The Role of MicroRNA Regulation of Cardiac Ion Channel in Arrhythmia

La fibrillation auriculaire (FA) est le trouble du rythme le plus fréquemment observé en pratique clinique. Elle constitue un risque important de morbi-mortalité. Le traitement de la FA reste un défi majeur en lien avec les nombreux effets secondaires associés aux approches thérapeutiques actuelles. Dans ce contexte, une meilleure compréhension des mécanismes sous-jacents à la FA est essentielle pour le développement de nouvelles thérapies offrant un meilleur rapport bénéfice/risque pour les patients. La FA est caractérisée par i) un remodelage électrique délétère associé le plus souvent ii) à un remodelage structurel du myocarde favorisant la récurrence et le maintien de l’arythmie. La diminution de la période réfractaire effective au sein du tissu auriculaire est un élément clef du remodelage électrique. Le remodelage structurel, quant à lui, se manifeste principalement par une fibrose tissulaire qui altère la propagation de l’influx électrique dans les oreillettes. Les mécanismes moléculaires impliqués dans la mise en place de ces deux substrats restent mal connus. Récemment, le rôle des microARNs (miARNs) a été pointé du doigt dans de nombreuses pathologies notamment cardiaques. Dans ce contexte les objectifs principaux de ce travail ont été i) d'acquérir une compréhension approfondie du rôle des miARNs dans la régulation de l’expression des canaux ioniques et ii) de mieux comprendre le rôle de ces molécules dans l’installation d’un substrat favorable a la FA. Nous avons, dans un premier temps, effectué une analyse bio-informatique combinée à des approches expérimentales spécifiques afin d’identifier clairement les miARNs démontrant un fort potentiel de régulation des gènes codant pour l’expression des canaux ioniques cardiaques humains. Nous avons identifié un nombre limité de miARNs cardiaques qui possédaient ces propriétés. Sur la base de ces résultats, nous avons démontré que l’altération de l'expression des canaux ioniques, observée dans diverse maladies cardiaques (par exemple, les cardiomyopathies, l’ischémie myocardique, et la fibrillation auriculaire), peut être soumise à ces miARNs suggérant leur implication dans l’arythmogénèse. La régulation du courant potassique IK1 est un facteur déterminant du remodelage électrique auriculaire associée à la FA. Les mécanismes moléculaires sous-jacents sont peu connus. Nous avons émis l’hypothèse que l'altération de l’expression des miARNs soit corrélée à l’augmentation de l’expression d’IK1 dans la FA. Nous avons constaté que l’expression de miR-26 est réduite dans la FA et qu’elle régule IK1 en modulant l’expression de sa sous-unité Kir2.1. Nous avons démontré que miR-26 est sous la répression transcriptionnelle du facteur nucléaire des lymphocytes T activés (NFAT) et que l’activité accrue de NFATc3/c4, aboutit à une expression réduite de miR-26. En conséquence IK1 augmente lors de la FA. Nous avons enfin démontré que l’interférence in vivo de miR-26 influence la susceptibilité à la FA en régulant IK1, confirmant le rôle prépondérant de miR-26 dans le remodelage auriculaire électrique. La fibrose auriculaire est un constituant majeur du remodelage structurel associé à la FA, impliquant l'activation des fibroblastes et l’influx cellulaire du Ca2 +. Nous avons cherché à déterminer i) si le canal perméable au Ca2+, TRPC3, jouait un rôle dans la fibrose auriculaire en favorisant l'activation des fibroblastes et ii) étudié le rôle potentiel des miARNs dans ce contexte. Nous avons démontré que les canaux TRPC3 favorisent l’influx du Ca2 +, activant la signalisation Ca2 +-dépendante ERK et en conséquence activent la prolifération des fibroblastes. Nous avons également démontré que l’expression du TRPC3 est augmentée dans la FA et que le blocage in vivo de TRPC3 empêche le développement de substrats reliés à la FA. Nous avons par ailleurs validé que miR-26 régule les canaux TRPC3 en diminuant leur expression dans les fibroblastes. Enfin, nous avons montré que l'expression réduite du miR-26 est également due à l’activité augmentée de NFATc3/c4 dans les fibroblastes, expliquant ainsi l’augmentation de TRPC3 lors de la FA, confirmant la contribution de miR-26 dans le processus de remodelage structurel lié à la FA. En conclusion, nos résultats mettent en évidence l'importance des miARNs dans la régulation des canaux ioniques cardiaques. Notamment, miR-26 joue un rôle important dans le remodelage électrique et structurel associé à la FA et ce, en régulant IK1 et l’expression du canal TRPC3. Notre étude démasque ainsi un mécanisme moléculaire de contrôle de la FA innovateur associant des miARNs. miR-26 en particulier représente apres ces travaux une nouvelle cible thérapeutique prometteuse pour traiter la FA.

Cardiac cell fate control by the imidazoline I1 receptor/nischarin : application in cardiac pathology

La moxonidine, un médicament antihypertenseur sympatholytique de type imidazolinique, agit au niveau de la médulla du tronc cérébral pour diminuer la pression artérielle, suite à l’activation sélective du récepteur aux imidazolines I1 (récepteur I1, aussi nommé nischarine). Traitement avec de la moxonidine prévient le développement de l’hypertrophie du ventricule gauche chez des rats hypertendus (SHR), associé à une diminution de la synthèse et une élévation transitoire de la fragmentation d’ADN, des effets antiprolifératifs et apoptotiques. Ces effets se présentent probablement chez les fibroblastes, car l’apoptose des cardiomyocytes pourrait détériorer la fonction cardiaque. Ces effets apparaissent aussi avec des doses non hypotensives de moxonidine, suggérant l’existence d’effets cardiaques directes. Le récepteur I1 se trouvé aussi dans les tissus cardiaques; son activation ex vivo par la moxonidine stimule la libération de l’ANP, ce qui montre que les récepteurs I1 cardiaques sont fonctionnels malgré l’absence de stimulation centrale. Sur la base de ces informations, en plus du i) rôle des peptides natriurétiques comme inhibiteurs de l’apoptose cardiaque et ii) des études qui lient le récepteur I1 avec la maintenance de la matrix extracellulaire, on propose que, à part les effets sympatholytiques centrales, les récepteurs I1 cardiaques peuvent contrôler la croissance-mort cellulaire. L’activation du récepteur I1 peut retarder la progression des cardiopathies vers la défaillance cardiaque, en inhibant des signaux mal adaptatifs de prolifération et apoptose. Des études ont été effectuées pour : 1. Explorer les effets in vivo sur la structure et la fonction cardiaque suite au traitement avec moxonidine chez le SHR et le hamster cardiomyopathique. 2. Définir les voies de signalisation impliquées dans les changements secondaires au traitement avec moxonidine, spécifiquement sur les marqueurs inflammatoires et les voies de signalisation régulant la croissance et la survie cellulaire (MAPK et Akt). 3. Explorer les effets in vitro de la surexpression et l’activation du récepteur I1 sur la survie cellulaire dans des cellules HEK293. 4. Rechercher la localisation, régulation et implication dans la croissance-mort cellulaire du récepteur I1 in vitro (cardiomyocytes et fibroblastes), en réponse aux stimuli associés au remodelage cardiaque : norépinephrine, cytokines (IL-1β, TNF-α) et oxydants (H2O2). Nos études démontrent que la moxonidine, en doses hypotensives et non-hypotensives, améliore la structure et la performance cardiaque chez le SHR par des mécanismes impliquant l’inhibition des cytokines et des voies de signalisation p38 MAPK et Akt. Chez le hamster cardiomyopathique, la moxonidine améliore la fonction cardiaque, module la réponse inflammatoire/anti-inflammatoire et atténue la mort cellulaire et la fibrose cardiaque. Les cellules HEK293 surexprimant la nischarine survivent et prolifèrent plus en réponse à la moxonidine; cet effet est associé à l’inhibition des voies ERK, JNK et p38 MAPK. La surexpression de la nischarine protège aussi de la mort cellulaire induite par le TNF-α, l’IL-1β et le H2O2. En outre, le récepteur I1 s’exprime dans les cardiomyocytes et fibroblastes, son activation inhibe la mort des cardiomyocytes et la prolifération des fibroblastes induite par la norépinephrine, par des effets différentiels sur les MAPK et l’Akt. Dans des conditions inflammatoires, la moxonidine/récepteur aux imidazolines I1 protège les cardiomyocytes et facilite l’élimination des myofibroblastes par des effets contraires sur JNK, p38 MAPK et iNOS. Ces études démontrent le potentiel du récepteur I1/nischarine comme cible anti-hypertrophique et anti-fibrose à niveau cardiaque. L’identification des mécanismes cardioprotecteurs de la nischarine peut amener au développement des traitements basés sur la surexpression de la nischarine chez des patients avec hypertrophie ventriculaire. Finalement, même si l’effet antihypertenseur des agonistes du récepteur I1 centraux est salutaire, le développement de nouveaux agonistes cardiosélectifs du récepteur I1 pourrait donner des bénéfices additionnels chez des patients non hypertendus.

Regulation of expression of the rat orthologue of mouse double minute 2 (MDM2) by H2O2-induced oxidative stress in neonatal rat cardiac myocytes.

The Mdm2 ubiquitin ligase is an important regulator of p53 abundance and p53-dependent apoptosis. Mdm2 expression is frequently regulated by a p53 Mdm2 autoregulatory loop whereby p53 stimulates Mdm2 expression and hence its own degradation. Although extensively studied in cell lines, relatively little is known about Mdm2 expression in heart where oxidative stress (exacerbated during ischemia-reperfusion) is an important pro-apoptotic stimulus. We demonstrate that Mdm2 transcript and protein expression are induced by oxidative stress (0.2 mm H(2)O(2)) in neonatal rat cardiac myocytes. In other cells, constitutive Mdm2 expression is regulated by the P1 promoter (5' to exon 1), with inducible expression regulated by the P2 promoter (in intron 1). In myocytes, H(2)O(2) increased Mdm2 expression from the P2 promoter, which contains two p53-response elements (REs), one AP-1 RE, and two Ets REs. H(2)O(2) did not detectably increase expression of p53 mRNA or protein but did increase expression of several AP-1 transcription factors. H(2)O(2) increased binding of AP-1 proteins (c-Jun, JunB, JunD, c-Fos, FosB, and Fra-1) to an Mdm2 AP-1 oligodeoxynucleotide probe, and chromatin immunoprecipitation assays showed it increased binding of c-Jun or JunB to the P2 AP-1 RE. Finally, antisense oligonucleotide-mediated reduction of H(2)O(2)-induced Mdm2 expression increased caspase 3 activation. Thus, increased Mdm2 expression is associated with transactivation at the P2 AP-1 RE (rather than the p53 or Ets REs), and Mdm2 induction potentially represents a cardioprotective response to oxidative stress.

Changes in gene expression induced by H(2)O(2) in cardiac myocytes.

Oxidative stress induces cardiac myocyte apoptosis. At least some effects are probably mediated through changes in gene expression. Using Affymetrix arrays, we examined the changes in gene expression induced by H(2)O(2) (0.04, 0.1, and 0.2mM; 2 and 4h) in rat neonatal ventricular myocytes. Changes in selected upregulated genes were confirmed by ratiometric RT-PCR. p21(Cip1/Waf1) was one of the only two genes upregulated in all conditions studied. Of the heat shock proteins, only Hsp70/70.1 was induced by H(2)O(2) with no change in the expression of Hsp25, Hsp60 or Hsp90. Heme oxygenase 1 was also potently upregulated, but not heme oxygenases 2 or 3. Of the intercellular adhesion proteins, syndecan-1 was significantly upregulated in response to H(2)O(2), with little change in the expression of other syndecans and no change in expression of any of the integrins studied. Thus, oxidative stress, exemplified by H(2)O(2), selectively promotes the expression of specific gene family members.

Exercise Training Reduces Insulin Resistance and Upregulates the mTOR/p70S6k Pathway in Cardiac Muscle of Diet-Induced Obesity Rats

Obesity and insulin resistance are rapidly expanding public health problems. These disturbances are related to many diseases, including heart pathology. Acting through the Akt/mTOR pathway, insulin has numerous and important physiological functions, such as the induction of growth and survival of many cell types and cardiac hypertrophy. However, obesity and insulin resistance can alter mTOR/p70S6k. Exercise training is known to induce this pathway, but never in the heart of diet-induced obesity subjects. To evaluate the effect of exercise training on mTOR/p70S6k in the heart of obese Wistar rats, we analyzed the effects of 12 weeks of swimming on obese rats, induced by a high-fat diet. Exercise training reduced epididymal fat, fasting serum insulin and plasma glucose disappearance. Western blot analyses showed that exercise training increased the ability of insulin to phosphorylate intracellular molecules such as Akt (2.3-fold) and Foxo1 (1.7-fold). Moreover, reduced activities and expressions of proteins, induced by the high-fat diet in rats, such as phospho-JNK (1.9-fold), NF-kB (1.6-fold) and PTP-1B (1.5-fold), were observed. Finally, exercise training increased the activities of the transduction pathways of insulin-dependent protein synthesis, as shown by increases in Raptor phosphorylation (1.7-fold), p70S6k phosphorylation (1.9-fold), and 4E-BP1 phosphorylation (1.4-fold) and a reduction in atrogin-1 expression (2.1-fold). Results demonstrate a pivotal regulatory role of exercise training on the Akt/ mTOR pathway, in turn, promoting protein synthesis and antagonizing protein degradation. J. Cell. Physiol. 226: 666-674, 2011. (C) 2010 Wiley-Liss, Inc.

Nicorandil protects cardiac mitochondria against permeability transition induced by ischemia-reperfusion

Ischemia followed by reperfusion is known to negatively affect mitochondrial function by inducing a deleterious condition termed mitochondrial permeability transition. Mitochondrial permeability transition is triggered by oxidative stress, which occurs in mitochondria during ischemia-reperfusion as a result of lower antioxidant defenses and increased oxidant production. Permeability transition causes mitochondrial dysfunction and can ultimately lead to cell death. A drug able to minimize mitochondrial damage induced by ischemia-reperfusion may prove to be clinically effective. We aimed to analyze the effects of nicorandil, an ATP-sensitive potassium channel agonist and vasodilator, on mitochondrial function of rat hearts and cardiac HL-1 cells submitted to ischemia-reperfusion. Nicorandil decreased mitochondrial swelling and calcium uptake. It also decreased reactive oxygen species formation and thiobarbituric acid reactive substances levels, a lipid peroxidation biomarker. We thus confirm previous reports that nicorandil inhibits mitochondrial permeability transition and demonstrate that nicorandil inhibits this process by preventing oxidative damage and mitochondrial calcium overload induced by ischemia-reperfusion, resulting in improved cardiomyocyte viability. These results may explain the good clinical results obtained when using nicorandil in the treatment of ischemic heart disease.

Beta-carotene supplementation attenuates cardiac remodeling induced by one-month tobacco-smoke exposure in rats

Objective: the objectives were to analyze the cardiac effects of exposure to tobacco smoke (ETS), for a period of 30 days, alone and in combination with beta-carotene supplementation (BC). Research methods and procedures: Rats were allocated into: Air (control, n = 13); Air + BC (n = 11); ETS (n = 11); and BC + ETS (n = 9). In Air + BC and BC + ETS, 500 mg of BC were added to the diet. After three months of randomization, cardiac structure and function were assessed by echocardiogram. After that, animals were euthanized and morphological data were analyzed post-morten. One-way and two-way ANOVA were used to assess the effects of ETS, BC and the interaction between ETS and BC on the variables. Results: ETS presented smaller cardiac output (0.087 +/- 0.001 vs. 0.105 +/- 0.004 l/min; p = 0.007), higher left ventricular diastolic diameter (19.6 +/- 0.5 vs. 18.0 +/- 0.5 mm/kg; p = 0.024), higher left ventricular (2.02 +/- 0.05 vs. 1.70 +/- 0.03 g/kg; p < 0.001) and atrium (0.24 +/- 0.01 vs. 0.19 +/- 0.01 g/kg; p = 0.003) weight, adjusted to body weight of animals, and higher values of hepatic lipid hydroperoxide (5.32 +/- 0.1 vs. 4.84 +/- 0.1 nmol/g tissue; p = 0.031) than Air. However, considering those variables, there were no differences between Air and BC + ETS (0.099 +/- 0.004 l/min; 19.0 +/- 0.5 mm/kg; 1.83 +/- 0.04 g/kg; 0.19 +/- 0.01 g/kg; 4.88 +/- 0.1 nmol/g tissue, respectively; p > 0.05). Ultrastructural alterations were found in ETS: disorganization or loss of myofilaments, plasmatic membrane infolding, sarcoplasm reticulum dilatation, polymorphic mitochondria with swelling and decreased cristae. In BC + ETS, most fibers showed normal morphological aspects. Conclusion: One-month tobacco-smoke exposure induces functional and morphological cardiac alterations and BC supplementation attenuates this ventricular remodeling process.

Follow-up study of morphology and cardiac function in rats undergoing induction of supravalvular aortic stenosis

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Exposure time and ventricular remodeling induced by tobacco smoke exposure in rats

Background: We investigated the effects of length of exposure to tobacco smoke on the cardiac remodeling process induced by exposure to cigarette smoke in rats.Material/Methods: Rats were separated into 4 groups: nonsmoking (NS) 2 (n=25; control animals not exposed to tobacco smoke for 2 months), smoking (S)2 (n=22; rats exposed to smoke from 40 cigarettes/d for 2 months), NS6 (n=18; control animals not exposed to tobacco smoke for 6 months), and S6 (n=25; rats exposed to smoke from 40 cigarettes/d for 6 months). All animals underwent echocardiographic, isolated heart, and morphometric studies. Data were analyzed with a 2-way analysis of variance.Results: No interaction among the variables was found; this suggests that length of exposure to tobacco smoke did not influence the effects of exposure to smoke. Values for left ventricular diastolic diameter/body weight and left atrium/body weight were higher (p=0.023 and p=0.001, respectively) in smoking (S2 and S6) than in nonsmoking animals (NS2 and NS6). Left ventricular mass index was higher (p=0.048) in smoking than in nonsmoking animals. In the isovolumetrically beating ventricle, peak systolic pressure was higher (p=0.034) in smoking than in nonsmoking animals. Significantly higher values were found for left ventricular weight (p=0.017) and right ventricular weight (p=0.001) adjusted for body weight in smoking as opposed to nonsmoking animals. Systolic pressure was higher (p=0.001) in smoking (128 +/- 14 mm Hg) than in nonsmoking animals (112 +/- 11 mm Hg).Conclusions: Length of exposure to cigarette smoke did not influence cardiac remodeling caused by exposure to sm oke in rats.

Effect of felodipine on myocardial and renal injury induced by aldosterone-high salt hypertension in uninephrectomized rats

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Long-term high-fat diet-induced obesity decreases the cardiac leptin receptor without apparent lipotoxicity

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Diet-induced obesity causes metabolic, endocrine and cardiac alterations in spontaneously hypertensive rats

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Influence of Taurine on Cardiac Remodeling Induced by Tobacco Smoke Exposure

Background/Aims: To investigate the effect of taurine on cardiac remodeling induced by smoking. Methods: In the first step, rats were allocated into two groups: Group C (n=14): control; Group T (n=14): treated with taurine (3% in drinking water), for three months. In the second step, rats were allocated into two groups: Group ETS (n=9): rats exposed to tobacco smoke; Group ETS-T (n=9): rats exposed to tobacco smoke and treated with taurine for two months. Results: After three months, taurine presented no effects on morphological or functional variables of normal rats assessed by echocardiogram. on the other hand, after two months, ETS-T group presented higher LV wall thickness (ETS=1.30 (1.20-1.42); ETS-T=1.50 (1.40-1.50); p=0.029), E/A ratio (ETS=1.13 +/- 0.13; ETS-T=1.37 +/- 0.26; p=0.028), and isovolumetric relaxation time normalized for heart rate (ETS=53.9 +/- 4.33; ETS-T=72.5 +/- 12.0; p<0.001). The cardiac activity of the lactate dehydrogenase was higher in the ETS-T group (ETS=204 +/- 14 nmol/mg protein; ETS-T=232 +/- 12 nmol/mg protein; p<0.001). ETS-T group presented lower levels of phospholamban (ETS=1.00 +/- 0.13; ETS-T=0.82 +/- 0.06; p=0.026), phosphorylated phospholamban at Ser16 (ETS=1.00 +/- 0.14;ETS-T=0.63 +/- 0.10;p=0.003), and phosphorylated phosfolamban/phospholamban ratio (ETS=1.01 +/- 0.17; ETS-T=0.77 +/- 0.11; p=0.050). Conclusion: In normal rats, taurine produces no effects on cardiac morphological or functional variables. on the other hand, in rats exposed to cigarette smoke, taurine supplementation increases wall thickness and worsens diastolic function, associated with alterations in calcium handling protein and cardiac energy metabolism. Copyright (C) 2011 S. Karger AG, Basel