Alai

Cardiac signaling targets

In cardiale myocyten initieert catecholamine binding aan G-gekoppelde β-adrenerge (β-AR) receptoren een signaleringscascade die intercellulaire cyclische nucleotide en kinase concentraties verhoogt die, op hun beurt, de functie van sarcolemmale en intracellulaire ionenkanalen wijzigen. De cyclische nucleotiden zelf binden zich aan sommige kanalen en veranderen hun functie, terwijl PKA-fosforylering van andere ionenkanalen of hun accessoire-eiwitten, die wordt gemoduleerd door een uiteenlopende reeks A-kinase verankeringseiwitten (AKAP), een veranderde functie verleent aan de meerderheid van de cardiale elektrofysiologische doelwitten1.

Ten eerste wordt de dramatische toename van de hartslag gedeeltelijk bereikt door directe binding van cyclische nucleotiden aan hyperpolarisatie-geactiveerde cyclisch nucleotide gated (HCN) kanalen die de ‘grappige’ stroom geleiden die bijdraagt tot diastolische depolarisatie in nodaal weefsel2. Binding van cyclisch nucleotide verhoogt de IHCN tijdens de diastole als gevolg van een positieve verschuiving van de activeringscurve waardoor het membraan sneller depolariseert, hetgeen leidt tot een afname van de tijd die nodig is om de drempel te bereiken en een actiepotentiaal te initiëren. Deze respons verschilt van die van de andere grote ionenkanalen in het hart, omdat hij rechtstreeks wordt gemedieerd door binding van cyclisch nucleotide, onafhankelijk van serine- en threoninefosforylering.

Een andere belangrijke route die door β-AR-signalering wordt beïnvloed, is de controle van intercellulair Ca2+ en vervolgens van de contractiekracht. Dit wordt bereikt door de opregulatie van een aantal componenten in de Ca2+ handling pathway van cardiale myocyten. Ten eerste worden L-type Ca2+ kanalen gefosforyleerd door proteïne kinase A (PKA), wat leidt tot een verschuiving in de spanningsafhankelijkheid van kanaalactivatie en een toename van de piekstroom, waardoor meer Ca2+ in de cel komt tijdens elke slag3. Deze fosforylering wordt gemedieerd door een A-kinase verankeringseiwit (AKAP), AKAP15/18, dat interageert met het intercellulaire domein van het kanaal en PKA naar de plaats brengt. Evenzo wordt een toename van Ca2+-afgifte uit het sarcoplasmatisch reticulum (SR) bereikt via fosforylering van het Ryanodine-receptorcomplex, waardoor het intercellulaire Ca2+ verder toeneemt. Opnieuw treedt een AKAP, AKAP6 (mAKAP), in wisselwerking met de Ryanodinereceptor en rekruteert PKA naar de plaats, hetgeen vervolgens leidt tot een verhoogde Ca2+-afgifte. Ca2+-afgifte en de controle daarvan door PKA is ook betrokken bij de controle van de sinoatriale knoop op de pacemaking2. Met de enorme toename van de systolische Ca2+ influx komt de noodzaak om Ca2+ tijdens de diastole sneller te verwijderen, zodat de spier kan ontspannen voor de volgende contractie. Dit wordt bereikt door verhoogde SR Ca2+ ATPase (SERCA) activiteit in aanwezigheid van β-adrenerge stimulatie. Op moleculair niveau is dit het resultaat van de verzwakking van de normale remming van het ATPase door fosfolamban (PLB). Wanneer PLB gefosforyleerd is, wordt zijn vermogen om de pompactiviteit te verminderen opgeheven.

Om de juiste diastolische vultijd met een snellere snelheid mogelijk te maken en om de verhoogde inwaartse stroom door Ca2+ kanalen tegen te gaan, wordt de trage inward rectifying kaliumstroom IKs ook geüpreguleerd door β-AR signalering. Het IKS kanaal heeft een sterke adrenerge respons en vertegenwoordigt één van de beste voorbeelden van een goed gekarakteriseerd macromoleculair complex dat de fosforylering en uiteindelijk de functionele respons op adrenerge stimulatie regelt. De reactie van de IKS kanaal vereist de co-assemblage van zowel α (KCNQ1) en β (KCNE1) subeenheden, alsmede de binding van AKAP9 (Yotiao) tot een leucine rits motief in de porie vormende subeenheid carboxy terminal (C-T) domein (figuur 2) 4. Mutaties in een van deze drie eiwitten kunnen leiden tot het Lange QT syndroom (variant 1 voor KCNQ1, 5 voor KCNE1, en 11 voor AKAP9) en een verminderde adrenerge respons, hetgeen ten grondslag ligt aan de gevoeligheid van deze patiënten voor aritmie tijdens inspanning. De deelname van AKAP9 aan het IKS complex is uniek in die zin dat is aangetoond dat het zowel een passieve als actieve rol heeft in de regulatie van het kanaal. In studies met expressiesystemen is de aanwezigheid van AKAP9 vereist om de karakteristieke functionele respons te zien die in vivo wordt waargenomen, onafhankelijk van fosforylering van de porievormende α-subeenheid. Niet alleen moet AKAP9 aanwezig zijn, maar fosforylering van een sleutelresidu (S43) in zijn amino terminus (N-T) is kritisch voor de volledige functionele respons van het kanaal op cAMP. Door directe binding van PKA, PP1, PP2a, en PDE4 kan deze AKAP zowel zijn eigen fosforylering als die van zijn bindingspartners strak controleren. Ons inzicht in de complexiteit van het multiproteïnecomplex van het IKs blijft groeien, evenals het inzicht in de rol die het speelt in de fysiologische respons van het hart op adrenerge stimulatie.