависимую зависимость между уровнем экспрессии HIPK2 кардиомиоцитов и сердечной функцией», – сказал Лал.
Исследователи обнаружили, что фосфорилирование киназ ERK1 / 2 было значительно снижено в сердцах гетерозиготных мышей, что позволяет предположить, что HIPK2 действует посредством передачи сигналов ERK.
В экспериментах с кардиомиоцитами желудочков новорожденных крыс они обнаружили, что нокдаун HIPK2 значительно снижает фосфорилирование как ERK1, так и ERK2; напротив, сверхэкспрессия HIPK2 привела к значительному увеличению фосфорилирования ERK1 / 2. Кроме того, эта сверхэкспрессия зависела от того, что HIPK2 сохраняет интактный киназный домен.
Хорошо известно, что передача сигналов ERK защищает сердце от вызванного стрессом апоптоза, который является ключевым фактором ремоделирования сердца и сердечной недостаточности.
HIPK2 также известен как ключевой регулятор апоптоза. Поэтому Лал и его коллеги искали апоптоз у мышей с нокаутом HIPK2. Они обнаружили значительное повышение проапоптотической молекулы BAX в сердечной мышце, а гистология показала явное повышение TUNEL-положительных ядер в ткани сердечной мышцы, что является признаком того, что клетки подвергаются апоптозу.
Чтобы проверить гипотезу о том, что нарушение передачи сигналов ERK в сердцах с нокаутом HIPK2 было основным фактором сердечной дисфункции, исследователи провели спасательный эксперимент.
Они использовали генную терапию, чтобы добавить сверхэкспрессию киназы MEK1 к нокаутным кардиомиоцитам. Известно, что MEK1 действует выше ERK в сигнальном каскаде киназ.
Это добавление не только восстановило фосфорилирование ERK у мышей с нокаутом; он также значительно улучшил фракцию выброса и фракционное укорочение сердец мышей и уменьшил апоптоз нокаутных кардиомиоцитов.