Role of prokinenticins and their receptors in cardiovascular system

par Kyoji Urayama

Thèse de doctorat en Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie

Sous la direction de Hitoshi Kurose et de Canan Nebigil-Désaubry.

Soutenue en 2008

à l'Université Louis Pasteur (Strasbourg) en cotutelle avec Kyushu University .

  • Titre traduit

    Rôle des prokinéticines et de leurs récepteurs dans le système cardiovasculaire


  • Résumé

    Les maladies cardiovasculaires restent la première cause de mortalité et deviennent vite la préoccupation de santé numéro un dans le monde. L'identification de nouveaux facteurs responsables de la régulation du système cardiovasculaire et la génération des modèles animaux des maladies cardiovasculaires sont des étapes importantes pour mieux comprendre les pathologies de l'insuffisance cardiaque incluant les maladies cardiaques congénitales et pour développer des nouvelles thérapies. Les prokinéticines sont des facteurs angiogènic potentiels qui se liant aux récepteurs couplés aux protéines G (PKR1 et PKR2) pour initier leurs effets biologiques. D'abord, nous émettons l’hypothèse que la voie de signalisation du récepteur 1 de la prokinéticine (PKR1) peut contribuer à la survie des cardiomyocytes ou à la protection du coeur après un infarctus du myocarde. Puisque nous avons montré que la prokinéticine-2 et PKR1 sont exprimés dans le coeur des souris adultes et dans les cellules cardiaques, nous avons étudié le rôle de la prokinéticine-2 et PKR1 sur la fonction des cardiomyocytes. Dans les cardiomyocytes et les cellules H9c2, la prokinéticine-2 ou la surexpression de PKR1 active Akt pour protéger les cardiomyocytes contre le stress oxydatif. Puis nous avons déterminé si le transfert de gène, ADN codant PKR1, intracardiaque peut améliorer les fonctions du myocarde après l'infarctus du myocarde dans le modèle de souris. Le transfert transitoire du gène PKR1 après ligation de l’artère coronaire réduit la mortalité et préserve la fonction du ventricule gauche en favorisant la néovascularisation et en réduisant l’apoptose des cardiomyocytes. Nos résultats suggèrent que PKR1 peut représenter une cible thérapeutique originale pour limiter les lésions du myocarde suite à une ischémie. Ensuite, nous avons déterminé les conséquences pathologiques suite à la surexpression de PKR1 dans les cardiomyocytes in vivo. Nous avons généré des souris transgéniques surexprimant PKR1 dans les cardiomyocytes (TG-PKR1) en utilisant le promoteur α-MHC. Les coeurs TG-PKR1 ne montrent aucune anomalie spontanée dans les cardiomyocytes, mais on observe une augmentation de la densité capillaire et des artérioles. De plus, en surexprimant PKR1 dans les cardiomyoblasts H9c2 ou dans les coeurs transgéniques l'expression de la prokinéticine-2 est augmentée. La surexpression de PKR1 dans les cardiomyocytes augmente la libération son propre ligand la prokinéticine-2 qui agit comme un facteur paracrine, en déclenchant la prolifération/différentiation des cellules progénitrices de l’épicarde (EPDCs) pour induire la néovascularisation. Cette étude offre un nouvel aperçu des stratégies thérapeutiques possibles ayant pour but la restauration de la pluripotence des cellules adultes EPDCs pour promouvoir la neovascularisation en induisant la voie de signalisation de PKR1 dans les cardiomyocytes. Comme PKR1 et PKR2 sont identiques à 85 % et sont exprimés dans les tissus cardiovasculaires, nous avons ensuite déterminé les conséquences pathologiques de la surexpression du récepteur 2 de la prokinéticine (PKR2) dans les cardiomyocytes in vivo. Nous avons généré des souris transgéniques surexprimant PKR2 dans les cardiomyocytes (TG-PKR2) en utilisant le promoteur α-MHC. Nous émettons une hypothèse que PKR2 peut aussi contribuer à la croissance des cardiomyocytes et à la vascularisation. Les coeurs TG-PKR2 ont montré une augmentation de l'expression des gènes de l’hypertrophie et de l'hypertrophie excentrique montrant l'augmentation des diamètres du ventricule gauche et l’augmentation de la longueur des cardiomyocytes. L'analyse morphologique quantitative a montré que les coeurs TG-PKR2 ont une densité des microvaisseaux et un nombre de points de branchement normaux, cependant les coeurs TG-PKR2 ont montré une augmentation des formes et des ultrastructures anormales des cellules endothéliales ce qui indiquent la fenestration des vaisseaux sanguins. L'application de milieu conditionné par les cardioblasts H9c2 surexprimant PKR2 de façon significative induit une diminution de la localisation de jonction serrée ZO-1 dans les cellules endothéliales cardiaques, mimant le modèle TG-PKR2. Ces conclusions fournissent la première évidence génétique que la voie de la signalisation de PKR2 dans les cardiomyocytes cause l'hypertrophie excentrique par régulation autocrine et a diminué l'intégrité des cellules endothéliales par régulation paracrine sans induire l’angiogenèse. Ces souris TG-PKR2 peuvent fournir un nouveau modèle génétique des maladies du coeur. Ensuite nous avons déterminé si PKR2 peut directement induire la fenestration dans les cellules endothéliales cardiaques. Les cellules endothéliales cardiaques surexprimant PKR2 ont montré une augmentation de l'expression de caveolin-1 et une diminution de l'expression de la protéine de jonction serrée ZO-1. De plus, ces cellules ont montré une perturbation de la localisation ZO-1. Ces données indiquent que PKR2 peut induire le dysfonctionnement de la barrière des cellules ayant pour effet directe la fenestration dans les cellules endothéliales cardiaques. Après la stimulation des cellules endothéliales surexprimant PKR2 par la prokinéticine-2, nous avons observé l'internalisation et réduction de la protéin VE-cadhérine. Ces données indiquent la possibilité que la protéine Gα12 couplée avec PKR2 induit un dysfonctionnement de la barrière des cellules endothéliales cardiaques. Pour conclure, pour la première fois nous avons montré que la balance entre l'activation de la voie de signalisation de PKR1 et de PKR2 pouvait être très importante pour protéger les cardiomyocytes des lésions causées par l'ischémie et/ou d’induire la neovascularisation dans le coeur, puisque les rôles des récepteurs de la prokinéticine dans le coeur sont impliqués dans la survie des cellules et l’angiogenèse via PKR1 et dans l'hypertrophie cardiaque et la fenestration via PKR2.


  • Résumé

    Cardiovascular disease remains the number one cause of mortality and is fast becoming the number one health concern worldwide. Identification of new factors responsible for regulation of the cardiovascular system and generation of animal models of cardiovascular disease are important steps to better understand the pathogenesis of the heart failure including congenital heart disease and to develop new therapies. Prokineticins are potent angiogenic factors that bind to two G protein-coupled receptors (PKR1 and PKR2) to initiate their biological effects. First, we hypothesize that prokineticin receptor-1 (PKR1) signaling may contribute to cardiomyocyte survival or repair in myocardial infarction. Since we showed that prokineticin-2 and PKR1 are expressed in adult mouse heart and cardiac cells, we investigated the role of prokineticin-2 and PKR1 on cardiomyocytes function. In cardiomyocytes and H9c2 cells, prokineticin-2 or overexpressing PKR1 activates Akt to protect cardiomyocytes against oxidative stress. We thus, further investigated whether intramyocardial gene transfer of DNA encoding PKR1 may rescue the myocardium against myocardial infarction in mouse model. Transient PKR1 gene transfer after coronary ligation reduces mortality and preserves left ventricular function by promoting neovascularization and protecting cardiomyocytes. Our results suggest that PKR1 may represent a novel therapeutic target to limit myocardial injury following ischemic events. Next, we investigated the pathological consequences of overexpressing PKR1 in cardiomyocytes in vivo. We have generated transgenic mice overexpressing PKR1 in cardiomyocytes (TG-PKR1) using α-MHC promoter. TG-PKR1 hearts displayed no spontaneous abnormalities in cardiomyocytes but showed an increased number of capillary density and arterioles. Moreover, overexpressing PKR1 in H9c2 cardiomyoblasts or in TG-PKR1 hearts upregulated prokineticin-2 expression. Cardiomyocyte-PKR1 signaling upregulates its own ligand prokineticin-2 that acts as a paracrine factor, triggering Epicardial-derived Progenitor cells (EPDCs) proliferation/differentiation to induce neovascularization. This study provides a novel insight for possible therapeutic strategies aiming at restoring pluripotency of adult EPDCs to promote neovasculogenesis by induction of cardiomyocyte PKR1 signaling. Since PKR1 and PKR2 are 85% identical and expressed in cardiovascular tissues, next we investigated the pathological consequences of overexpressing prokineticin receptor-2 (PKR2) in cardiomyocytes in vivo. We have generated transgenic mice overexpressing PKR2 in cardiomyocytes (TG-PKR2) using α-MHC promoter. We hypothesize that PKR2 may also contribute to cardiomyocyte growth and vascularization. TG-PKR2 hearts showed increased hypertrophic gene expression and eccentric hypertrophy which showed that increased left ventricular diameters and increased the length of cardiomyocytes. Quantitative morphological analysis showed that TG-PKR2 hearts have a normal micro vessel density and number of branch points, however TG-PKR2 hearts showed increased abnormal endothelial shape and ultrastucture which indicate the fenestration of blood vessels. Application of media conditioned by H9c2 cardioblast cells overexpressing PKR2 significantly induced impaired ZO-1 tight junction localization in cardiac endothelial cells, mimicking the TG-PKR2 model. These findings provide the first genetic evidence that cardiomyocyte-PKR2 signaling leads to eccentric hypertrophy in an autocrine regulation, and impaired endothelial integrity in a paracrine regulation without inducing angiogenesis. These TG-PKR2 mice may provide a new genetic model for heart disease. Next we investigated whether PKR2 can directly induce fenestration into cardiac endothelial cells. PKR2 overexpressing cardiac endothelial cells showed increased caveolin-1 expression and decreased ZO-1 tight junction protein expression. Moreover, those cells showed disruption of ZO-1 localization. These data indicate PKR2 can induce cell barrier dysfunction resulting in fenestration into cardiac endothelial cells as a direct effect. After prokineticin-2 stimulation in PKR2 overexpressing cardiac endothelial cells, we observed internalization and downregulation of VE-cadherin. These data indicate the possibility of Gα12 coupling with PKR2 to induce cell barrier dysfunction in cardiac endothelial cells. As a conclusion, for the first time we have shown that the balance between the activation of PKR1 and PKR2 signaling could be very important to prevent cardiomyocytes from ischemic insult and/or to induce neovascularization in heart, since the roles of prokineticin receptors in heart are involved in cell survival and angiogenesis via PKR1 and in cardiac hypertrophy and fenestration via PKR2.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (160 f.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Notes bibliogr.

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  • Bibliothèque : Université de Strasbourg. Service commun de la documentation. Bibliothèque Blaise Pascal.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : Th.Strbg.Sc.2008;5762
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