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GDF 15 als anti-apoptotischer und pro-hypertropher Faktor in ventrikulären Herzmuskelzellen der Ratte

Schiegnitz, Eik


Originalveröffentlichung: (2011) Giessen : VVB Laufersweiler
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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-80685
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Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Physiologisches Institut
Fachgebiet: Medizin
DDC-Sachgruppe: Medizin
Dokumentart: Dissertation
Zeitschrift, Serie: Edition scientifique
ISBN / ISSN: 978-3-8359-5726-8
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 02.02.2011
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 04.04.2011
Kurzfassung auf Deutsch: GDF 15 ist ein Mitglied der TGF-beta Superfamilie, das nach ischämischen
Bedingungen im Myokard hochreguliert und als potenter prognostischer Marker bei
kardialen Erkrankungen beschrieben wird. Im Gegensatz zu anderen TGF-beta
Familienmitgliedern konnten für GDF 15 in dieser Arbeit anti-apoptotische
Eigenschaften in adulten Kardiomyozyten der Ratte beschrieben werden. GDF 15
verringerte hierbei die apoptotischen Effekte von TGF-beta, SNAP und Angiotensin II.
Weiterhin zeigten sich erstmalig pro-hypertrophe Eigenschaften für GDF 15.
Inkubation adulter ventrikulärer Herzmuskelzellen der Ratte mit GDF 15 über 24 h
vergrößerte die Proteinsyntheserate und die Querschnittsfläche signifikant. Die
Stärke der Hypertrophie entsprach dabei der unter alpha-adrenerger Stimulation mit
Phenylephrin. Stimulation der adulten Kardiomyozyten mit dem Inhibitor der
Proteinkinase C, Goe6850, verringerte den pro-hypertrophen Effekt von GDF 15.
Auch Inhibitoren des PI3-Kinase Weges, LY294002 oder Wortmannin, verhinderten
die Steigerung der Proteinsyntheserate unter GDF 15. Dies steht im Einklang mit
dem durch Phenylephrin stimulierten, alpha-adrenergen hypertrophen Signalweg. Im
Gegensatz zu Phenylephrin konnte die GDF 15 stimulierte Hypertrophie auch mit
dem MAPK-Inhibitor PD9805 blockiert werden. Dazu ergab die Bestimmung der
ERK-Kinetik mittels Western Blot einen kontinuierlichen Anstieg der ERK-Aktivierung
durch GDF 15.
Da der Transkriptionsfaktor SMAD ein klassisches Signalmolekül der TGF-beta Familie
ist, wurde seine Rolle in der Signaltransduktion von GDF 15 untersucht. Stimulation
mit GDF 15 erhöhte die SMAD-Bindungsaktivität im Retardation Assay deutlich,
während sich unter Phenylephrin keine Steigerung der Bindungsaktivität zeigte. Die
Aktivierung der SMAD-Bindungsaktivität unter GDF 15 blieb aus, wenn die Zellen mit
einem Inhibitor der PI3-Kinase, der ERK oder der PKC behandelt wurden. Zudem
wurde zum ersten Mal eine Beteiligung von SMAD1,5 in der Signaltransduktion von
GDF 15 in Western Blots aufgezeigt. Durch Transformation der Herzmuskelzellen mit
SMAD-decoy-Oligonukleotiden, die die SMAD-Aktivität intrazellulär abfangen, wurde
die durch GDF 15 gesteigerte Proteinsyntheserate entscheidend gesenkt. Somit
wurden erstmalig pro-hypertrophe Eigenschaften für SMAD-Proteine nachgewiesen.
Diese Ergebnisse stellen den Wachstumsfaktor GDF15 als anti-apoptotischen und
pro-hypertrophen Faktor in isolierten ventrikulären Herzmuskelzellen der adulten
Ratte dar. Der Signalweg der Hypertrophieinduktion verläuft dabei über klassische
Signalwege wie die PI3-Kinase und die PKC, wird aber zusätzlich durch die MAPKinase
ERK und den Transkriptionsfaktor SMAD vermittelt. Letzterer scheint den
klassischen Signalmolekülen nachgeschaltet zu sein. Somit handelt es sich bei GDF
15 um einen bedeutsamen Faktor in der Pathologie der Herzinsuffizienz, der in
Zukunft als Angriffspunkt für die Diagnose und Therapie kardiovaskulärer
Krankheiten dienen könnte.
Kurzfassung auf Englisch: Growth differentiation factor 15 (GDF 15) is a member of the TGF-beta superfamily that
is up-regulated in the heart after ischemic conditions and which is described as a
potent prognostic biomarker in patients with cardiac disease. In contrast to other
TGF-beta family members anti-apoptotic effects were found for GDF 15 in
cardiomyocytes of adult rats: GDF 15 reduced the apoptotic effects of TGF-beta, SNAP
and Angiotensin II.
Furthermore, it could be shown for the first time that GDF 15 acts as an inducer of
hypertrophic growth in cardiomyocytes of adult rats. Incubation of these cells with
GDF 15 over 24 h enhanced the rate of protein synthesis and the cross sectional
area significantly. The extent of hypertrophy was similar to the one under stimulation
by alpha-adrenoceptor agonist phenylephrine. The hypertrophic growth response to
GDF15 was abolished by the inhibitor of PKC, Goe6850. Inhibitors of the PI3-kinase,
LY294002 or Wortmannin, blocked the increase of the protein synthesis rate as well.
This correlates with the enhancement of cardiomyocyte growth under classical α-
adrenergic stimulation by PE. In contrast to PE, GDF 15 stimulated hypertrophy
could be blocked with MAPK-inhibitor PD9805. Activation of ERK was determined in
western blots and revealed a sustained induction under GDF15 over at least 4 hours.
Since transcription factors of the SMAD family are the classical signal molecules of
the TGF-beta super family, we analyzed the role of SMADs in the development of
hypertrophy. GDF 15 enhanced SMAD binding activity in cardiomyocytes, whereas
under phenylephrine SMAD binding activity did not increase. Enhanced activation of
SMAD1 and 5 but not SMAD2 was found under GDF15. Since SMAD signaling under
GDF15 was prevented by inhibition of PKC, PI3K and ERK, all these signals are
upstream of SMAD activation. Transformation of cardiomyocytes with SMAD decoy
oligonucleotides, which intracellular scavenge SMAD proteins, decreased GDF15
induced protein synthesis. Thus, this is the first report describing pro-hypertrophic
effects of SMADs.
In conclusion, GDF 15 has anti-apoptotic and pro-hypertrophic effects in ventricular
cardiomyocytes of rats. Like the classical alpha-adrenergic signalling this pathway of
hypertrophy induction is mediated via PI3-kinase and PKC. In contrast to the alphaadrenergic
pathway, MAP-kinase ERK and the transcription factor SMAD take part in
the hypertrophy induction stimulated by GDF 15, whereas the latter seems to lie
downstream of the classical signal molecules. Therefore, GDF 15 is an important
factor in the development of chronic heart failure that might be useful in the diagnosis
and treatment of cardiovascular diseases in the future.