Μελέτη καινοτόμων μηχανισμών καρδιοπροστασίας: μοριακή και λειτουργική ανάλυση του παράγοντα TNF-α σε γενετικά μοντέλα μυοκαρδιοπαθειών

Abstract

The adult myocardium demonstrates a unique system of adaptation to environmental stress, in an effort to preserve homeostasis. Tumor Necrosis Factor-α (TNF-α) is one of the major stress-induced pro-inflammatory cytokines that is up-regulated in the heart following tissue injury and its sustained expression can contribute to the development of heart failure. Although previous studies have shown that lower levels of TNF-α confer cytoprotection in the myocardium following ischemic reperfusion injury, whether TNF-α also exerts cytoprotective mechanisms in heart failure is not known. We discovered a novel cardioprotective function for TNF-α overexpression in a genetic heart failure model, the desmin deficient mice, through NF-κB-mediated cardiomyocyte ectopic expression of keratin 8 (K8) and keratin 18 (K18), two simple epithelia-specific Intermediate Filament (IF) proteins. Ectopically expressed K8 and K18 (K8/K18) form a cytoskeletal network that localizes mainly at the Intercalated Discs (IDs). This alternative K8/K18 cytoskeleton confers cardioprotection by maintaining both proper ID structure as well as mitochondrial integrity and function. Importantly, we demonstrated that K8/K18 ectopic induction also occurs in other genetic and experimental models of heart failure, and we show that loss of the K8/K18 network results in a maladaptive cardiac phenotype following transverse aortic constriction. Finally, we found that in cardiomyocytes of human failing myocardium, where TNF-α is induced, K8/K18 are also expressed ectopically and localize primarily at IDs, where desmin cannot be detected. This is the first report to propose a TNF-α-mediated cardiac ectopic expression of K8/K18 IF proteins, which may act as stress-induced cardioprotective factors in the failing heart, a phenomenon of major clinical significance as it also extends to human heart failure.

Το ενήλικο μυοκάρδιο αποτελεί ένα μοναδικό σύστημα προσαρμογής σε στρεσογόνους παράγοντες, στην προσπάθεια να διατηρήσει την ομοιόστασή του. Η προφλεγμονώδης κυτταροκίνη του παράγοντα νέκρωσης όγκων (Tumor Necrosis Factor-α, TNF-α) είναι ένα από τα σημαντικότερα στρες-επαγόμενα μόρια τα οποία υπερεκφράζονται στην καρδιά ως απόκριση σε βλάβη. Επιπλέον, η συνεχής έκφραση του TNF-α έχει σχετιστεί με την ανάπτυξη καρδιακής ανεπάρκειας. Παρότι προηγούμενες μελέτες στο μοντέλο βλάβης ισχαιμίας/επαναιμάτωσης έχουν προτείνει πως χαμηλά επίπεδα έκφρασης του παράγοντα TNF-α μπορεί να προσδίδουν κυτταροπροστασία στο μυοκάρδιο, δεν είναι γνωστή η ενδεχόμενη καρδιοπροστατευτική δράση του TNF-α στην καρδιακή ανεπάρκεια και οι αντίστοιχοι μηχανισμοί. Ανακαλύψαμε μία καινοτόμο καρδιοπροστατευτική λειτουργία του TNF-α σε ένα γενετικό μοντέλο καρδιακής ανεπάρκειας, το ποντίκι έλλειψης του γονιδίου της δεσμίνης, μέσω εκτοπικής έκφρασης στα μυοκαρδιοκύτταρα των ειδικών πρωτεϊνών ενδιάμεσων ινιδίων των απλών επιθηλίων, κερατίνη 8 (Κ8) και κερατίνη 18 (Κ18). Η εκτοπική έκφραση των Κ8 και Κ18 ρυθμίζεται από τον παράγοντα NF-κB και οδηγεί στο σχηματισμό κυτταροσκελετικού δικτύου (K8/K18) που εντοπίζεται κυρίως στους εμβόλιμους δίσκους. Το εναλλακτικό δίκτυο κυτταροσκελετού K8/K18 προσδίδει καρδιοπροστασία διατηρώντας την ακεραιότητα των εμβόλιμων δίσκων, καθώς και τη δομή και λειτουργία των μιτοχονδρίων. Επιπλέον παρουσιάζουμε πως η επαγωγή του εκτοπικού δικτύου Κ8/Κ18 συμβαίνει και σε άλλα γενετικά μοντέλα καρδιακής ανεπάρκειας και πειραματικά προκαλούμενης καρδιακής βλάβης, ενώ η έλλειψή του έχει ως αποτέλεσμα τη διατάραξη της ικανότητας προσαρμογής του μυοκαρδίου έπειτα από περίσφιξη της αορτής. Τέλος, δείχνουμε πως οι Κ8/Κ18 εκφράζονται εκτοπικά και στο ανθρώπινο παθολογικό μυοκάρδιο, όπου επάγεται ο TNF-α. Το δίκτυο Κ8/Κ18 εντοπίζεται και σε αυτήν την περίπτωση στους εμβόλιμους δίσκους των καρδιοκυττάρων, όπου η δεσμίνη βρέθηκε να απουσιάζει. Η παρούσα ερευνητική εργασία είναι η πρώτη που προτείνει την –επαγόμενη από τον TNF-α– εκτοπική έκφραση των πρωτεϊνών ενδιάμεσων ινιδίων Κ8/Κ18 στην καρδιά, οι οποίες μπορεί να δρουν ως στρες-επαγόμενοι καρδιοπροστατευτικοί παράγοντες στο παθολογικό μυοκάρδιο. Το φαινόμενο αυτό είναι ιδιαίτερης κλινικής σημασίας καθώς επεκτείνεται και στην καρδιακή ανεπάρκεια του ανθρώπου.