Universität zu Köln

Katnahji, Nour (2024). Isoform-specific Modulation of Ventricular L-type Calcium Channels by Gαi Proteins in a Murine Model of Heart Failure. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Background: Inhibitory G protein α-subunit is upregulated in heart failure (HF). In murine dilated cardiomyopathy induced by overexpression of the β1-adrenoceptor in transgenic mice (β1-tg), we have shown that Gαi2 deficiency aggravated the cardiac dysfunction, while the absence of the closely related Gαi3 had the opposite effect. The exact roles of these two Gi isoforms in failing cardiomyocytes are still unknown. As the L-type Ca2+ current (ICa,L) is altered in heart failure, this study aimed to investigate the effect of either Gαi-isoform deficiency on modulation of ventricular ICa,L in β1-tg mice. Methods: Ventricular ICa,L was measured by whole-cell patch-clamp under basal conditions or after incubation with isoproterenol (Iso) in cardiomyocytes from male β1-tg mice with or without specific Gαi expression. Absence of Gαi2 (β1-tg/Gαi2-/-) was studied at 4-5 months of age, while the absence of Gαi3 (β1-tg/Gαi3-/-) was studied at 10-11 months of age. Results: Basal peak ICa,L density was significantly reduced in β1-tg myocytes (-5.5±1.5 pA/pF) compared to wild-type (-8.1±1.6 pA/pF). In β1-tg/Gαi3-/-, ICa,L was raised towards wild-type levels (-7.5± 1.6 pA/pF). The voltage of half maximal ICaL activation was positively shifted in β1-tg myocytes compared to wildtypes (V0.5: -7.7±2.8 mV vs. -11.3±2.5 mV, p=01), whereas it was close to normal in β1-tg/Gαi3-/- myocytes (-10.6±4.3 mV). Iso (1µM) significantly increased ICa,L density in wild-type (to +169±65%, p<.001) and caused a leftward shift of activation voltage (V0.5 to -17.1±4.0 mV, p<.001). Both effects were attenuated in β1-tg (133±34%, p<.01 and -9.7±4.6 mV, p=ns) and in β1-tg/Gαi3-/- myocytes (+127±48%, p=<.05 and -14.2±6.7 mV, p=ns). In young β1-tg mice similar reduction in basal ICa,L activity was observed, but an additional lack of Gαi2 had no effect on this. However, there was a positive shift in the slope factor and voltage of basal steady-state of inactivation in β1-tg/Gαi2-/- myocytes (kinact: -3.3±0.8 mV, V0.5_inact -21.4±1.7 mV) versus wild-type (-5.3±0.8 mV, -28.8±3.7 mV, p<.001) and β1-tg (-5.1±1.1mV, -26.4±3.6 mV, p<.001). The ICa,L recovery kinetics were also significantly enhanced. Interestingly, Iso-mediated stimulatory effects were augmented in β1-tg/Gαi2-/- myocytes (e.g., ICa,L density was increased to +209±50%, p<.001). Conclusions: These findings suggest isoform-specific modulation of ventricular ICa,L by Gαi protein during cardiomyopathy progression. Gαi3 deficiency is cardioprotective, likely due to the restoration of basal ICa,L function and attenuation of adrenergic stimulatory effects. Conversely, Gαi2 deficiency can be detrimental as it fails to restore ICa,L or protect against intense β-adrenergic stimulation. It is also associated with unfavorable changes in ICa,L inactivation and recovery gating. Pharmacological intervention in the Gi-dependent signaling pathway shows promise for developing cardioprotective therapeutics.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Isoform-spezifische Modulation ventrikulärer L-Typ-Kalziumkanäle durch Gαi-Proteine in einem Mausmodell der Herzinsuffizienz German
Translated abstract:	Abstract Language Hintergrund: Die inhibitorische G-Protein-α-Untereinheit ist bei Herzinsuffizienz (HF) hochreguliert. In einer murinen dilatativen Kardiomyopathie, die durch Überexpression des β1-Adrenozeptors bei transgenen Mäusen (β1-tg) induziert wurde, haben wir gezeigt, dass ein Mangel an Gαi2 die kardiale Dysfunktion verschlimmert, während das Fehlen des eng verwandten Gαi3 den gegenteiligen Effekt hat. Die genauen Rollen dieser beiden Gi-Isoformen in versagenden Kardiomyozyten sind noch unbekannt. Da der L-Typ Ca2+-Strom (ICa,L) bei Herzinsuffizienz verändert ist, hatte diese Studie zum Ziel, den Effekt eines Mangels an einer der Gαi-Isoformen auf die Modulation des ventrikulären ICa,L bei β1-tg-Mäusen zu untersuchen. Methoden: Der ventrikuläre ICa,L wurde mittels Whole-Cell-Patch-Clamp-Technik unter basalen Bedingungen oder nach Inkubation mit Isoproterenol (Iso) in Kardiomyozyten von männlichen β1-tg-Mäuse mit oder ohne spezifische Gαi-Expression gemessen. Das Fehlen von Gαi2 (β1-tg/Gαi2-/-) wurde im Alter von 4-5 Monaten untersucht, während das Fehlen von Gαi3 (β1-tg/Gαi3-/-) im Alter von 10-11 Monaten untersucht wurde. Ergebnisse: Die basale Spitzen- ICa,L -Dichte war in β1-tg -Myozyten (-5,5±1,5 pA/pF) im Vergleich zu Wildtypen (-8,1±1,6 pA/pF) signifikant reduziert. In β1-tg/Gαi3-/- wurde ICa,L auf Wildtyp-Niveau erhöht (-7,5±1,6 pA/pF). Die Spannung der halbmaximalen ICaL-Aktivierung war in β1-tg -Myozyten im Vergleich zu Wildtypen positiv verschoben (V0.5: -7,7±2,8 mV vs. -11,3±2,5 mV, p=01), während sie in β1-tg/Gαi3-/- Myozyten nahezu normal war (-10,6±4,3 mV). Iso (1µM) erhöhte die ICa,L-Dichte in Wildtypen signifikant bis +169±65% (p<.001) und verursachte eine Linksverschiebung der Aktivierung (V0.5 auf -17,1±4,0 mV, p<.001). Beide Effekte wurden in β1-tg (133±34%, p<.01 und -9,7±4,6 mV, p=ns) und β1-tg/Gαi3-/- Myozyten (+127±48%, p=<.05 und -14,2±6,7 mV, p=ns) abgeschwächt. Bei jungen β1-tg Mäusen wurde eine ähnliche Reduktion der basalen ICa,L-Aktivität beobachtet, jedoch hatte ein zusätzliches Fehlen von Gαi2 keine Auswirkungen darauf. Allerdings gab es eine positive Verschiebung im Steigungs- und Inaktivierungsspannungsfaktor in β1-tg/Gαi2-/- Myozyten (kinact: -3,3±0,8 mV, V0.5_inact -21,4±1,7 mV) im Vergleich zu Wildtyp (-5,3±0,8 mV; -28,8±3,7mV, p<.001) und β1-tg (-5,1±1,1mV, -26,4±3,6 mV, p<.001). Die ICa,L Wiederherstellungskinetik war ebenfalls signifikant erhöht. Interessanterweise wurden die Iso-vermittelten stimulierenden Effekte bei β1-tg/Gαi2-/- Myozyten verstärkt (z.B. wurde die ICa,L Dichte auf +209±50%, p<.001 erhöht). Schlussfolgerungen: Diese Ergebnisse legen eine isoformspezifische Modulation des ventrikulären ICa,L durch Gαi-Protein während des Fortschreitens der Kardiomyopathie nahe. Das Fehlen von Gαi3 ist kardioprotektiv, wahrscheinlich aufgrund der Wiederherstellung der basalen ICa,L-Funktion und der Abschwächung adrenerger stimulierender Effekte. Im Gegensatz dazu kann ein Mangel an Gαi2 nachteilig sein, da er weder den ICa,L wiederherstellt noch vor intensiver β-adrenerger Stimulation schützt. Er ist auch mit ungünstigen Veränderungen in der ICa,L-Inaktivierung und Recovery gating assoziiert. Pharmakologische Interventionen im Gi-abhängigen Signalweg zeigen Potenzial für die Entwicklung kardioprotektiver Therapeutika. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Katnahji, Nour nour.katnahji@outlook.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-735619
Date:	2024
Language:	English
Faculty:	Faculty of Medicine
Divisions:	Faculty of Medicine > Pharmakologie > Instítut für Pharmakologie
Subjects:	Medical sciences Medicine
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Heart Failure English Inhibitory G protein English L-type calcium Channels English Patch Clamp English Transgenic Mice English G Protein Coupled Receptors English
Date of oral exam:	22 July 2024
Referee:	Name Academic Title Rosenkranz, Stephan Univ. Prof. Dr. med. Nguemo, Filomain PD. Dr.
References:	Schröper, T., Mehrkens, D., Leiss, V., Tellkamp, F., Engelhardt, S., Herzig, S., Birnbaumer, L., Nürnberg, B., & Matthes, J. (2024). Protective effects of Gαi3 deficiency in a murine heart-failure model of β1-adrenoceptor overexpression. Naunyn-Schmiedeberg’s Archives of Pharmacology. https://doi.org/10.1007/s00210-023-02751-8 Keller, K., Maass, M., Dizayee, S., Leiss, V., Annala, S., Köth, J., Seemann, W. K., Müller-Ehmsen, J., Mohr, K., Nürnberg, B., Engelhardt, S., Herzig, S., Birnbaumer, L., & Matthes, J. (2015). Lack of Gαi2 leads to dilative cardiomyopathy and increased mortality in β1-adrenoceptor overexpressing mice. Cardiovascular Research, 108(3), 348–356. https://doi.org/10.1093/cvr/cvv235
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/73561