cAMP-Epac pathway in cardiac pathophysiology and rhythm regulation

Dans le cœur, l'AMP cyclique (AMPc) est le responsable des effets chronotrope, inotrope et dromotrope positifs de la stimulation sympathique. Sa concentration intracellulaire est finement régulée par la balance entre sa synthèse par les adénylates et sa dégradation par les phosphodiestérases (PDE). Bien que la stimulation de la voie des récepteurs β-adrénergiques en aigue soit bénéfique pour le cœur, son activation chronique est en revanche délétère et conduit à long terme à l'insuffisance cardiaque (IC). Il existe plusieurs effecteurs de l'AMPc dont l'exchange protein directly activated by cAMP (Epac). Epac existe sous deux isoformes : Epac1 et Epac2. Epac1 constitue l'isoforme dominante au niveau cardiaque et son expression est augmentée dans le cœur défaillant constituant ainsi une cible thérapeutique pour le traitement de l'IC. Parmi les PDE dégradant l'AMPc dans le cœur, la PDE2 dégrade à la fois l'AMPc et le GMPc et est activée par ce dernier. La surexpression de la PDE2 spécifiquement dans le cœur améliore la dysfonction contractile dans un modèle d'infarctus du myocarde chez la souris et protège des arythmies. De plus, la PDE2 participe à la régulation de la fréquence cardiaque (FC). En effet, sa surexpression réduit la FC et augmente la longévité. L'objectif de ce travail était, d'une part, d'identifier un nouvel inhibiteur de Epac1 comme candidat médicament pour le traitement de l'IC et, d'autre part, de comprendre l'implication de la PDE2 dans la régulation de la FC. Dans la première partie, nous avons montré que le CE3F4, inhibiteur non compétitif de Epac1, inhibe l'hypertrophie cardiaque. Toutefois, sa faible biodisponibilité et son instabilité plasmatique ont conduit à synthétiser des analogues du CE3F4, appelés RMI. Nous avons caractérisé les effets de six de ces RMI, sélectionnés sur la base de leurs propriétés pharmacologiques, au niveau cellulaire et montré qu'ils inhibent l'hypertrophie des cardiomyocytes induite par la noradrénaline sans présenter la moindre toxicité cellulaire. Parmi ces analogues, le RMI36E2 se révèle le plus efficace et pourrait être un outil pharmacologique utile pour étudier le rôle fonctionnel de la protéine Epac1 in vitro. Dans la deuxième partie, nous avons défini l'implication de la PDE2 dans la régulation de l'automaticité cardiaque. La surexpression de la PDE2 spécifiquement au niveau cardiaque induit une bradycardie. Les résultats de cette étude montrent que ce phénotype rythmique est indépendant de la régulation par le système nerveux autonome et plutôt lié à la fonction sinusale. Dans le nœud sinoatrial (NSA) des souris PDE2 transgéniques (TG), la PDE2 est surexprimée et le rythme sinusal est ralentit suite à diminution du courant pacemaker ‘funny' (If). La surexpression de la PDE2 dans le NSA impacte l'horloge membranaire sans modifier l'horloge calcique.In the heart, cyclic AMP (cAMP) is the second messenger responsible for the positive chronotropic, inotropic, and dromotropic effects of sympathetic stimulation. Its intracellular concentration is finely regulated by the balance between its synthesis by adenylyl cyclases and its degradation by phosphodiesterases (PDE). Although acute stimulation of the β-adrenergic receptor pathway is beneficial to the heart, chronic activation is deleterious and leads to long-term heart failure (HF). There are several cAMP effectors, including the exchange protein directly activated by cAMP (Epac). Epac exists in two isoforms: Epac1 and Epac2. Epac1 is the dominant isoform in the heart and its expression is increased in the failing heart, thus constituting a potential therapeutic target for the treatment of HF. Among the cAMP-degrading PDEs in the heart, PDE2 degrades both cAMP and cGMP and is activated by the latter. Overexpression of PDE2 specifically in the heart improves contractile dysfunction in a mouse model of myocardial infarction and protects against arrhythmias. In addition, PDE2 is involved in the regulation of heart rate (HR). Indeed, its overexpression reduces HR and increases longevity. The objective of this work was, on the one hand, to identify a new inhibitor of Epac1 as a drug candidate for the treatment of HF and, on the other hand, to understand the role of PDE2 in HR regulation. In the first part, we showed that CE3F4, an uncompetitive inhibitor of Epac1, inhibits cardiac hypertrophy. However, its low bioavailability and plasma instability led to the synthesis of CE3F4 analogues, called RMIs. We characterized the effects of six of these RMIs, selected on the basis of their pharmacological properties, at the cellular level and showed that cardiomyocyte hypertrophy without showing any cellular toxicity. Among these analogues, RMI36E2 is the most effective and could be a useful pharmacological tool to study the functional role of Epac1 in vitro. they inhibit noradrenaline-induced cardiomyocyte hypertrophy without showing any cellular toxicity. Among these analogues, RMI36E2 is the most effective and could be a useful pharmacological tool to study the functional role of Epac1 in vitro. In the second part, we defined the involvement of PDE2 in the regulation of cardiac automaticity. Overexpression of PDE2 specifically at the cardiac level induces bradycardia. The results of this study show that this rhythmic phenotype is independent of regulation by the autonomic nervous system and rather related to sinus function. In the sinoatrial node (SAN) of PDE2 transgenic mice (TG), PDE2 is overexpressed and sinus rhythm is slowed down following a reduction in the ‘funny' current (If). Thus, PDE2 overexpression in the SAN impacts the membrane clock and did not change the calcium clock

Voie AMPc-Epac dans la physiopathologie cardiaque et la régulation du rythme

In the heart, cyclic AMP (cAMP) is the second messenger responsible for the positive chronotropic, inotropic, and dromotropic effects of sympathetic stimulation. Its intracellular concentration is finely regulated by the balance between its synthesis by adenylyl cyclases and its degradation by phosphodiesterases (PDE). Although acute stimulation of the β-adrenergic receptor pathway is beneficial to the heart, chronic activation is deleterious and leads to long-term heart failure (HF). There are several cAMP effectors, including the exchange protein directly activated by cAMP (Epac). Epac exists in two isoforms: Epac1 and Epac2. Epac1 is the dominant isoform in the heart and its expression is increased in the failing heart, thus constituting a potential therapeutic target for the treatment of HF. Among the cAMP-degrading PDEs in the heart, PDE2 degrades both cAMP and cGMP and is activated by the latter. Overexpression of PDE2 specifically in the heart improves contractile dysfunction in a mouse model of myocardial infarction and protects against arrhythmias. In addition, PDE2 is involved in the regulation of heart rate (HR). Indeed, its overexpression reduces HR and increases longevity. The objective of this work was, on the one hand, to identify a new inhibitor of Epac1 as a drug candidate for the treatment of HF and, on the other hand, to understand the role of PDE2 in HR regulation. In the first part, we showed that CE3F4, an uncompetitive inhibitor of Epac1, inhibits cardiac hypertrophy. However, its low bioavailability and plasma instability led to the synthesis of CE3F4 analogues, called RMIs. We characterized the effects of six of these RMIs, selected on the basis of their pharmacological properties, at the cellular level and showed that cardiomyocyte hypertrophy without showing any cellular toxicity. Among these analogues, RMI36E2 is the most effective and could be a useful pharmacological tool to study the functional role of Epac1 in vitro. they inhibit noradrenaline-induced cardiomyocyte hypertrophy without showing any cellular toxicity. Among these analogues, RMI36E2 is the most effective and could be a useful pharmacological tool to study the functional role of Epac1 in vitro. In the second part, we defined the involvement of PDE2 in the regulation of cardiac automaticity. Overexpression of PDE2 specifically at the cardiac level induces bradycardia. The results of this study show that this rhythmic phenotype is independent of regulation by the autonomic nervous system and rather related to sinus function. In the sinoatrial node (SAN) of PDE2 transgenic mice (TG), PDE2 is overexpressed and sinus rhythm is slowed down following a reduction in the ‘funny' current (If). Thus, PDE2 overexpression in the SAN impacts the membrane clock and did not change the calcium clock.Dans le cœur, l'AMP cyclique (AMPc) est le responsable des effets chronotrope, inotrope et dromotrope positifs de la stimulation sympathique. Sa concentration intracellulaire est finement régulée par la balance entre sa synthèse par les adénylates et sa dégradation par les phosphodiestérases (PDE). Bien que la stimulation de la voie des récepteurs β-adrénergiques en aigue soit bénéfique pour le cœur, son activation chronique est en revanche délétère et conduit à long terme à l'insuffisance cardiaque (IC). Il existe plusieurs effecteurs de l'AMPc dont l'exchange protein directly activated by cAMP (Epac). Epac existe sous deux isoformes : Epac1 et Epac2. Epac1 constitue l'isoforme dominante au niveau cardiaque et son expression est augmentée dans le cœur défaillant constituant ainsi une cible thérapeutique pour le traitement de l'IC. Parmi les PDE dégradant l'AMPc dans le cœur, la PDE2 dégrade à la fois l'AMPc et le GMPc et est activée par ce dernier. La surexpression de la PDE2 spécifiquement dans le cœur améliore la dysfonction contractile dans un modèle d'infarctus du myocarde chez la souris et protège des arythmies. De plus, la PDE2 participe à la régulation de la fréquence cardiaque (FC). En effet, sa surexpression réduit la FC et augmente la longévité. L'objectif de ce travail était, d'une part, d'identifier un nouvel inhibiteur de Epac1 comme candidat médicament pour le traitement de l'IC et, d'autre part, de comprendre l'implication de la PDE2 dans la régulation de la FC. Dans la première partie, nous avons montré que le CE3F4, inhibiteur non compétitif de Epac1, inhibe l'hypertrophie cardiaque. Toutefois, sa faible biodisponibilité et son instabilité plasmatique ont conduit à synthétiser des analogues du CE3F4, appelés RMI. Nous avons caractérisé les effets de six de ces RMI, sélectionnés sur la base de leurs propriétés pharmacologiques, au niveau cellulaire et montré qu'ils inhibent l'hypertrophie des cardiomyocytes induite par la noradrénaline sans présenter la moindre toxicité cellulaire. Parmi ces analogues, le RMI36E2 se révèle le plus efficace et pourrait être un outil pharmacologique utile pour étudier le rôle fonctionnel de la protéine Epac1 in vitro. Dans la deuxième partie, nous avons défini l'implication de la PDE2 dans la régulation de l'automaticité cardiaque. La surexpression de la PDE2 spécifiquement au niveau cardiaque induit une bradycardie. Les résultats de cette étude montrent que ce phénotype rythmique est indépendant de la régulation par le système nerveux autonome et plutôt lié à la fonction sinusale. Dans le nœud sinoatrial (NSA) des souris PDE2 transgéniques (TG), la PDE2 est surexprimée et le rythme sinusal est ralentit suite à diminution du courant pacemaker ‘funny' (If). La surexpression de la PDE2 dans le NSA impacte l'horloge membranaire sans modifier l'horloge calcique

Cyclic nucleotide signalling compartmentation by PDEs in cultured vascular smooth muscle cells

International audienc

Cardiac overexpression of PDE4B blunts β-adrenergic response and maladaptive remodeling in heart failure

International audienceBackground The cAMP-hydrolyzing phosphodiesterase 4B (PDE4B) is a key negative regulator of cardiac β-adrenergic (β-AR) stimulation. PDE4B deficiency leads to abnormal Ca2+ handling and PDE4B is decreased in pressure overload hypertrophy, suggesting that increasing PDE4B in the heart is beneficial in heart failure (HF). Methods: We measured PDE4B expression in human cardiac tissues, developed two transgenic mouse lines with cardiomyocyte-specific overexpression of PDE4B (PDE4B-TG), and an adeno-associated virus serotype 9 encoding PDE4B (AAV9-PDE4B). Myocardial structure and function were evaluated by echocardiography, ECG, and in Langendorff-perfused hearts. Cyclic AMP and PKA activity were monitored by Förster resonance energy transfer, ICa,L by whole cell patch-clamp, and cardiomyocyte shortening and Ca2+ transients with an Ionoptix® system. HF was induced by 2 weeks infusion of isoproterenol (Iso) or transverse aortic constriction (TAC). Cardiac remodeling was evaluated by serial echocardiography, morphometric analysis and histology. Results: PDE4B protein was decreased in human failing hearts. The first PDE4B-TG mouse line (TG15) had a ~15-fold increase in cardiac cAMP-PDE activity and a ~30% decrease in cAMP content and fractional shortening associated with a mild cardiac hypertrophy that resorbed with age. Basal ex vivo myocardial function was unchanged, but β-AR stimulation of cardiac inotropy, cAMP, PKA, ICa,L, Ca2+ transients and cell contraction were blunted. Endurance capacity and life expectancy were normal. Moreover, these mice were protected from systolic dysfunction, hypertrophy, lung congestion and fibrosis induced by chronic Iso treatment. In the second transgenic mouse line (TG50), markedly higher PDE4B overexpression, resulting in a ~50-fold increase in cardiac cAMP-PDE activity caused a ~50% decrease in fractional shortening, hypertrophy, dilatation and premature death. In contrast, mice injected with AAV9-PDE4B (1012 viral particles/mouse) had a ~50% increase in cardiac cAMP-PDE activity which did not modify basal cardiac function but efficiently prevented systolic dysfunction, apoptosis and fibrosis, while attenuating hypertrophy induced by chronic Iso infusion. Similarly, AAV9-PDE4B slowed contractile deterioration, attenuated hypertrophy and lung congestion and prevented apoptosis and fibrotic remodeling in TAC. Conclusions: Our results indicate that a moderate increase in PDE4B is cardioprotective and suggest that cardiac gene therapy with PDE4B might constitute a new promising approach to treat HF