Advanced

Vascular smooth muscle mechanotransduction and plasticity-the role of microRNA, calcium signaling and actin polymerization

Turczynska, Karolina LU (2014) In Lund University, Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series 2014:61.
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Hjärtat pumpar blod genom ett nätverk av blodkärl, vilket för ut syre och näringsämnen till organen och för tillbaka restprodukter som bryts ned eller utsöndras från kroppen. När hjärtat pumpar byggs det upp ett tryck som driver blodet genom kärlsystemet, från artärter till vener via ett förgrenat nät av kapillärer, som svarar för utbytet med vävnadsvätskorna. Blodflödet genom ett organ bestäms dels av tryckskillnaden mellan artärer och vener, och dels av kärlsystemets resistans (motstånd), som huvudsakligen bestäms av kärlens diameter. Trycket i blodkärlen sjunker hela vägen från hjärtat via artärerna till kapillärerna och därifrån vidare tillbaka till hjärtat via venerna. Den största delen av... (More)
Popular Abstract in Swedish

Hjärtat pumpar blod genom ett nätverk av blodkärl, vilket för ut syre och näringsämnen till organen och för tillbaka restprodukter som bryts ned eller utsöndras från kroppen. När hjärtat pumpar byggs det upp ett tryck som driver blodet genom kärlsystemet, från artärter till vener via ett förgrenat nät av kapillärer, som svarar för utbytet med vävnadsvätskorna. Blodflödet genom ett organ bestäms dels av tryckskillnaden mellan artärer och vener, och dels av kärlsystemets resistans (motstånd), som huvudsakligen bestäms av kärlens diameter. Trycket i blodkärlen sjunker hela vägen från hjärtat via artärerna till kapillärerna och därifrån vidare tillbaka till hjärtat via venerna. Den största delen av tryckfallet sker i små artärter, s.k. resistanskärl, uppströms från kapillärerna. Med hjälp av glatta muskelceller i kärlväggen kan resistanskärlen reglera sin diameter och därigenom resistans och blodflöde. Generellt ökad resistans i kärlsystemet leder till att hjärtat anpassar sig till att generera högre artärtryck för att blodflödet skall upprätthållas. Detta tillstånd, hypertoni, frestar på hjärtat och höjer risken för skador på kärlväggen med allvarliga komplikationer som hjärtinfarkt och stroke. Om det förhöjda blodtrycket kvarstår kommer blodkärlen att anpassa sig genom att dra ihop sig mer och blir till slut strukturellt ombildade, med mindre innerdiameter och tjockare vägg. Denna s.k. kärlremodellering förvärrar hypertonin och ökar risken för komplikationer.

De glatta muskelcellerna i kärlväggen är konstant utsatta för mekaniska krafter genererade av blodtrycket. Cellerna är normalt kontraherade (sammandragna) i viss utsträckning, vilket medger att kärlets resistans kan såväl öka som minska genom att graden av kontraktion varierar. Cellerna innehåller kontraktila proteiner, framför allt aktin och myosin, som samverkar med varandra och med strukturella och reglerande proteiner för att åstadkomma kontraktionen. Detta system är mycket dynamiskt och bildningen av proteiner som understödjer kontraktion står under kontroll av signalsystem som reagerar på mekaniska krafter verkande på kärlväggen. Sträckning stimulerar uppbyggnaden av det kontraktila systemet, medan avsaknad av sträckning har motsatt effekt. Cellerna påverkas också av skador och inflammation, som stimulerar tillväxt och celldelning samt syntes av bindvävsproteiner men nedreglerar det kontraktila systemet. Denna övergång från s.k. kontraktil till syntetisk fenotyp är ett led i en läkningsreaktion som kan vara viktig för att bevara kärlets funktion, men tillväxten kan också leda till att blodflödet stryps med allvarliga konsekvenser. Vid hypertoni bidrar sträckningen av kärlväggen till att bevara den kontraktila fenotypen samtidigt som cellerna stimuleras till tillväxt. I detta avhandlingsarbete studeras, med fokus på några molekyler och steg i processen, hur de glatta muskelcellerna överför mekaniska signaler till att reglera sin proteinsyntes och därmed sin fenotyp.

MikroRNA är små molekyler som kan ha stor betydelse genom att inhibera syntesen av specifika proteiner och därmed indirekt påverka den kontraktila funktionen och fenotypen hos de glatta muskelcellerna. Ändrade mikroRNA-nivåer kan vara förenade med förlorad kontraktionsförmåga men ökad tillväxt, i likhet med svaret på kärlskada. Vi har visat att ökningen av kontraktila proteiner som normalt sker vid sträckning är hämmad i blodkärl som saknar mikroRNA, medan tillväxtsignaleringen inte är påverkad. Kalciuminflödet över cellmembranen via s.k. spänningskänsliga jonkanaler är viktig för kontraktion av glatt muskulatur. Vi har visat att förlust av mikroRNA leder till minskat uttryck av kalciumkanaler, vilket vi identifierade som en möjlig mekanism bakom minskad kontraktil differentiering som svar på mekanisk sträckning. MikroRNA är därför viktiga för sträckningsinducerad signalering och funktion hos glatt muskulatur. Vi har vidare visat att sträckning kan reglera mikroRNA-nivåerna i glatt kärlmuskulatur. Uttrycket av två mikroRNA, miR-144 och miR-451, minskar som svar på sträckning, och detta är förenat med ökad signalering via AMP kinas, vilket kontrollerar cellens energibalans.

Kalcium, som inducerar kontraktion i den glatta kärlmuskelcellen, kan också stimulera tillväxt genom att aktivera intracellulära signalsystem. Dessa olika funktioner kan möjligen regleras genom olika mekanismer för kalcium att passera in över cellmembranen. Vi har visat att blockering av ett kalciumkänsligt intracellulärt protein, PYK2, hämmar tillväxten av kärlmuskulaturen som svar på sträckning utan att påverka kontraktionsförmåga eller uttryck av kontraktila proteiner. Förutom kalcium krävs att de kontraktila proteinerna är organiserade i trådar (filament) för att cellen skall kontrahera. Aktinfilament byggs upp genom polymerisering av globulära aktinmolekyler i en dynamisk process reglerad av ett väl utvecklat signalsystem. Aktinfilamenten kan dessutom binda ett antal olika molekyler som särskilt uttrycks i den kontraktila fenotypen och vars syntes stimuleras av aktinpolymeriseringen. Vi utnyttjade detta fenomen för att hitta nya proteiner som bidrar till att definiera den kontraktila fenotypen hos kärlmuskulatur och fann två aktinbindande proteiner, dystrofin och synaptopodin 2. Nivåerna av dessa proteiner var reducerade i våra experimentella modeller med ökad glatt muskeltillväxt och/eller minska kontraktionsförmåga. Dessa modeller efterliknar sjukliga tillstånd som kan uppträda i kärlsystemet. Därför är det möjligt att dystrofin och synaptopodin 2 bidrar till att hålla kärlmuskulaturen i kontraktil fenotyp.

Sammanfattningsvis har vi visat att sträckning av kärlväggen stimulerar tillväxt och differentiering av dess glatta muskulatur och att dessa svar regleras av mikroRNA, kalciumsignalering och aktinpolymerisering. Resultaten av detta arbete ökar förståelsen av de molekylära mekanismerna bakom mekaniskt inducerad modulering av den glatta kärlmuskulaturens fenotyp och öppnar nya möjligheter till prevention och behandling av kärlsjukdomar. (Less)
Abstract
Smooth muscle cells residing in the blood vessel media are constantly exposed to mechanical forces exerted by the intraluminal pressure. The smooth muscle senses and adapts to mechanical forces by activation of multiple signaling pathways and cytoskeletal rearrangements. Stretch of the vascular wall is therefore an important factor that controls smooth muscle cell phenotype and function.

The goal of this thesis was to study the role of microRNAs and calcium-sensitive proline-rich tyrosine kinase (PYK 2) in stretch-induced signaling as well as to characterize genes whose expression is regulated by actin polymerization in smooth muscle.

Murine portal vein cultured ex vivo under longitudinally applied load was used to study... (More)
Smooth muscle cells residing in the blood vessel media are constantly exposed to mechanical forces exerted by the intraluminal pressure. The smooth muscle senses and adapts to mechanical forces by activation of multiple signaling pathways and cytoskeletal rearrangements. Stretch of the vascular wall is therefore an important factor that controls smooth muscle cell phenotype and function.

The goal of this thesis was to study the role of microRNAs and calcium-sensitive proline-rich tyrosine kinase (PYK 2) in stretch-induced signaling as well as to characterize genes whose expression is regulated by actin polymerization in smooth muscle.

Murine portal vein cultured ex vivo under longitudinally applied load was used to study the effects of stretch. Spontaneous activity as well as stretch-induced synthesis of contractile/cytoskeletal proteins was diminished in portal vein lacking functional microRNAs (Dicer KO). In wild type portal vein, stretch down-regulated miR-144/451 cluster expression, which inversely correlated with increased activation of AMP-kinase and contractile differentiation of smooth muscle. Stretch increased phosphorylation of PYK 2 at Tyr402 in rat portal vein. The PYK 2 inhibitor, PF-4594755 reduced DNA and total protein synthesis, whereas stretch-induced mRNA expression of smooth muscle contractile markers was maintained. Stabilization of actin filaments in smooth muscle cells resulted in increased expression of a number of genes encoding proteins involved in cytoskeletal and contractile function, including dystrophin and synaptopodin 2. The expression of dystrophin and synaptopodin 2 was down-regulated in phenotypically modulated smooth muscle cells and after balloon-injury of human mammary artery. Furthermore, loss of dystrophin resulted in decreased smooth muscle contractile function.

In summary, this study provides novel evidence for the role of microRNAs and calcium-sensitive PYK 2 in stretch-induced signaling in smooth muscle. Moreover, the data show that dystrophin and synaptopodin 2 are regulated by actin polymerization and that their expression is altered in models of vascular disease. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Professor Greenwood, Iain, Division of Biomedical Sciences, St. George’s, University of London, UK
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
PYK2, actin polymerization, calcium, microRNA, stretch
in
Lund University, Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
volume
2014:61
pages
79 pages
publisher
Department of Experimental Medical Science, Lund Univeristy
defense location
Segerfalk lecture hall, Biomedical Center (BMC) A10, Sölvegatan 17, Lund
defense date
2014-05-23 09:00
ISSN
1652-8220
ISBN
978-91-87651-87-8
language
English
LU publication?
yes
id
a45ac6f0-2b5f-4ff4-8313-4971467c22c8 (old id 4406553)
date added to LUP
2014-05-27 13:10:22
date last changed
2016-09-19 08:44:47
@phdthesis{a45ac6f0-2b5f-4ff4-8313-4971467c22c8,
  abstract     = {Smooth muscle cells residing in the blood vessel media are constantly exposed to mechanical forces exerted by the intraluminal pressure. The smooth muscle senses and adapts to mechanical forces by activation of multiple signaling pathways and cytoskeletal rearrangements. Stretch of the vascular wall is therefore an important factor that controls smooth muscle cell phenotype and function.<br/><br>
The goal of this thesis was to study the role of microRNAs and calcium-sensitive proline-rich tyrosine kinase (PYK 2) in stretch-induced signaling as well as to characterize genes whose expression is regulated by actin polymerization in smooth muscle.<br/><br>
Murine portal vein cultured ex vivo under longitudinally applied load was used to study the effects of stretch. Spontaneous activity as well as stretch-induced synthesis of contractile/cytoskeletal proteins was diminished in portal vein lacking functional microRNAs (Dicer KO). In wild type portal vein, stretch down-regulated miR-144/451 cluster expression, which inversely correlated with increased activation of AMP-kinase and contractile differentiation of smooth muscle. Stretch increased phosphorylation of PYK 2 at Tyr402 in rat portal vein. The PYK 2 inhibitor, PF-4594755 reduced DNA and total protein synthesis, whereas stretch-induced mRNA expression of smooth muscle contractile markers was maintained. Stabilization of actin filaments in smooth muscle cells resulted in increased expression of a number of genes encoding proteins involved in cytoskeletal and contractile function, including dystrophin and synaptopodin 2. The expression of dystrophin and synaptopodin 2 was down-regulated in phenotypically modulated smooth muscle cells and after balloon-injury of human mammary artery. Furthermore, loss of dystrophin resulted in decreased smooth muscle contractile function. <br/><br>
In summary, this study provides novel evidence for the role of microRNAs and calcium-sensitive PYK 2 in stretch-induced signaling in smooth muscle. Moreover, the data show that dystrophin and synaptopodin 2 are regulated by actin polymerization and that their expression is altered in models of vascular disease.},
  author       = {Turczynska, Karolina},
  isbn         = {978-91-87651-87-8},
  issn         = {1652-8220},
  keyword      = {PYK2,actin polymerization,calcium,microRNA,stretch},
  language     = {eng},
  pages        = {79},
  publisher    = {Department of Experimental Medical Science, Lund Univeristy},
  school       = {Lund University},
  series       = {Lund University, Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series},
  title        = {Vascular smooth muscle mechanotransduction and plasticity-the role of microRNA, calcium signaling and actin polymerization},
  volume       = {2014:61},
  year         = {2014},
}