Notch and NF-kB signas at the heart of development and disease

Abstract

Congenital heart disease is the commonest human birth defect occurring in 1% of the population worldwide, whereas acquired heart disease is the main cause of mortality in the elderly western populations, highlighting the importance of research focus on signaling pathways involved in cardiac development and disease. Notch signaling pathway is important for cell-cell communication that controls tissue formation and homeostasis during embryonic and adult life, but the precise cell targets of Notch signaling in the mammalian heart remain poorly defined. Here, we report that conditional over-expression of Notch1 intracellular domain (NICD1) in the embryonic cardiomyocyte compartment results in developmental defects and perinatal lethality in mice. In contrast, augmentation of endogenous Notch reactivation after myocardial infarction in the adult by intramyocardial delivery of a Notch1 pseudoligand increases survival rate improves cardiac functional performance and minimizes fibrosis, promoting proliferative and angiogenic mechanisms. These results reveal a strict requirement for cell-autonomous modulation of Notch signaling during heart morphogenesis, and illustrate how the same signaling pathway that promotes congenital heart defects when perturbed in the embryo can be therapeutically redeployed for the treatment of adult myocardial damage. Additionally, we sought to determine the role of NF-κB pathway in the adult myocardium and acquired cardiac disease. Insight into the function of nuclear factor κB (NF-κB) in the adult heart has been hampered by the embryonic lethality of constitutive NF-κB inactivation in mice. Using Cre/loxP technology, we disrupted in a cardiac-specific manner the NF-κB essential modulator (NEMO) in the murine heart, which simulated the adaptive changes underlying human heart failure, causing adultonset dilated cardiomyopathy accompanied by inflammation and apoptosis. Pressure overload challenges of NF-κB-deficient young hearts precociously induced the functional decrements that develop spontaneously in older knockout animals. Oxidative stress in NF-κB-deficient cardiomyocytes is a critical pathological component that can be attenuated with antioxidant diet in vivo. These results reveal an essential physiological role for NF-κB in the adult heart to maintain cardiac function in response to aging-related or mechanical challenges, in part through modulation of oxidative stress. Taken together, our observations provide valuable insights regarding the cardiomyocyteautonomous role of Notch1 and NEMO/ NF-κB signaling in congenital and acquired heart disease.

Η συγγενής καρδιοπάθεια αποτελεί την πιο συχνή μορφή ανθρώπινων δυσπλασιών (1% του παγκόσμιου πληθυσμού), ενώ η επίκτητη καρδιοπάθεια είναι η κύρια αιτία θνησιμότητας στον δυτικό ηλικιωμένο πληθυσμό, υπογραμμίζοντας την σημαντικότητα ερευνητικών προσπαθειών εστιαζόμενων στην μελέτη μοριακών μονοπατιών που εμπλέκονται στην καρδιακή ανάπτυξη και ασθένεια. Το μοριακό μονοπάτι Notch είναι απαραίτητο για μορφές διακυτταρικής επικοινωνίας, οι οποίες επηρεάζουν τον σχηματισμό και ομοιοστασία ιστών κατά την διάρκεια της εμβρυικής και ενήλικης ζωής. Ωστόσο, δεν είναι σαφές σε ποιους κυτταρικούς πληθυσμούς της καρδιάς θηλαστικών το μοριακό μονοπάτι Notch είναι ενεργό. Εδώ αναφέρουμε ότι υπερ-έκφραση του ενδοκυτταρικού τμήματος του Notch1 υποδοχέα (NICD1) σε μυοκύτταρα της εμβρυικής καρδιάς οδηγεί σε αναπτυξιακές ανωμαλίες και πρόωρη θνησιμότητα. Αντιθέτως, ενίσχυση της ενδογενούς Notch ενεργοποίησης μετά από έμφραγμα του μυοκαρδίου με την χρήση ενός ψευδοπροσδέματος (pseudoligand) για τον υποδοχέα Notch1 μειώνει το ποσοστό θνησιμότητας, βελτιώνει την καρδιακή λειτουργία και ελαχιστοποιεί την εναπόθεση κολλαγόνου (ίνωση), προάγωντας μηχανισμούς κυτταρικού πολλαπλασιασμού και δημιουργία νέων αιμοφόρων αγγείων. Τα αποτελέσματα μας αποκαλύπτουν πως ο βαθμός ενεργότητας του Notch μοριακού μονοπατιού στα καρδιομυοκύτταρα επηρεάζει την καρδιακή ανάπτυξη και αποδεικνύουν πως το ίδιο μοριακό μονοπάτι το οποίο προκαλεί καρδιακές ανωμαλίες όταν επηρεαστεί κατά την εμβρυική ανάπτυξη, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για θεραπεία ασθενών με έμφραγμα του μυοκαρδίου. Επίσης, μελετήσαμε τον ρόλο του μεταγραφικού παράγοντα nuclear factor κB (NF- κB) στο μυοκάρδιο στα πλαίσια της επίκτητης καρδιακής ασθένειας. Οι μοριακές δράσεις του NF- κB στην ενήλικη καρδιά παραμένουν άγνωστες διότι η καθολική απενεργοποίηση του NF-κB σε ποντίκια οδηγεί σε πρόωρη θνησιμότητα κατά την εμβρυική ανάπτυξη. Χρησιμοποιώντας τεχνολογία Cre/loxP, απενεργοποιήσαμε το γονίδιο Νemo (NF-κB essential modulator) ειδικά στα καρδιομυοκύτταρα ποντικών. Η συγκεκριμένη προσέγγιση οδήγησε σε ανάπτυξη καρδιακής φλεγμονής και αποπτώσης, οι οποίες οδήγησαν σε καρδιομυοπάθεια κατά το ενήλικο στάδιο ζωής. Επιπρόσθετα, πειράματα επαγωγής υπερτροφίας σε νεαρές καρδιές ποντικών με μεταλλαγμένο το Νemo γονίδιο οδήγησαν πρόωρα σε καρδιακή δυσλειτουργία, η οποία θυμίζει την σποραδική καρδιοπάθεια που παρατηρείται σε ενήλικα μεταλλαγμένα Νemo ποντίκια. Πιστεύουμε πως η απώλεια του Νemo γονιδίου στα καρδιομυοκύτταρα οδηγεί σε οξειδωτική δυσλειτουργία η οποία προκαλεί καρδιομυοπάθεια, διότι αντιοξειδωτική δίαιτα επέφερε βελτίωση της καρδιακής παθολογίας στα μεταλλαγμένα Νemo ποντίκια. Τα αποτελέσματα μας αποκαλύπτουν έναν απαραίτητο ρόλο για τον μεταγραφικό παράγοντα NF-κB στην ενήλικη καρδιά ώστε να διατηρεί την φυσιολογική της λειτουργία ανταποκρινόμενη σε μηχανικές επιβαρύνσεις ή γήρανση. Συνοψίζοντας, οι παρατηρήσεις μας συνεισφέρουν στην βαθύτερη κατανόηση του ρόλου των μοριακών μονοπατιών Notch1 και NF-κB στα καρδιομυοκύτταρα στα πλαίσια συγγενών και επίκτητων καρδιακών ανωμαλιών.