Der Einfluss atherogener vs. atheroprotektiver Flussprofile auf die endotheliale Genexpression: G-Protein-abhängige Signaltransduktion und epigenetische Regulationsmechanismen

Abstract

Atherosklerose, eine chronisch-inflammatorische und fibroproliferative Erkrankung der arteriellen Gefäße, und deren klinische Krankheitsmanifestationen wie Herzinfarkt oder Schlaganfall sind führende Ursachen für Mortalität und Morbidität in Deutschland und den westlichen Industrienationen. Risikofaktoren, die zu Atherosklerose führen, sind Rauchen, Dyslipidämie, Diabetes mellitus und arterieller Hypertonus. Trotz der systemischen Wirkung dieser Risikofaktoren treten atherosklerotische Läsionen bevorzugt in bestimmten Bereichen des Gefäßsystems wie Gefäßbifurkationen und Gefäßkurvaturen auf. An diesen Prädilektionsstellen kommt es zu sogenanntem atherogenen Fluss. Dieser ist durch langsamen Fluss, Flussaufspaltung und Flussrichtungsänderungen gekennzeichnet. Daraus resultieren reduzierte endotheliale Scherkräfte, welche zu einem atherogenem Phänotyp mit vermehrter Expression proinflammatorischer Marker führen und damit die Atheroskleroseentwicklung begünstigen. Der Prozess der endothelialen Mechanotransduktion, also die Übertragung Blutfluss-induzierter endothelialer Scherkräfte in biochemische Signale, ist nicht vollständig verstanden. Ziel dieser Arbeit ist es, zu untersuchen inwieweit die G-Proteinuntereinheiten Gq/11 unter atherogenem Fluss die Expression atherogener Marker in Endothelzellen regulieren. Mittels siRNA-Knockdown gegen Gq/11 in Endothelzellen konnten wir die Expression der atherogenen Marker VCAM-1, CCL-2, PDGF-β, und ET-1 unter atherogenem Fluss deutlich abschwächen. Da es Hinweise gibt, dass die Ausbildung eines atherogenen Phänotyps auch auf epigenetischer Ebene durch posttranslationale Histon-Modifikationen reguliert wird, führten wir einen genomweiten Microarray durch, um eine mögliche Fluss- und Gq/11-abhängige Regulation Chromatin-modifizierender Enzyme zu identifizieren. Dabei konnten wir zeigen, dass die Chromatin-modifizierenden Enzyme Histon-Azetyltransferase KAT7 und die Histon-Deazetylase HDAC9 abhängig vom zugrunde liegenden Flussprofil (d.h. atherogener- oder atheroprotektiver Fluss) und Gq/11-abhängig reguliert werden. Mittels anschließenden funktionellen Knockdown-Versuchen konnten wir zeigen, dass ein siRNA-Knockdown gegen KAT7 zu einer reduzierten Expression von CCL-2 und ein HDAC9-siRNA-Knockdown zu einer Hochregulation von CCL-2 und ET-1 unter atherogenem Fluss führt. Schlussfolgerung: In dieser Arbeit konnten wir zeigen, dass die Ausbildung eines atherogenen Phänotyps unter atherogenem Fluss und dessen Regulation auf epigenetischer Ebene Gq/11-vermittelt ist. Darüber hinaus deuten unsere Ergebnisse auf eine atherogene Wirkung von KAT7 und eine atheroprotektive Wirkung von HDAC9 im Kontext der Atherosklerose hin.

Atherosclerosis, a chronic inflammatory and fibroproliferative disease of arterial vessels, and its clinical manifestations myocardial infarction or stroke are leading causes of mortality and morbidity in Germany and western industrial countries. Risk factors that promote atherosclerosis are smoking, dyslipidemia, diabetes mellitus and arterial hypertension. However, despite the systemic effect of these risk factors atherosclerotic lesions preferentially occur at distinct areas of the cardiovascular system like bifurcations and curvatures. At this predisposed sites so-called atherogenic flow can be found. Atherogenic flow is characterized by slow flow, flow separation and direction-changing flow. This results in reduced endothelial shear stress leading to an atherogenic phenotype with increased expression of proinflammatory markers in endothelial cells and thus promoting the development of atherosclerosis. The process of endothelial mechanotransduction, i.e. the transduction of bloodflow-induced endothelial shear stress in biochemical signals, is not completely understood. The aim of this study is to investigate the role of the G-Protein subunits Gq/11 in regulating the expression of atherogenic markers under atherogenic flow in endothelial cells. Via siRNA-knockdown of Gq/11 in endothelial cells we could measurably reduce the expression of the atherogenic markers VCAM-1, CCL-2, PDGF-β and ET-1 under atherogenic flow. Because there is several evidence that the formation of an atherogenic phenotype is regulated on an epigenetical level by posttranslational modification of histones we performed a genome-wide microarray in order to identify a potential flow- and Gq/11-dependent regulation of chromatin-modifying enzymes. We could show that the chromatin-modifying enzymes histone-acetyltransferase KAT7 and histone-deacetylase HDAC9 are regulated depending on the flow pattern (i.e. atherogenic or atheroprotective) and in a Gq/11-dependent manner. Via knockdown experiments we could show that siRNA knockdown against KAT7 reduces expression of CCL-2 and siRNA knockdown against HDAC9 increases expression of CCL-2 and ET-1 under atherogenic flow. Conclusion: In this study we could show that the formation of an atherogenic phenotype under atherogenic flow and its regulation on an epigenetical level are mediated by Gq/11. In addition our results indicate an atherogenic effect of KAT7 and an atheroprotective effect of HDAC9 in the context of atherosclerosis.