Effekte von Polymorphismen auf die geschlechtsspezifische Proteinexpression in gesunden und hypertrophierten Herzen - Untersuchungen an einem Mausmodell

Abstract

Das Ziel dieser Arbeit war den Einfluss von geschlechtsspezifischen Faktoren auf die Ausprägung von Herzhypertrophie zu untersuchen. Dabei ging es besonders um die Frage, in wieweit die natürlich gegebenen Singel Nukleotid Polymorphismen (SNP), Einfluss auf den Grad der Geschlechtsspezifität und der Herzkrankheiten (Myokardhypertrophie) nehmen; auf Proteomebene sowie auf Phänotypebene. Hierzu wurden Konsomische Stämme (CS) sowie deren parentalen Stämme auf analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass die parentalen Stämme C57BL/6 (B6) und PWD/Ph (PWD) in ihren kardialen Phänotypen bereits signifikante (p<0,05) Unterschiede aufwiesen. So konnte anhand echokardiographischer Untersuchungen im Vergleich PWD vs. B6 sowohl in der Diastole als auch in der Systole eine vergrößerte Vorderwand (IVSd und IVSs), eine vergrößerte Hinterwand (LVPWd und LVPWs) sowie ein kleinerer linksventrikulärer Innendiameter (LVIDd und LVIDs) bestimmt werden. Diese Unterschiede zeigten sich auch im Proteinmuster und in der mRNA-Expression. Sowohl männliche als auch weibliche PWD wiesen im Vergleich zu B6 eine geringere Expression der Proteine auf, die die Energiegewinnung beeinträchtigten. Aber auch im Vergleich der männlichen PWD gegen die männlichen B6 konnten Proteine klassifiziert werden, die den kontraktilen Apparat beeinflussten. CS bilden ein wertvolles Modellsystem, um den Effekt unterschiedlicher Sets von varianten Genen und Proteinen zu analysieren. In CS wird ein Chromosom eines Stammes (B6) durch das homologe Chromosom eines anderen Stammes (PWD) ausgetauscht. Nach der Untersuchung von 5 männlichen und 5 weiblichen CS konnte festgestellt werden, dass bei weiblichen CS-Mäusen viele Proteine vermindert exprimiert, bei männlichen CS-Mäuse dagegen überwiegend überexprimiert waren. Andererseits zeigte sich, dass das gleiche Protein oder der gleiche Phänotyp bei unterschiedlichen CS unterschiedlich große Diskrepanz zwischen männlichen und weiblichen Tieren zeigen kann. Das bedeutet, dass die geschlechtsspezifisch-varianten Proteine nicht von den geschlechtsrelevanten Hormonen abhängen, sondern auch unter dem Einfluss der Gene stehen. Der Austausch des Chromosom 14 (CS14) bei den konsomischen Mausstämmen zeigte im Vergleich zu den anderen Stämmen die meisten Proteinveränderungen. Aufgrund dessen wurde dieser Stamm für das Krankheitsmodell, der transversalen Aortenkonstriktion (TAC) gewählt. Nach der funktionellen Klassifizierung der veränderten Proteine offenbarten sich Abweichungen im Energiestoffwechsel und in den kontraktilen Fasern. Die Ergebnisse führten aber auch zu der Hypothese, dass die Chromosomen in ihrer unterschiedlichen Zusammensetzung an polymorphen Genen einen unterschiedlichen Grad an Transaktionen und Variationen im Proteom zulassen (Unterschiede in der Pufferkapazität des Proteoms). Nach einer 9-wöchigen TAC zeigten sowohl CS14 als auch B6 phänotypische Merkmale einer Hypertrophie, wobei die männlichen CS14 eine bessere Ejektionsfraktion (EF) besaßen. Sie scheinen die Einflüsse der Hypertrophie besser zu kompensieren als die Kontrolltiere. Dieses Phänomen zeigte sich auch auf Proteinebene, vor allem in der oxidativen Phosphorylierung. Die dargestellten Untersuchungen zeigten, dass Geschlechterunterschiede in der Ausprägung von Herzhypertrophie nicht nur auf bekannten geschlechtsspezifischen Faktoren wie Sexualhormonen beruhen, sondern auch unter genetischen Einfluss (SNPs) stehen.

The aim of this study was to investigate the influence of sex-specific factors on the development of myocardial hypertrophy, in particular the influence of single nucleotide polymorphisms (SNP) on the degree of sex-specifity on the proteomic and phenotypic level. To analyze genetic influences, consomic strains (CS) and their parental strains were investigated. The parental strains C57BL/6 (B6) and PWD/Ph (PWD) showed significant differences in their cardiac phenotype (p<0.05). Based on echocardiographic parameters of the diastole and systole of intraventricular septum (IVSd and IVSs) and leftventricular posterior wall (LVPWd and LVPWs), the heart was significantly increased in male and female PWD vs. B6 mice. In contrast, a significant decrease was detected in PWD vs. B6 mice in the leftventricular intradiameter (LVIDd and LVIDs). These differences could be shown not only on the phenotypic level, but also on the proteomic and mRNA-expression level. Here, proteins for energy production were decreased in male and female PWD vs. B6 mice, but only in male PWD vs B6 mice proteins of contractile fibers were identified. CS are useful models to analyze the influence of gene and protein variants. In CS one chromosome of an inbred strain (B6) is replaced by the homologous chromosome of another inbred strain (PWD). In this investigation of 5 males and 5 females CS, female mice showed a decreased level of proteins, whereas male mice showed increased level of proteins. These effects could also be shown for sex- specific protein variants in male mice. On the other hand the same protein or the same phenotype showed different discrepancy between male and female mice in different CS. So, sex-specific protein variants do not only depend on sex- specific hormones but also on genetic factors. Compared to other CS, the replacement of chromosome 14 (CS14) showed the greatest change in protein expression. Therefore, CS14 was taken as a model for transversal aortic constriction (TAC). The functional classification of the detected proteins revealed variations in energy metabolisms and contractile fibers. These results lead to the hypothesis, that the composition of polymorphic genes on the chromosomes influences different degrees of transactions and variations of the proteome (differences in the buffer capacity of the proteome). After 9 weeks of TAC, CS14 and B6 mice showed a myocardial hypertrophic phenotype. Male CS14 mice showed a higher ejection fraction (EF) compared to B6 mice. It seems that male CS14 mice compensate the myocardial hypertrophy better than the control group of B6 mice. This phenomenon could also be shown in the protein pattern. Differences were detected in particular in the proteins of the oxidative phosphorylation. Here we show that sex-differences in the development of myocardial hypertrophy are influenced by sexual hormones (testosterone and estrogen) and genetic factors (SNPs). The high numbers of differences in the proteome between the CS suggest that the composition and the degree of protein networks modify the development of the disease.