Hypoxieforschung
Zelluläre Anpassung an Hypoxie
Eine ungenügende Sauerstoff-Zufuhr ist ein gemeinsames Merkmal für die Anpassung an große Höhen und verschiedenen kardiovaskulären Erkrankungen. In der Abteilung Herz-Kreislaufphysiologie werden die molekularen Mechanismen und mögliche therapeutische Konsequenzen des zellulären Hypoxie-Sensing und -Signalling untersucht.
Sauerstoffsensing
Die zelluläre Anpassung an einen Sauerstoffmangel erfolgt durch eine Stabilisierung und Aktivierung des Transkriptionsfaktors Hypoxie-induzierbarer Faktor (HIF). Die Prolyl-4-Hydroxylase (PHD) Enzyme hydroxylieren die Alpha-Untereinheit von HIF an zwei kritischen Prolinen (P402 und P564). Diese Reaktion ist direkt abhängig von der Sauerstoff-Substratkonzentration. Eine HIF-Hydroxylierung hat eine pVHL-abhängige Ubiquitinierung und raschen Abbau des HIF-1 alpha Proteins zur Folge. Unter hypoxischen Bedingungen wird die Hydroxylierung aufgrund des Substratmangels verhindert, HIF-1alpha bleibt damit stabil, kann mit der HIF-1 alpha Untereinheit hetero-dimerisieren und nach nukleärer Translokation und Rekrutierung von Ko-Faktoren eine Sauerstoff-abhängige Genexpression einleiten. Funktionell werden durch HIF-Zielgene zellphysiologische Funktionen wie Erythropoiese, Glykolyse, Angiogenese etc. beeinflusst, um die Zellhomöostase unter den hypoxischen Bedingungen aufrecht zu erhalten. Die PHD Enzyme sind potentielle Kandidatenmoleküle für die Modulation der zellulären Anpassung an Hypoxie. Daher ist ein Ziel die weitere Aufklärung ihrer Organ und Isoform-spezifischen Funktion, Gebrauch von Ko-Faktoren sowie Konsequenzen ihrer Inhibition.
Herz-spezifische HIF-Zielgene
Während die meisten HIF Zielgene ubquitär Zelltyp-unabhängig exprimiert werden, werden einzelne HIF-Zielgene Zell/Gewebe-spezifisch exprimiert. Dies trägt der Organ-spezifischen Anpassung an Hypoxie Rechnung. Um die Anpassung von Kardiomyozyten an Hypoxie besser zu verstehen, werden Kardiomyozyten-spezifische Zielgene analysiert sowie die Bedeutung dieser an der kardialen Hypoxie-Antwort untersucht.
Bedeutung der Hypoxie-induzierten Genexpression für die Anpassung an mechanische Last
Pathologische mechanische Last kann eine Herzmuskelhypertrophie auslösen. Frühere Untersuchungen deuten darauf hin, dass bei der krankhaften Hypertrophie die Entwicklung des koronaren Gefäßsystems mit der Massenzunahme der Herzwand nicht Schritt hält, sodass die Blutversorgung der Herzmuskelzellen eingeschränkt sein kann. Hingegen scheint bei einer physiologischen Herzvergrößerung – z.B. infolge Ausdauertrainings – ein adäquates Gefäßwachstum in der Herzwand vorzuliegen. Die Signalwege, die für diese Unterschiede verantwortlich sind, sind noch weitgehend unerforscht, obwohl sie potenzielle Ansatzpunkte für eine Pharmakotherapie der Herzinsuffizienz darstellen könnten. Zweck des Versuchsvorhabens ist zu klären, welche Rolle durch lokalen Sauerstoffmangel (Hypoxie) induzierte Signalwege bei der Gefäßneubildung in hypertrophierenden Herzen spielen. Speziell soll die Bedeutung der Prolyl-4-Hydroxylase Domäne (PHD) 2 und 3 in entsprechend gentechnisch veränderten Mausmodellen (Herz-spezifische PHD2, PHD3 bzw. PHD2/3 knock out Mäuse) nach erhöhter mechanischer Nachlast in dem Modell der transversalen Aortenkonstriktion (TAC) untersucht werden.
Kardioprotektiver Schutz durch die zellulän Sauerstoffsensoren Prolyl-4-Hydroxylase Domäne (PHD) 2 und 3 bei Ischämie
Ziel dieses Versuchsvorhabens ist es zu überprüfen, ob die zellulären Sauerstoffsensoren PHD geeignete Zielmoleküle für den kardialen Schutz bei kardialer Ischämie darstellen. Der Herzinfarkt ist eine der Haupttodesursachen in den Industrienationen. Die Inzidenz beträgt in Deutschland etwa 300 Infarkte jährlich pro 100.000 Einwohner. Der akute Herzinfarkt liegt an zweiter Stelle der Todesursachen in Deutschland. Ein Gewebeschutz gegen die akut auftretende Ischämie könnte das akute Überleben bzw. das Langzeitüberleben der betroffenen Patienten deutlich verbessern. Dies wird durch Verwendung gentechnisch veränderter Mäuse (Herz-spezifische PHD knock out bzw. transgene Mäuse), die im Rahmen eines Myokardinfarktmodells genutzt werden sollen, überprüft und geklärt werden.
Hypoxia Research
Cellular adaptation to hypoxia
High altitude and various cardiovascular diseases have a limited oxygen supply in common. The molecular mechanisms of hypoxia sensing and it`s therapeutic consequences are investigated in the Department of Cardiovascular Physiology.
Oxygen-Sensing
Cellular adaptation towards a decreased oxygen supply is facilitated by stabilization and activation of the hypoxia-inducible transcription factor (HIF). Prolyl-4-hydroxylase domain (PHD) enzymes hydroxylate the alpha-subunit of HIF at two critical prolyl residues (P402 and P564). The enzymatic reaction is directly depending on the oxygen substrate concentration. HIF-hydroxylation leads to a pVHL-mediated ubiquitination and rapid proteasomal degradation of HIF alpha. In hypoxia the HIF hydroxylation is impaired, which results in HIF-1 alpha stabilization as well as subsequent heterodimerization with HIF alpha, nuclear translocation, recruitment of transcriptional co-factors and finally transcriptional activation of oxygen-dependent gene expression. HIF target genes are involved in erythropoiesis, glycolysis, angiogenesis etc. to support cellular homeostasis in hypoxia. PHD enzymes are candidate molecules for modulating the cellular adaptation towards hypoxia. One goal of our projects is to characterize the PHD enzymes regarding their organ and isoform-specific function, putative co-factors as well as consequences of inhibition of the PHD enzymatic activity.
Heart-specific HIF target genes
Most of the HIF target genes are ubiquitously expressed. However, there are cell type/tissue-specific target genes. This facilitates the organ-specific adaptation towards hypoxia. To gain a better understanding for the hypoxia-adaptation of cardiomyocytes, cardiac-specific HIF target genes and their impact for the hypoxic response are investigated.
Impact of hypoxia-inducible gene expression for the adaptation to mechanical load
Mechanical load results in cardiac hypertrophy. In case of pathophysiological hypertrophy the cardiac angiogenesis does not keep up with the increased muscle mass resulting in decreased blood supply. In case of physiological hypertrophy – as a consequence of for example endurance exercise – cardiac angiogenesis and cardiac muscle mass are balanced. The signalling pathways responsible for this difference are largely unknown, although they might be potential targets for developing pharmacotherapy against cardiac insufficiency. The goal of the project is to analyze the role of hypoxia-inducible gene expression for the angiogenesis in the hypertrophied heart. PHD2 and PHD3 will be in the focus of the study. To this end, genetically modified mouse models (cardiac-specific PHD2, PHD3 and PHD2/3 knock out mice) undergo transverse aortic banding (TAC).
Cardioprotective function of the cellular oxygen sensors Prolyl-4-hydroxylase domain (PHD) 2 and 3 in myocardial ischemia
Goal of the project is to analyze, if the cellular oxygen sensors PHD can facilitate cardiac protection in case of ischemia. Myocardial infarction is one major cause of death in industrial nations with an incidence of 300 infarctions per 100.000 inhabitants and year. Acute myocardial infarction is the second most common cause of death in Germany. Cardiac tissue protection in case of acute ischemia could result in better short and long term survival of the patients. To this end genetically modified mice (cardiac specific PHD knock out and transgenic mice) are analyzed in a myocardial infarction model.
Direktorin der Abteilung Herz- und Kreislaufphysiologie
(Drittmittelfinanziertes Projekt)
(Drittmittelfinanziertes Projekt)
(Drittmittelfinanziertes Projekt)
(Drittmittelfinanziertes Projekt)
