Compartmentalization of cAMP signaling in cardiac myocytes and in renal principal cells

Abstract

ß-Adrenergic stimulation regulates cardiac contractility through a cyclic adenosine monophosphate (cAMP)- and protein kinase A (PKA)- dependent signaling pathway. A kinase anchoring proteins (AKAPs) anchor PKA to its substrates and contribute to the specificity of signaling by compartmentalizing PKA and other signaling molecules [Wong, Scott 04]. This study shows that AKAP18δ is expressed in rat cardiac myocytes. There it interacts with phospholamban (PLB), a protein regulating the sarcoplasmic Ca2+-ATPase (SERCA). The complex of SERCA, PLB, AKAP18δ and PKA is localized to the sarcoplasmic reticulum (SR) where AKAP18δ serves as a scaffold that coordinates PKA phosphorylation of PLB and thereby is involved in the regulation of ß-adreno receptor-induced increase in Ca2+ re-uptake into the SR. Additionally AKAP18δ interacts directly with the phosphodiesterase PDE4D. PDE4D is expressed in cardiac myocytes and renal principal cells. In co- transfected HEK293 cells the interaction of these two proteins is confirmed and the binding site mapped to residue 201 and 301 of AKAP18δ. In renal principal cells this interaction appears to be involved in the regulation of vasopressin mediated water reabsorption. Compartmentalized cAMP/PKA signaling regulates water reabsorption in renal principal cells. Phosphorylation of aquaporin-2 (AQP2) by PKA triggers the redistribution of AQP2 from intracellular vesicles to the plasma membrane. Depending on the presence of regulatory RI or RII subunits, PKA is designated type I or II. Both PKA types are located on AQP2-bearing vesicles. However, selective activation of PKA type II is sufficient to induce the AQP2 translocation.

Der β-adrenerge Signalweg spielt eine entscheidende Rolle in der Regulierung der Herzfunktion. Dieser Signalweg umfasst die Aktivierung von zyklischem Adenosin Monophosphat (cAMP) und der Protein Kinase A (PKA). A Kinase Ankerproteine (AKAPs) verankern die PKA an ihrem Substrat und erhöhen dadurch die Spezifität verschiedener Signalwege durch Kompartimentalisierung der PKA in der Zelle. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, daß das Ankerprotein AKAP18δ in Herzmuskelzellen der Ratte exprimiert wird. AKAP18δ interagiert mit Phospholamban (PLB), einem Protein verantwortlich für die Regulierung der Ca2+-ATPase (SERCA). Der Signalkomplex aus den Proteinen PLB, SERCA, AKAP18δ und PKA ist im Sarkoplasmatischen Retikulum (SR) lokalisiert. AKAP18δ fungiert als Gerüst für die Phosphorylierung des PLB und ist somit an der Regulierung des ß-adreno-Rezeptor induzierten Anstiegs der Ca2+ Aufnahme des SRs beteiligt. AKAP18δ interagiert auch mit der Phosphodiesterase PDE4D. Diese wird sowohl in Herzmuskelzellen, sowie auch in den Hauptzellen des Sammelrohres in der Niere exprimiert. In dieser Arbeit wird die Interaktion der beiden Proteine in HEK293 Zellen bestätigt, und die Bindungsstelle für PDE4 in AKAP18δ lokalisiert. Diese Interaktion scheint an der Regulierung der Arginin-Vasopressin (AVP) induzierten Wasserrückresorption in den renalen Hauptzellen des Sammelrohrs beteiligt zu sein. Kompartimentalisierung des cAMP/PKA Signalweges ist eine Voraussetzung für die Wasserrückresorption in renalen Hauptzellen des Sammelrohrs. Die Phosphorylierung des Wasserkanals Aquaporin-2 (AQP2) durch die PKA löst eine Umverteilung des Wasserkanals von intrazellulären Vesikeln an die Plasmamembran aus. Je nach Art der regulatorischen Untereinheiten wird die PKA in Typ I und Typ II unterteilt. Beide PKA Typen sind mit den AQP2-tragenden Vesikeln assoziiert. In dieser Arbeitkonnte gezeigt werden, daß allein eine Aktivierung der PKA Typ II ausreicht, um die AQP2 Umverteilung einzuleiten.