Johannes Helmut Max Kuhn

• Mit jedem Herzschlag werden enorme Mengen an Kalzium (Ca2+) in der Herzmuskelzelle freigesetzt. Dies geschieht vornehmlich über Ryanodinrezeptororen (RyR) und dient der Induktion der Muskelkontraktion. Daneben vermittelt aber auch der Inositoltrisphosphat (IP3)-Rezeptor, nach Aktivierung durch den Botenstoff IP3, unabhängig von der Elektromechanischen Kopplung eine Ca2+-Freisetzung aus dem sarkoplasmatischen Retikulum (SR). Die hier vorliegende Arbeit hatte das Ziel an isolierten Herzmuskelzellen die Interaktion von SR und Mitochondrien zuMit jedem Herzschlag werden enorme Mengen an Kalzium (Ca2+) in der Herzmuskelzelle freigesetzt. Dies geschieht vornehmlich über Ryanodinrezeptororen (RyR) und dient der Induktion der Muskelkontraktion. Daneben vermittelt aber auch der Inositoltrisphosphat (IP3)-Rezeptor, nach Aktivierung durch den Botenstoff IP3, unabhängig von der Elektromechanischen Kopplung eine Ca2+-Freisetzung aus dem sarkoplasmatischen Retikulum (SR). Die hier vorliegende Arbeit hatte das Ziel an isolierten Herzmuskelzellen die Interaktion von SR und Mitochondrien zu untersuchen, unter besonderer Berücksichtigung einer IP3-vermittelten Aktivierung des mitochondrialen Metabolismus. Wir verglichen den Effekt einer IP3- bzw. RyR-vermittelten zytosolischen Ca2+-Erhöhung auf die mitochondriale Ca2+-Aufnahme und Adenosintriphosphat (ATP)-Produktion. Sowohl unter den IP3-Rezeptor-Agonisten Endothelin-1 (ET-1) bzw. Angiotensin II (Ang II), als auch unter Verwendung des ß-Rezeptor-Agonisten Isoprenalin war eine mitochondriale Ca2+-Aufnahme nachweisbar, allerdings kam es nur IP3-abhängig zu einer ATP-Produktion. Unter Zugabe des IP3-Rezeptor-Blockers 2-Aminoethoxydiphenylborat (2-APB) konnte die zuvor nachgewiesene mitochondriale Ca2+-Aufnahme deutlich reduziert werden, gleiches zeigte sich bei Zellen isoliert aus transgenen IP3-sponge-Mäusen, entsprechend einem funktionellen IP3-Knockout. Hinsichtlich des Mechanismus der mitochondrialen Ca2+-Aufnahme kamen prinzipell zwei Strukturen in Frage: der mitochondriale Ryanodinrezeptor (mRyR1) und der mitochondriale Ca2+-Kanal (MCU). Wir unternahmen in der Folge weitere Versuche mit den anerkannten Rezeptorblockern Ru360 bzw. Dantrolen, um wechselseitig den MCU oder den mRyR1 zu blockieren. Das Ergebnis dieser Versuchsreihe legt den Schluss nahe, dass die Ca2+-Aufnahme in die Mitochondrien nach betaadrenerger Stimulation mit Isoprenalin primär über den MCU vermittelt wird, demgegenüber erfolgt die IP3-vermittelte Ca2+-Aufnahme über den mRyR1. Unter Verwendung von immunhistochemischer Färbungen identifizierten wir den IP3-Rezeptor vom Typ III, der ein überwiegend mitochondriales Verteilungsmuster aufzeigte. Wir schließen daraus, dass die von uns beobachteten Effekte der mitochondrialen Ca2+-Aufnahme und ATP-Produktion IP3-abhängig induziert werden bzw. zu einem Großteil auf eine Aktivität des IP3-Rezeptors, vermutlich der Unterform vom Typ III, zurückzuführen sind. Zusammenfassend konnte in der hier vorgelegten Arbeit gezeigt werden, dass die Aktivität des IP3-Rezeptors wesentlich am zellulären Energiehaushalt der Kardiomyozyten beteiligt ist. Der IP3-Signalweg vermittelt die Ca2+-Aufnahme in die Mitochondrien und führt so zu einer Energiebereitstellung in Form von ATP.…
• In this study we aimed to investigate the interaction of sarcoplasmatic reticulum (SR) and mitochondria in isolated cardiac myocytes, with special consideration of an IP3-mediated activation of the mitochondrial metabolism. We compared the effects of IP3-Receptor and Ryanodin-Receptor (RyR)-mediated cytosolic Ca2+-elevation on mitochondrial Ca2+-uptake and adenosine triphosphate (ATP) generation achieved by the IP3-receptor agonists endothelin-1 (ET-1) and angiotensin II (Ang II) and the β-adrenergic agonist isoproterenol (ISO). TheIn this study we aimed to investigate the interaction of sarcoplasmatic reticulum (SR) and mitochondria in isolated cardiac myocytes, with special consideration of an IP3-mediated activation of the mitochondrial metabolism. We compared the effects of IP3-Receptor and Ryanodin-Receptor (RyR)-mediated cytosolic Ca2+-elevation on mitochondrial Ca2+-uptake and adenosine triphosphate (ATP) generation achieved by the IP3-receptor agonists endothelin-1 (ET-1) and angiotensin II (Ang II) and the β-adrenergic agonist isoproterenol (ISO). The IP3-receptor-agonists ET-1 and Ang II as well as ISO induced an increase in mitochondrial Ca2+, but only IP3-dependent we observed an increase in ATP concentration. ET-1 induced effects were prevented by cell treatment with the IP3-antagonist 2-aminoethyoxydiphenyl borate (2-APB) and absent in myocytes from transgenic mice expressing an IP3 chelating protein (IP3 sponge). Furthermore IP3-induced mitochondrial Ca2+-uptake was insensitive to the mitochondrial Ca2+-uniporter inhibitor Ru360, however was attenuated by RyR type 1 inhibitor dantrolene. Using immunostaining with specific IP3R antibodies, we demonstrated different expression patterns of each IP3R subtype. The immunofluorescence pattern of the IP3R type 3 shows a mitochondrial distribution, so that the type 3 IP3R is most likely the subtype involved in the observed effects. Altogether, our data indicate that the activity of IP3-Receptors is important for modulation of cellular energetics and ATP-generation in cardiac myocytes.…