The influence of DYRK1A on the activated Calcineurin/NFAT signaling pathway and hypertrophy in cardiomyocytes

Die myokardiale Hypertrophie stellt zunächst einen Kompensationsmechanismus dar, der die gesteigerte Druckbelastung der Ventrikelwand normalisiert. Eine anhaltende Herzhypertrophie korreliert jedoch mit der Entwicklung einer Herzinsuffizienz und dem plötzlichen Herztod. Die Calcium/Calmodulin-aktivierte Phosphatase Calcineurin ist mit dem nachgeschalteten Transkriptionsfaktor NFAT in der Entstehung der Herzhypertrophie ein ausführlich untersuchter Signalweg. Aktiviertes Calcineurin dephosphoryliert NFAT, das in den Zellkern transloziert und dort ein pro-hypertrophes Genprogramm initiiert. Zu den Proteinen, die dadurch vermehrt exprimiert werden, gehören unter anderem β-MHC, ANF und BNP. Kürzlich konnten zwei Arbeitsgruppen die Kinase DYRK1A, eine von sechs Mitgliedern der Serin-Threonin-Kinase-Familie Dual specificity tyrosine-phosphorylation regulated kinases (DYRKs), als NFAT-Kinase in nicht-kardiomyozytären Zellen identifizieren (Arron et al. 2006; Gwack et al. 2006). In der vorliegenden Arbeit wurde die Funktion von DYRK1A in Kardiomyozyten in vitro und in vivo untersucht. Dyrk1a konnte in isolierten Kardiomyozyten adulter Mäuse als die am stärksten exprimierte Isoform identifiziert werden. Überdies lassen die Daten dieser Arbeit auf eine negative Feedback-Regulation der DYRK1A-Expression schließen. Durch eine Calcineurin-vermittelte NFAT-Stimulierung konnte eine signifikant vermehrte DYRK1A-Expression festgestellt werden. In vitro konnte DYRK1A eine Phenylephrin-induzierte Hypertrophie in kultivierten Kardiomyozyten antagonisieren. In diesem Versuch fiel weiterhin auf, dass ein geringer pro-hypertropher Effekt in den Ad-DYRK1A-transduzierten Zellen auftrat. Diese Tendenz war auch in der immunhistologischen Analyse in vivo bei den DYRK1A/tTA- vs. tTA-transgenen Mäusen nachweisbar. Der daraufhin untersuchte Einfluss von DYRK1A auf den Hypertrophie-induzierenden MAPK-Signalweg konnte in vitro und in vivo nicht festgestellt werden. Nach adenoviraler Calcineurin-Transduktion von Kardiomyozyten konnte eine circa 50 %ige Kernlokalisation von NFAT festgestellt werden, welcher im unstimulierten Zustand nahezu ausschließlich zytoplasmatisch vorliegt. Diese konnte durch eine endogene Hemmung von DYRK1A signifikant gesteigert werden. Somit konnte in vitro gezeigt werden, dass DYRK1A in Kardiomyozyten den Hypertrophie-induzierenden Calcineurin/NFAT-Signalweg inhibiert und die kardiomyozytäre Hypertrophie hemmt. Für die Untersuchung eines gesteigerten DYRK1A-Einflusses auf die kardiale Hypertrophie in vivo wurde die DYRK1A/tTA-transgene Mauslinie detailliert analysiert. Eine ubiquitäre DYRK1A-Expression in der Embryonalentwicklung führt zu Herzfehlern und der Herzinsuffizienz. Daher wurde im Vorfeld dieser Arbeit eine Maus generiert, die herzspezifisch und nur in Abwesenheit von Doxycyclin DYRK1A überexprimiert. In der vorliegenden Arbeit konnte sowohl die induzierbare als auch herzspezifische DYRK1A-Überexpression nachgewiesen werden. In den folgenden Versuchen wurde der Einfluss einer gesteigerten DYRK1A-Expression auf die myokardiale Hypertrophie analysiert. Mit Hilfe zweier Interventionen wurde die Hypertrophie erreicht. Zum einen wurde ein Mausmodell, das einer Ligatur-Operation der Aorta descendens unterzogen wurde, zum anderen eine Calcineurin-überexprimierende Mauslinie gewählt. Die transgenen Mäuse wurden mittels Echokardiographie, histologischer Färbung, des Herzgewicht/Körpergewicht Verhältnisses und des mRNA-Expressionsniveaus von Bnp, Myh7 und Rcan1-4 untersucht. In beiden Modellen konnte kein protektiver Effekt einer DYRK1A-Überexpression festgestellt werden. Zur Analyse der transkriptionellen NFAT-Aktivität in vivo wurde das NFAT-Luciferase-Mausmodell verwendet. Diese Mäuse exprimieren in Kardiomyozyten unter der Kontrolle eines NFAT-sensitiven Promotors das Enzym Luciferase über (NFAT-Luc). Hier konnte auf einen akuten, zeitlich begrenzten Einfluss von DYRK1A auf die transkriptionelle NFAT-Aktivität geschlossen werden. Die Daten der vorliegenden Arbeit deuten darauf hin, dass eine herzspezifische DYRK1A-Überexpression in vivo kompensiert werden kann, was einen anti-hypertrophen Effekt limitieren könnte.Aims: The calcineurin and nuclear factor of activated T cells (NFAT) pathway can mediate cardiac pro-hypertrophic signalling. Recently, it has been shown that dual-specificity tyrosine-phosphorylation regulated kinase 1A (DYRK1A) phosphorylates NFAT, limiting calcineurin/NFAT signal transduction in T cells and hypertrophy in cultured cardiomyocytes. The aim of the present study was to test the hypothesis that DYRK1A prevents calcineurin/NFAT mediated cardiac hypertrophy in vivo. Methods and Results: In cultured rat cardiomyocytes adenovirus-mediated overexpression of DYRK1A antagonised calcineurin mediated nuclear NFAT translocation and phenylephrine-induced hypertrophic growth response. To test the capacity of DYRK1A to reduce hypertrophic cardiac growth in vivo, we created tetracycline repressible Dyrk1a transgenic mice to avoid cardiac developmental defects associated with embryonic DYRK1A expression. However, in vivo, histological determination of myocyte diameter, heart weight/body weight and echocardiographic measurements revealed that myocardial expression of DYRK1A failed to reduce hypertrophy induced via aortic banding or by coexpression of calcineurin. The discrepancy is explained, at least in part, by insufficient longterm inhibition of NFAT and activation of DYRK1A resistant maladaptive gene expression in vivo. Conclusion: Isolated augmentation of DYRK1A can be compensated in vivo and this may significantly limit strategies aiming at enhancement of DYRK activity for anti-hypertrophic interventions