Die pathophysiologische Rolle des Inositol-1,4,5-trisphosphatrezeptors und seiner Modulatoren

Abstract

In den hier vorgestellten Arbeiten [1-3] wird die Interaktion des Inositol-1,4,5-trisphosphatrezeptors (InsP3R) mit Chromogranin B (CGB) sowie dem Neuronal Calcium Sensor 1 (NCS-1) beschrieben. Als ubiquitär am Endoplasmatischen Retikulum (ER) exprimierter Calciumionen-Kanal fördert der InsP3R unter Stimulation mit Inositol-1,4,5-trisphosphat (InsP3) die Calcium Freisetzung aus dem ER in das Zytoplasma. CGB ist ein vornehmlich in neuroendokrinen Zellen exprimiertes Protein, welches endoluminal mit dem InsP3R interagiert und dessen Aktivität positiv moduliert. Wir beschreiben, dass CGB auch in ventrikulären Kardiomyozyten exprimiert wird und dort die InsP3R abhängige Calcium Ausschüttung beeinflusst. Es konnte dargestellt werden, dass eine erniedrigte CGB Expression mit verminderter InsP3R abhängiger Calcium Freisetzung aus dem Sarkoplasmatischen Retikulum (SR) sowie verminderter Brain Natriuretic Peptide (BNP) Promoter Aktivität und BNP Produktion einhergeht, während unter CGB Überexpression eine erhöhte BNP Promoter Aktivität sowie im Hypertrophie Mausmodell eine erhöhte CGB Expression bei erhöhter BNP Produktion festzustellen war. Als involvierter Transkriptionsfaktor wurde dabei Nuclear Factor Kappa B (NF-κB) identifiziert. In klinischer Hinsicht könnte CGB als neuer Biomarker bei Kardiomyopathien von Bedeutung sein. NCS-1 ist ein zytoplasmatischer Modulator des InsP3Rs mit ebenfalls positivem Einfluss. Erst kürzlich ist NCS-1 als Bindungspartner von Paclitaxel beschrieben worden, einem Chemotherapeutikum, welches seine zytostatische Wirkung über eine Bindung an ß-Tubulin und damit verbundener Stabilisierung der Mikrotubuli ausübt. In Neuronen rief die Inkubation von Neuronen mit Paclitaxel in einer therapeutischen Konzentration für mehrere Stunden eine Verminderung von NCS-1 hervor, erklärbar durch eine Aktivierung der Calcium abhängigen Protease Calpain, welches NCS-1 enzymatisch abbaut. Daraus resultierte eine verminderte Calcium Freisetzung über den InsP3R und damit eine gestörte Calcium Homöostase, eine mögliche Erklärung für die Pathogenese Paclitaxel induzierter Polyneuropathie. Im Gegensatz zu Neuronen bewirkte Paclitaxel in Kardiomyozyten keine Aktivierung von Calpain und eine Erhöhung der NCS-1 Expression. Wir zeigten anhand von Lipid Bilayer Experimenten, dass Paclitaxel mit NCS-1 die Öffnungshäufigkeit des InsP3Rs ca. dreifach steigert. Es resultierte eine vermehrte Calcium Freisetzung über den InsP3R und eine Zunahme der Frequenz spontaner Calcium Oszillationen. Dies ist ein möglicher Erklärungsansatz für Paclitaxel induzierte kardiale Arrhythmien.

In the following three studies [1-3] we describe the functional interaction between the inositol-1,4,5-trisphophate receptor (InsP3R) and two of its modulators - chromogranin B (CGB) and neuronal calcium sensor 1 (NCS-1). The InsP3R is a ubiquitously expressed calcium channel that can be found in the membrane of the endoplasmic reticulum (ER). Upon activation by inositol-1,4,5-trisphosphate (InsP3) it releases calcium from the ER into the cytoplasm. CGB is well described in endocrine and neuroendocrine cells. It is a high capacity, low affinity calcium binding protein that resides in the lumen oft the ER and shapes InsP3R dependent calcium release. Here, we describe that CGB is also expressed in ventricular cardiomyocytes. We show that CGB knockdown leads to decreased InsP3R mediated calcium release, reduced brain natriuretic peptide (BNP) promoter activity and BNP production, whereas CGB overexpression results in increased BNP promoter activity. The transcription factor nuclear factor kappa B (NF-κB) is shown to be involved in this signaling pathway. Moreover, in vivo studies reveal that CGB is overexpressed in angiotensin II induced hypertrophy in adult mice. In future, CGB could gain potential importance as a novel biomarker in cardiomyopathies. NCS-1 is a low capacity, high affinity calcium binding protein that can positively modulate InsP3R activity from the cytoplasmic side. Recently, paclitaxel (Taxol) was described as a new binding partner of NCS-1. Taxol is a microtubule-stabilizing compound that is used for cancer chemotherapy. However, Taxol administration is limited by serious side effects such as cardiac arrhythmia or polyneuropathy. In neuronal cells, treatment with Taxol in therapeutic concentrations induces activation of the calcium dependent protease calpain, leading to degradation of NCS-1. Reduced NCS-1 expression leads to decreased InsP3R dependent calcium release and disturbed calcium homeostasis, which could be a possible explanation for Taxol induced polyneuropathy. In opposite to neurons, Taxol treatment in cardiomyocytes does not activate calpain and increaces NCS-1 protein expression. With lipid bilayer experiments, we show that Taxol and NCS-1 mediate an approximately 3fold increase in InsP3R activity. Moreover, Taxol increases the frequency of spontaneous calcium oscillations in cardiomyocytes in an InsP3R dependent way. These results may be a possible explanation for Taxol induced arrhythmias.