Regulation of AMPK activity and mitochondrial homeostasis by type 10 soluble adenylyl cyclase

Abstract

In this study, the effect of sAC on the AMPK activity and mitochondrial homeostasis was analyzed. sAC knockdown led to the depletion of cellular cAMP concentration accompanied by decreased AMPK activity in cardiac H9C2 cells, adult rat cardiomyocytes and coronary endothelial cells. EPAC, but not PKA, is a signaling link between sAC and AMPK. Functionally, sAC knockdown led to the mitochondrial depolarization, reduced cellular ATP content and increased mitochondrial ROS formation. Furthermore, sAC downregulation led to the disturbed mitochondrial clearance, as indicated by increased mitochondrial mass and reduced mitochondrial biogenesis. Consistently, sAC overexpression or stimulation with bicarbonate significantly increased AMPK activity and cellular ATP content, whereas stimulation of tmAC had no effect. By analyzing sAC–AMPK signaling in mouse model of myocardial infarction, we found an increased sAC expression in female, but not in male injured hearts, which was associated with reduced pAMPK to AMPK ratio. No changes in AMPK activity was observed in injured female hearts. The study reveals a novel sAC–AMPK signaling axis, which is cell type independent and that significantly contributes to the cellular energy and redox balance by supporting mitochondrial biogenesis and clearance. Activation of the axis improved cellular energy balance. The study provides an evidence for potential translational significance of the sAC–AMPK signaling in myocardial infarction in a sex-dependent manner.

In der vorliegenden Studie wurde der Effekt von sAC auf die AMPK Aktivität und mitochondriale Homöostase untersucht. Der sAC-Knockdown führte zu einer Abnahme der zellulären cAMP-Konzentration, begleitet von einer verminderten AMPK-Aktivität in kardialen H9C2-Zellen, adulten Ratten Kardiomyozyten und koronaren Endothelzellen. EPAC, aber nicht PKA, stellt einen Link innerhalb der Signaltransduktion zwischen sAC und AMPK dar. Funktionell führte der sAC- Knockdown zu mitochondrialer Depolarisation, reduziertem zellulärem ATP-Gehalt und erhöhter mitochondrialer ROS-Bildung. Darüber hinaus führte die Runterregulierung von sAC- zu einer gestörten mitochondrialen Clearance, was durch eine erhöhte mitochondriale Masse und eine reduzierte mitochondriale Biogenese indiziert wurde. Konsistent dazu, erhöhte die sAC-Überexpression oder Stimulation mit Bicarbonat signifikant die AMPK-Aktivität und den zellulären ATP-Gehalt, wohingegen die Stimulation von tmAC keine Wirkung zeigte. Durch die Analyse von sAC-AMPK-Signalen im Mausmodell für Myokardinfarkte fanden wir eine erhöhte sAC-Expression bei weiblichen, aber nicht bei männlichen verletzten Herzen, was mit einem reduzierten pAMPK-zu- AMPK-Verhältnis einherging. Bei verletzten weiblichen Herzen wurden keine Veränderungen der AMPK-Aktivität beobachtet. Die Studie zeigt eine neue sAC- AMPK-Signalachse auf, die zelltypunabhängig ist und durch Unterstützung der mitochondrialen Biogenese und Clearance signifikant zur zellulären Energie- und Redoxbilanz beiträgt. Die Aktivierung dieser Achse verbessert die zelluläre Energiebilanz. Die Studie liefert einen Beleg für die mögliche translationale Signifikanz der sAC-AMPK-Signalgebung beim Myokardinfarkt in einer geschlechtsabhängigen Weise.