Role of Brain Angiotensin II in Cardiovascular Regulation and Erythropoiesis

Abstract

Hypertension prevalence is still growing worldwide as well as the number of drug-therapy non-responsive patients. Therefore, improving the current and developing new therapies to control blood pressure (BP) is warranted. Growing literature points to the sympathetic nerve system as the major system controlling long-term BP homeostasis, and human hypertension is often accompanied by increased sympathetic nerve activity (SNA). The renin angiotensin system (RAS) is involved in cardiovascular control and beyond due to the broad actions of the powerful hormone angiotensin II (Ang II) produced in the circulation or within organs. The project aimed to further characterize the modulatory effects of the RAS on SNA and its impact on cardiovascular control and erythropoiesis, particularly focusing on the role of brain-borne Ang II. These questions were experimentally addressed with RAS gain and loss of function mouse models in the FVB/N background strain, and complementary experiments were performed with rats and mixed background mice. A transgenic line with brain-specific angiotensinogen (Agt) expression was validated (Agt-Tg) and used to demonstrate in vivo local brain Ang II formation. FVB/N mice cardiovascular regulation revealed predicted and surprising phenotypes. As expected FVB/N mice lacking the major Ang II receptor (AT1a-KO) presented reduced BP, and Agt-Tg displayed increased BP accompanied by increased SNA. Surprisingly, adult FVB/N mice lacking Agt (Agt-KO) were normotensive contrasting previous findings in other strains. Paradoxically, the genetic brain-rescue of Agt in Agt-KO (Agt-KO-Tg) strongly reduced BP. Using integrative physiology, we identified that the normotension in Agt-KO is driven by increased vascular tone due to exaggerated sympathetic outflow and impaired nitric oxide production which is reversed by brain Ang II in Agt-KO-Tg contrasting Agt-Tg. Agt-KO-Tg also presented better renal function compared to Agt-KO despite similar renal morphological damage. In addition, brain Ang II strongly activated renal SNA in Agt-KO-Tg, and renal denervation had minimal effect on Agt-KO and Agt-KO-Tg baseline BP. A genome-wide-association-study was employed to uncover the genetic alteration causing FVB/N Agt-KO to fail in reducing BP. For this, a mixed background (FVB/N x C57BL/6N) F2 Agt-KO line was generated. Strikingly, the phenotyping data of the F2 Agt-KO strongly indicates a single recessive allele responsible for the BP phenotype in FVB/N Agt-KO once the BP in the F2 presented a clear bimodal distribution with most mice being hypotensive. However, the association analyses demonstrated that several loci likely contribute to the phenotype in FVB/N Agt-KO. Finally, we identified one central and one peripheral mechanism of erythropoiesis regulation modulated by the RAS. In the brain, Ang II favors erythropoiesis via SNA. Agt-Tg with elevated brain Ang II displayed increased erythropoiesis that was reverted by peripheral sympathectomy, and rats with depleted brain Agt presented decreased baseline erythropoiesis. In the periphery, the experiments revealed that the RAS influences the iron homeostasis because Agt-KO mice presented microcytic anemia accompanied by reduced levels of circulating and tissue-stored iron. Altogether, the data set generated within the frame of my doctoral thesis supports local formation and function of brain Ang II. Furthermore, we provided evidence that brain Ang II is involved in differential SNA regulation to different organs impacting BP homeostasis. Finally, two unprecedented mechanisms of erythropoiesis control modulated by the RAS via SNA and iron homeostasis were revealed.

Die Prävalenz von Bluthochdruck nimmt weltweit weiter zu, ebenso wie die Zahl der Patienten, die nicht auf eine medikamentöse Therapie ansprechen. Daher ist die Verbesserung der derzeitigen und die Entwicklung neuer Therapien zur Kontrolle des Blutdrucks gerechtfertigt. Zunehmend weist Literatur darauf hin, dass das sympathische Nervensystem das wichtigste System für die Steuerung langfristiger Blutdruckhomöostase ist, außerdem wird Bluthochdruck oft von einer erhöhten sympathischen Nervenaktivität (SNA) begleitet. Das Renin-Angiotensin-System (RAS) ist an der Kontrolle des Herz-Kreislauf-Systems beteiligt. Das potente Hormon Angiotensin-II (Ang-II) des RAS wird im Blutkreislauf oder in den Organen gebildet und besitzt vielfältige physiologische Effekte. Das Projekt zielte darauf ab, die modulatorischen Wirkungen des RAS auf die SNA und entsprechenden Folgen auf die kardiovaskuläre Kontrolle und die Erythropoese weiter zu charakterisieren, wobei der Schwerpunkt auf der Rolle des im Gehirn gebildeten Ang II lag. Dieses Ausgangsinteresse wurde experimentell mit RAS Gain und Loss-of-Function-Mausmodellen im FVB/N Hintergrundstamm untersucht. Ergänzend wurden Versuche mit Ratten und Mäusen mit gemischtem genetischen Hintergrund durchgeführt. Eine transgene Linie mit gehirnspezifischer Angiotensinogen-Expression (Agt) wurde validiert (Agt-Tg) und verwendet, um die lokale Ang-II-Bildung im Gehirn in vivo zu demonstrieren. Die Ergebnisse zur kardiovaskulären Regulation von FVB/N-Mäusen ergaben die vermuteten und überraschende Phänotypen. Wie erwartet hatten FVB/N-Mäuse, denen der wichtigste Ang-II-Rezeptor (AT1a-KO) fehlte, einen verminderten Blutdruck. Außerdem zeigte Agt-Tg einen erhöhten Blutdruck im Zusammenhang mit erhöhter SNA. Im Gegensatz zu früheren Befunden bei anderen Stämmen, waren erwachsene FVB/N-Mäuse ohne Agt (Agt-KO), überraschenderweise normotensiv. Paradoxerweise senkte die spezifische Wiederherstellung der Agt Genexpression im Gehirn von Agt-KO (Agt-KO-Tg) den Blutdruck dramatisch. Mithilfe von integrativer Physiologie konnten wir feststellen, dass die Normotonie bei Agt-KO durch einen erhöhten Gefäßtonus aufgrund eines übermäßigen Sympathikotonus und einer beeinträchtigten Stickoxidproduktion verursacht wird. Diese werden bei Agt-KO-Tg im Gegensatz zu Agt-Tg durch Ang II im Gehirn umgekehrt. Agt-KO-Tg wies im Vergleich zu Agt-KO trotz ähnlicher morphologischer Nierenschäden eine bessere Nierenfunktion auf. Des Weiteren aktivierte Ang II im Gehirn die renale SNA in Agt-KO-Tg stark, wohingegen eine renale Denervierung nur minimale Auswirkungen auf den Basisblutdruck von Agt-KO und Agt-KO-Tg hatte. Eine genomweite Assoziationsstudie wurde implementiert um die genetische Veränderung, die zu der Normotonie bei FVB/N Agt-KO führt, aufzudecken. Für diesen Zweck wurde eine F2 Agt-KO-Linie mit gemischtem Hintergrund (FVB/N x C57BL/6N) erzeugt. Bemerkenswerterweise wiesen die Phänotypisierungsdaten durch eine klare bimodale Verteilung des Basisblutdrucks in der F2 Agt-KO stark auf ein einzelnes rezessives Allel hin, das für den Blutdruck-Phänotyp in FVB/N Agt-KO verantwortlich ist, wobei die meisten Mäuse hypoton waren. Die Assoziationsanalysen zeigten jedoch, dass wahrscheinlich mehrere Loci zum Phänotyp bei FVB/N Agt-KO beitragen. Im letzten Teil der Arbeit identifizierten wir zwei Regulationsmechanismen der Erythropoese- (zentraler und peripherer), die durch das RAS moduliert werden. Im Gehirn begünstigt Ang II die Erythropoese über SNA, da Agt-Tg mit gesteigertem Ang-II im Gehirn eine erhöhte Erythropoese zeigte, die durch periphere Sympathektomie rückgängig gemacht wurde. Außerdem zeigten Ratten mit verminderter Agt-Expression im Gehirn eine verringerte Erythropoese. In der Peripherie zeigten die Experimente, dass das RAS die Eisenhomöostase beeinflusst, da Agt-KO-Mäuse eine mikrozytäre Anämie aufwiesen, die mit reduzierten Konzentrationen von zirkulierendem und im Gewebe gespeichertem Eisen einherging. Zusammenfassend zeigen die im Rahmen meiner Doktorarbeit erhobenen Daten die lokale Bildung und Funktion von Ang II im Gehirn. Darüber hinaus konnten wir nachweisen, dass Ang II im Gehirn an der differenzierten SNA-Regulierung in verschiedenen Organen beteiligt ist, was sich auf die Homöostase des Blutdrucks auswirkt. Schließlich wurden zwei neue Mechanismen der Erythropoese Kontrolle aufgedeckt, die durch das RAS über SNA und Eisenhomöostase moduliert werden.