Mechanisms of stretch-induced growth and contractile differentiation in vascular smooth muscle

Abstract

Vascular smooth muscle can adapt to increased intraluminal pressure by remodelling and hypertrophy, as seen in hypertension. The molecular mechanisms responsible for this are still incompletely characterized. We have developed an organ culture system where strips of rat or mouse portal veins are cultured for 1 to 3 days loaded (stretched) by an attached weight and then studied for morphology, function and biochemical composition. Contractility, tissue weight, protein- and DNA synthesis were all greater compared with unloaded veins. The signalling mechanisms include autocrine effects of endogenously released angiotensin II and endothelin-1 and activation of the MAP kinases ERK 1/2. The growth-promoting effects of stretch and endothelin-1, but not angiotensin II, depend on cholesterol-rich membrane domains (caveolae). Inhibitors of RhoA/Rho kinase and of actin polymerisation decreased stretch-induced growth. Protein synthesis was analysed by autoradiography following gel electrophoresis and showed that stretch promotes the synthesis of contractile and cytoskeletal proteins known to be markers for the contractile phenotype of smooth muscle, e.g. a- and g- actin, the actin associated proteins tropomyosin, calponin and SM22a, and intermediate filament proteins. Synthesis of SM22a and actin was reduced by inhibition of RhoA, ERK1/2, and angiotensin II receptor-1, while inhibition of Rho kinase had no effect. Resistance arteries and portal veins from SM22a-deficient mice showed decreased contractility and actin contents, suggesting a role of this protein in actin filament structure and function. Stretch-induced protein synthesis was unaffected by SM22a ablation. Stretch stimulates growth and differentiation of smooth muscle cells in the vessel wall in a maintained contractile phenotype, in contrast to the growth stimulation in a synthetic non-contractile phenotype seen in vessel injury and atherosclerosis.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Blodkärlens glatta muskulatur kan anpassa sig till ett ökat tryck genom omstrukturering och hypertrofi, vilket ofta ses hos patienter med hypertoni. De molekylära mekanismerna som ger upphov till dessa effekter är inte fullständigt klarlagda. Vi har därför utvecklat en modell för att undersöka effekterna av tryck (sträckning av kärlväggen) på kärlpreparat från portaven från mus eller råtta. Kärlen odlades under sträckning i 1-3 dagar genom att en vikt hängdes i ena änden av preparatet. Därefter studerades den glatta muskulaturens morfologi, funktion och biokemiska sammansättning. Resultaten visar att sträckning av kärlväggen under odlingstiden ger upphov till en ökad kontraktilitet, vävnadsvikt, protein- och DNA-syntes jämfört med kärl som odlats utan belastning. Dessa effekter beror bland annat på autokrin frisättning av angiotensin II och endotelin-1 samt aktivering av MAP-kinaskaskaden (ERK 1/2). Kolesterolrika domäner i cellmembranet, caveolae, är involverade i den sträckkänsliga signalering som medierar tillväxt av kärlmuskulaturen. Extraktion av kolesterol ändrar strukturen hos caveolae och hämmar sträckkänslig tillväxt och ERK-aktivering, liksom svaret på endotelin-1 men ej på angiotensin-II. Den sträckkänsliga tillväxten är även beroende av aktivering av ytterligare en intracellulär signalväg som aktiveras av RhoA. Genom inhibering av RhoA och Rho-kinas reducerades den sträckkänsliga tillväxten i vena porta. Inhibering av aktinpolymerisering, som regleras av RhoA, gav liknande effekter. Proteinsyntes i kärlmuskulaturen analyserades med hjälp av gelelektrofores och autoradiografi, vilket visade att sträckning ökar syntesen av kontraktila proteiner. Exempel på dessa är a- och g-aktin samt de aktinassocierade proteinerna tropomyosin, calponin och SM22a. Den sträckberoende syntesen av aktin och SM22a minskade vid blockering av RhoA och ERK 1/2, ett protein i MAP-kinas kaskaden, och angiotensin receptorn. Blockering av Rho-kinas hade dock ingen effekt. Dessa resultat visar att sträckning bevarar cellerna i den kontraktila fenotyp som är karakteristisk för den normala kärlväggen. Detta motverkar modulering mot en syntetisk fenotyp, med ökad tendens till proliferation och minskad kontraktilitet, som ses vid kärlskador och tidig atheroskleros. Funktionen hos SM22a är hittills okänd men resultat från försök på portaven och resistenskärl från SM22a knockout möss påvisade en reducerad kontraktilitet och ett lägre aktininnehåll än hos normala kontrollmöss. Detta indikerar att SM22a är viktigt för aktinfilamentens struktur och funktion. Den sträckkänsliga proteinsyntesen var dock oförändrad hos knockout mössen. Sammanfattningsvis stimulerar sträckning av kärlväggens glatta muskulatur tillväxt och differentiering genom interaktioner mellan flera signalvägar som stimuleras av endogena tillväxtfaktorer och inkluderar förändringar i cellernas cytoskelett.

• author: Zeidan, Asad
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof Mulvany, Michael, Famakologisk Institut, Aarhus Universitet
• organization: Department of Experimental Medical Science
• publishing date: 2003
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Developmental Biology
• keywords: Fysiologi, Physiology, SM22a, ERK1/2, caveolae, stretch, Smooth muscle, differentiation
• pages: 92 pages
• defense location: GK-salen
• defense date: 2003-09-24 09:15:00
• ISBN: 91-628-5782-7
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I. Zeidan A., Nordström I., Dreja K., Malmqvist U., Hellstrand P. (2000). Stretch-dependent modulation of contractility and growth in smooth muscle of rat portal vein. Circ Res; 87:228-34. Article: II. Zeidan A., Nordström I., Albinsson A., Malmqvist U., Swärd K., and Hellstrand P. (2003). Stretch-induced contractile differentiation of vascular smooth muscle: sensitivity to actin polymerization inhibitors. Am J Physiol Cell Physiol; 284: C1387-C1396. Article: III. Zeidan A., Broman, J., Hellstrand, P. and Swärd K. (2003). Cholesterol dependence of vascular ERK1/2 activation and growth in response to stretch: role of endothelin-1. Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology; 23:1528-1534. Article: IV. Zeidan A., Swärd K., Nordström I., Ekblad E., Zhang J., Parmacek M. and Hellstrand P. Ablation of SM22a decreases contractility of arterial smooth muscle. Manuscript, May 2003.
• id: f27c9b9c-9a06-48fc-b7aa-900ec6ec6f65 (old id 466128)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:59:00
• date last changed: 2018-11-21 21:08:20