Calcium calmodulin-dependent protein kinase signal transduction in cerebral arteries

Abstract

Cerebral arteries participate actively in the response that follows an episode of cerebral ischemia in man and rat. It has been shown that the vascular endothelin receptor expression is increased in stroke and organ culture. Furthermore, studies have demonstrated the intracellular signalling pathways, leading to the enhanced expression of vascular endothelin receptors. We have revealed that both calcium calmodulin dependent protein kinase and mitogen activated protein kianses play an important role. The signal transduction processes lead to powerful and prolonged effects of the initial activation. The synergistic nature of these processes, involve several gene groups. Our hypothesis is that inhibition of CAMK signal transduction would have effects on genes that are involved in cerebral ischemia and cerebrovascular receptor upregulation.

The results of these studies show that the effect of CAMK or ERK1/2 inhibitor was stronger and more effective compared to that of other MAPK kinases. On the other hand the ability of CAMK to attenuate the contractions induced not only by endothelin receptors but also potassium depolarization revealed the unique role of CAMK in contraction of cerebral arteries. Investigation of the CAMK intracellular pathways shows the dependence of the intra-cellular calcium channel IP3R and CAMK on endothelin receptor expression.

Further in vivo studies using the SAH model in rat showed that a CAMK inhibitor attenuated contractions induced by ET-1. It suggests an important role of the CAMK in late vasospasm after SAH.

This thesis provides new perspectives on the pathophysiology of cerebral ischemia, and provides a possible explanation to the beneficial effects of treatment with CAMK inhibitors to limit the sequels of cerebral ischemia.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Hjärnan är ett organ som utgör 2 % av kroppsvikten men som mottar ca 20 % av hjärtats minut volym och har en mycket hög energi konsumtion. I samband med en blodpropp i något av hjärnas blodkärl eller att ett av hjärnans kärl brister får man en stroke eller cerebral ischemi. Man har under många decennier inriktad sig på den akuta behandlingen på att finna ett sätt att reducera skadorna genom s k neuroprotektion; man har då fokuserat på överlevnad av hjärnans celler och lagt relativt lite fokus på den hjärnans blodkärl. Vi har studerat hjärnans blodkärl och kartlagt dess receptorer. Nu har vi funnit att i samband med en stroke sker en receptor uppreglering av kontraktila receptorer (tillkomst av fler receptorer) i stora och små blodkärl associerade med hjärnskadan. Detta sker genom tidig aktivering av mitogen aktiverade protein kinases (MAPK) typ MEK/ERK1/2 vägen. Vårt arbete syftar till att kartlägga dessa proteiner i detalj och i föreliggande avhandling undersöktes CAMK systemet som vi nu visat kunna samarbeta med MEK/ERK.

Arbetet är baserat på experiment utförda på isolerade blodkärl från hjärnan där dessa kärl inkuberats i ”organ kultur” som är en modell att få fram samma typ av receptor förändring som vi sett i samband med experimentell stroke. I delarbete I studerades hur olika MAPK blockare kan hämma endothelin receptor uppreglering. Ett antal antagonister har studerats i detalj för att karakterisera när och i vilken dos de bäst kan hämma de undersökta protein kinaserna.. Vi fann att MEK/ERK1/2 hämmare har större betydelse jämfört med andra kinaser.

Arbete II jämförde CAMK och ERK signalvägarna, samt undersökte tidens betydelse för inhibitor påverkan på endothelin receptor uttrycket. Detta gav betydelsefulla resultat som visar att CAMK eller ERK inhibitorer har mer påverkan efter att signalvägen MEK/ERK har påbörjat sin aktivitet (dvs 6 timmar efter inkubation). Resultaten har stor betydelse i kliniska sammanhang då vi avser att försöka finna ett medel med klinisk effekt. För att i större detalj undersöka de cellulära mekanismer som deltar i denna process utfördes delarbete III med frågeställningen hur påverkats intracellulära signalvägar för endothelin receptor uttrycket. Detta arbete var fokuserat på hur calcium calmodulin-beroende protein kinase (CAMK), calcium kanaler och transkriptionsfaktorer inverkar på denna process. Vi har satt upp och utfört flera nya tekniker; bland annat studier av intracellulärt calcium i samband med receptor aktivering och undersökt effekterna och inverkan av olika typer av jonkanaler på endotel receptor uttrycket. Arbetet visar att CAMK och inositol trifosfat receptorn samt två transkriptionsfaktorer har en betydelsefull roll i processen kring endothelin receptor uppreglering.

CAMK visade en signifikant effekt på endothelin receptor upreglering hos cerebrala blodkärl vid organ kultur vilket resulterade i att vi utförde en in vivo studie av CAMK på experimentell SAH. I denna modell för subaraknoidal blödning undersökte vi om CAMK inhibition kan påverka receptor uppreglering av endothelin receptorer och det kliniska utfallet in vivo. Vi fann att så var fallet vilket visar att CAMK troligen är en av flera signal-transduktions mekanismer som är aktiva i cerebrovaskulär receptor reglering. Kliniskt skulle man kunna tänka sig att detta kan ha en effekt genom att reducera hjärnskadan efter en stroke.



Slutsats

CAMK har en nyckel roll i kontraktion hos glatta muskle celler. CAMK inhibering minskar receptor upreglering vid organ kultur och SAH. Vi tror att denna studie visar på en ny möjlighet för framtidens forskning och behandling av patienter som drabbas av cerebral ischemia.

• author: Waldsee, Roya
• supervisor: Lars Edvinsson; Malin Malmsjö
• opponent: Professor Krause, Diana, Universtiy of California Irvine, Irvine, USA
• organization: Department of Clinical Sciences, Lund
• publishing date: 2011
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Infectious Medicine
• keywords: CAMK, Ednothelin receptors, Calcium, gene regulation
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2011:20
• pages: 120 pages
• defense location: Segerfalksalen
• defense date: 2011-03-17 09:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-86671-69-3
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Division of Infection Medicine (SUS) (013008000), Department of Clinical Sciences, Lund (013230000)
• id: efac81fd-52bc-45d0-baab-c4bc945a7cba (old id 1789996)
• date added to LUP: 2016-04-01 13:02:15
• date last changed: 2019-05-21 23:36:35