Untersuchung der funktionellen Bedeutung von Östrogen und Östrogenrezeptor- alpha im Herzen

Abstract

Zahlreiche Studien weisen auf eine kausale Rolle von E2 und ERα in der Physiologie und Pathophysiologie des Myokards hin, die zugrunde liegenden Mechanismen im menschlichen Herzen sind allerdings noch nicht genügend verstanden. Die Analyse der grundlegenden Mechanismen der Regulierung der ERα- Expression, der ERα-Lokalisation, sowie die Identifizierung der interagierenden Protein-Partner des ERα und der Wirkungsweise von ERα speziell in Kardiomyozyten in gesunden und erkrankten Herzen können zum besseren Verständnis der Wirkungsweise von E2 und ERα im Herzen beitragen. Dies erlaubt die Entwicklung neuer therapeutischer Strategien. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war daher die Charakterisierung dieser zellulären Mechanismen im Herzen. Im Rahmen der hier vorgestellten Arbeiten konnte erstmalig die ERα- Expression, -Lokalisation und -Interaktion mit anderen kardialen Proteinen im menschlichen Herzen nachgewiesen werden. ERα wurde im Zytoplasma, im Sarkolemma und in den Glanzstreifen humaner Kardiomyozyten, sowie in den Kernen von Kardiomyozyten, Fibroblasten und Endothelzellen lokalisiert. Interessanterweise beobachteten wir in den Herzen von Patienten mit AS und DCM eine Hochregulation der ERα Expression und eine Krankheitsabhängige Re- Lokalisation des sich im gesunden Herzen auf den Glanzstreifen der Kardiomyozyten befindlichen ERα, wobei die Ko-Lokalisation mit β-Catenin, welche in den gesunden Herzen beobachtet wurde, verloren ging. Diese Befunde deuten darauf hin, dass ERα im humanen Herzen funktionell aktiv ist und eine Rolle bei der Entwicklung der Myokardhypertrophie und Herzinsuffizienz spielt. In einer weiteren Arbeit identifizierten wir die Promotorvarianten A, B, C und F, welche die Expression des ERα Gens im humanen Herzen regulieren, wobei der distale F-Promotor die dominierende Variante ist. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass der NF-kB-Signalweg an der Regulation der ERα-Expression im menschlichen Herzen beteiligt ist. Ferner konnte eine eindeutige Wechselwirkung (antagonistischer Effekt) zwischen E2/ERα und den prohypertrophen und proinflammatorischen Reaktionen auf die NF-kB Signalwege identifiziert werden. Ein weiterer Teil der Arbeit befasste sich mit der Identifizierung der Protein-Interaktionspartner von ERα im humanen Herzen. Dabei haben wir humane NPPA und ALC-1 als bislang unbekannte kardiale Interaktionspartner von ERα identifiziert, die nur in Anwesenheit von E2 mit ERα interagieren. Im Zellkern der Kardiomyozyten fungieren sie als Ko- Repressoren des E2-aktivierten ERα, und regulieren somit auch die Expression von E2-Zielgenen. Zusätzlich zur nukleären Funktion der E2-induzierten ERα/ALC-1 Interkation konnten wir zeigen, dass chronische E2-Behandlung adulter Maus-Kardiomyozyten, die humanes ALC-1 überexprimieren, den ALC-1-vermittelten positiv intropen Effekt abschwächt, welche für die Kompensationsprozesse in den überbelasteten Herzen und die Erhaltung der Herzfunktion von Bedeutung sein könnte. Um den in vivo Rolle des ERα speziell in den Kardiomyozyten unter pathologischen Bedingungen zu analysieren, wurden weibliche und männliche Mäuse mit Kardiomyozyten-spezifischer Überexpression von ERα einem Myokardinfarkt unterzogen. Unsere Untersuchungen zeigten, dass ERα nur die weiblichen Maus-Kardiomyozyten durch die Verbesserung der vaskulären Struktur und Funktion (erhöhte Angiogenese/Lymphangiogense) und die Reduktion des kardialen Remodellings (beeinträchtigte Fibrose) vor den Folgen der Ischämie schützt. Zusammenfassend zeigt die vorliegende Arbeit, dass ERα auch im humanen Herzen funktionell aktiv ist und zusammen mit anderen ko- regulatorischen Proteinen die genomischen und nicht-genomischen Effekte von E2 vermittelt, die bei physiologischen und pathophysiologischen Prozessen im Herzen eine wichtige Rolle spielen. Unsere Arbeit beantwortet zwar einige grundlegende Fragen zur Funktion des E2/ERα im humanen Herzen, jedoch ist das Gesamtbild der E2/ERα Wirkmechanismen im Herzen viel komplexer, denn die Funktionen bereits beschriebene ERα-Interaktionspartner bzw. Ko-Regulatoren sind noch weitgehend unbekannt, und es ist nicht auszuschließen noch weitere bislang nicht identifizierte ERα-Interaktionspartner im Herzen existieren. Daher ist weitere Forschung zur Identifizierung und Charakterisierung der ER- Interaktionspartner bzw. Ko-Regulatoren, welche die E2/ERα Singalwege im Herzen unter physiologischen und/oder pathologischen Bedingungen beeinflussen, erforderlich. Ein detaillierteres Verständnis der Rolle der E2/ERα Signalwege und ihrer Wirkmechanismen im Herzen ist eine wichtige Grundlage für die Entwicklung neuartiger Medikamente, die bei kardiovaskulären Erkrankungen spezifischer wirken, und somit bei beiden Geschlechtern therapeutisch eingesetzt werden können.

A large number of studies point to a causal role of E2 and ERα in the physiology and pathophysiology of myocardium, although the underlying mechanisms in the human heart are not yet well understood. Therefore, the analysis of the underlying mechanisms of regulation of ERα expression, ERα localization, as well as the identification of the interacting protein partners of ERα, and the mode of action of ERα especially in cardiomyocytes in healthy and diseased hearts can provide insights on the mode of action of E2 and ERα in the heart. This knowledge allows the development of new therapeutic strategies. The aim of this work was thus the characterization of these cellular mechanisms in the heart. In this work, for the first time the ERα- expression, -localization and -interaction with other cardiac proteins were demonstrated in the human heart. Our data showed that ERα is located in the cytoplasm, in the sarcolemma and at the intercalated discs of human cardiomyocytes, as well as in the nuclei of human cardiomyocytes, fibroblasts and endothelial cells. Interestingly, we observed a significant increase of ERα expression in the hearts of patients with AS and DCM and a disease- dependent re-localization of ERα out of intercalated discs, consequently the co-localization with β-catenin was lost. These findings suggest that ERα is functionally active in the human heart and plays a role in the development of myocardial hypertrophy and heart failure. In another work, we identified the A, B, C and F variants of ERα promoter, which regulate the expression of the ERα gene in the human heart, with the distal F promoter as the dominant variant. In addition, it was shown that the NF-kB signaling pathway is involved in the regulation of ERα expression in the human heart. Furthermore, a clear interaction (antagonistic effect) between E2 / ERα and the pro- hypertrophic and pro-inflammatory responses to the NF-kB signaling pathway could be identified. In another part of the work, the protein interaction partners of ERα in the human heart were addressed. Hereby, we identified human NPPA and ALC-1 as so far unknown cardiac interaction partners of ERα, which interact with ERα only in the presence of E2. They act as co-repressors of the E2-activated ERα in the nucleus of human cardiomyocytes and thus they regulate the expression of E2 target genes. In addition to the nuclear function of the E2-induced ERα / ALC-1 interaction, we were able to show that chronic E2 treatment of adult mouse cardiomyocytes overexpressing human ALC-1 attenuates the ALC-1-mediated positive inotropic effect which is involved in compensatory processes in overloaded hearts and the maintenance of heart function. In order to analyze the in vivo role of ERα, especially in cardiomyocytes under pathological conditions, female and male mice with cardiomyocyte-specific overexpression of ERα were subjected to myocardial infarction. This study showed that ERα protects only the female mouse cardiomyocytes from the effects of ischemia by improving vascular structure and function (increased angiogenesis / lymphangiogenesis) and reducing cardiac remodeling (impaired fibrosis). In conclusion, the present work shows that ERα is also functionally active in the human heart and along with other co-regulatory proteins mediates the genomic and non-genomic effects of E2, which play an important role in physiological and pathophysiological processes in the heart. Although our work answers some principle questions about the function of E2 / ERα in the human heart, the overall picture of the E2 / ERα mechanisms in the heart is much more complex, since the functions of ERα interaction partners or co-regulators are still largely unknown and it cannot be ruled out yet further ERα interaction partners play a pivotal role in the heart. Therefore, further research is needed to identify and characterize the ERα interaction partners or co-regulators, which influence the E2 / ERα signaling pathways under physiological and / or pathological conditions in the heart. A more detailed understanding of the role of E2 / ERα signaling pathways and their mechanisms of action in the heart is an important basis for the development of novel drugs that are more specific in cardiovascular disease and thus can be used therapeutically in both sexes.