Studies of the role of MAP kinase-activated protein kinase-5 (MK5) in reactive and reparative fibrosis in the murine heart

Abstract

MK5 est une sérine/thréonine kinase, identifiée à l'origine comme une protéine kinase régulée/activée par p38 (PRAK), activée par les p38 MAPK et MAPK atypiques ERK3 et ERK4. Bien que MK5 soit exprimée dans le cœur, sa fonction physiologique commence seulement à être étudiée. Nous avons étudié les effets de la surcharge de pression chronique induite par la constriction aortique transversale (TAC) et les effets de l'infarctus du myocarde (IM) induit par la ligature permanente de l'artère coronaire descendante antérieure gauche (LADG) chez des souris hétérozygotes (MK5+/-). Aussi, nous avons étudié in vitro le rôle de MK5 dans la fonction de fibroblaste cardiaque en utilisant des fibroblastes de génotype MK5+/+, MK5+/-, MK5-/- et des fibroblastes avec un knockdown de MK5 par siRNA (MK5-kd). À l'âge de douze semaines, les souris MK5+/- étaient plus petites que les souris MK5+/+. La fonction systolique était diminuée chez les souris MK5+/-. Deux semaines après TAC, les poids cardiaque/longueur du tibia (PC/LT) ont augmenté de manière similaire et significative dans les 2 groupes. L’augmentation de l'ARNm du collagène de type 1α1 (COL1A1) MK5+/+ était atténuée de manière significative chez les souris MK5+/-. Huit semaines après TAC, PC/LT était significativement moins chez les souris TAC-MK5+/-. La progression de l'hypertrophie était atténuée dans les cœurs MK5+/-. L’immunoréactivité de MK5 a été détectée dans les fibroblastes cardiaques mais pas dans les myocytes. Ces données suggèrent que MK5 dans les fibroblastes cardiaques joue un rôle pro-fibrotique et pro-hypertrophique important dans le remodelage cardiaque pathologique. Nous avons examiné l'effet de MK5+/- dans la fibrose réparatrice après un IM. Les taux de mortalité chez les 2 groupes avec LADG ne différaient pas 7 jours suivant l'IM mais ils étaient plus élevés chez les souris MK5+/- sur une période de 21 jours. La principale cause de décès était la rupture cardiaque. Les fonctions systolique et diastolique sont également altérées chez les 2 groupes avec LADG. La zone de cicatrice et le collagène dedans la cicatrice ont diminué dans les cœurs de MK5+/- 8 jours après l'IM. L’infiltration des cellules inflammatoires était similaire dans les deux groupes avec LADG. L’angiogenèse était significativement élevée dans la zone péri-infarctus de cœurs du MK5+/-. Ces données suggèrent que MK5 peut jouer un rôle dans la régulation de la fonction des fibroblastes cardiaques. C’est pourquoi, nous avons examiné la mobilité et la prolifération du fibroblastes qui étaient diminuées chez les fibroblasts MK5-/-. Le transcriptome pour les protéines impliquées dans le remodelage de la matrice extracellulaire différait selon le génotype des fibroblastes. La sécrétion de COL1A1 et fibronectine étaient significativement augmentée dans les fibroblastes MK5-/- et MK5-kd. La contraction du myofibroblaste a été diminuée dans les fibroblastes MK5-kd. Ces données suggèrent que MK5 est impliqué dans la régulation de multiples aspects de la fonction des fibroblasts cardiaques. En conclusion, nous avons montré un rôle de MK5 dans le remodelage cardiaque pathologique ainsi qu’un rôle de MK5 dans la fonction des fibroblastes cardiaques.MK5 is a serine/threonine kinase, originally identified as a p38 Regulated/Activated Protein Kinase (PRAK), activated by p38 MAPK and the atypical MAPKs ERK3 and ERK4. Although MK5 is expressed in the heart, its physiological function is just beginning to be studied. Herein, we studied the effects of chronic pressure overload induced by transverse aortic constriction (TAC) and the effects of myocardial infarction (MI) induced by permanent ligation of the left anterior descending coronary artery (LADL) in heterozygous mice for a functional knockout of MK5 (MK5+/-). We also studied the role of MK5 in cardiac fibroblast function and in extracellular remodeling in healthy heart in vitro using MK5 wild type (MK5+/+), haplodeficient (MK5+/-), deficient (MK5-/-), and siRNA-mediated knockdown (MK5-kd) fibroblasts. At twelve weeks of age, MK5+/- mice were smaller than age-matched wild-type littermates (MK5+/+). Left ventricular end-diastolic diameter and systolic function were reduced in MK5+/- mice. Two weeks post-TAC, heart weight/tibia length ratios (HW/TL) were similarly and significantly increased in both MK5+/+ and MK5+/- hearts. However, eight weeks post-TAC, HW/TL ratios were significantly lower in TAC-MK5+/- mice compared to TAC-MK5+/+ mice. Thus, the progression of hypertrophy in response to chronic pressure overload was attenuated in MK5+/- hearts. Furthermore, two weeks of pressure overload induced increase in collagen type 1 α 1 (COL1A1) mRNA in MK5+/+ mice and this increase was significantly attenuated in MK5+/- mice. As MK5 immunoreactivity was detected in cardiac fibroblasts but not myocytes, these findings suggest that MK5 within cardiac fibroblasts plays an important pro-fibrotic and pro-hypertrophic role in cardiac remodeling during chronic pressure overload. We then examined the effect of reduced MK5 expression on reparative fibrosis following MI. Mortality rates for MK5+/+ and MK5 +/- did not differ significantly over seven days post-MI. In contrast, mortality was higher in MK5+/- mice over twenty-one days. Systolic and diastolic functions were similarly impaired in both MK5+/+ and MK5+/- mice post-MI. Scar area and scar collagen content were reduced in MK5+/- hearts eight days post-MI. Inflammatory cell infiltration was similar in both ligated groups whereas angiogenesis was significantly greater in the peri-infarct zone in LADL-MK5+/- hearts. These results suggest that MK5 may play a role in regulating cardiac fibroblast function. Finally, we examined the effect of reduced MK5 expression on fibroblast function. Motility and proliferation were reduced in MK5-/- fibroblasts compared to MK5+/+ and MK5+/- fibroblasts. The transcriptome for proteins involved in extracellular matrix remodeling (ECM) differed depending on fibroblast genotype. Similarly, collagen 1-α1 and fibronectin secretion was increased in MK5-/- and MK5-kd fibroblasts compared with MK5+/+. In addition, knocking down MK5 decreased myofibroblast contraction. Taken together, these data suggest that MK5 is involved in regulating multiple aspects of cardiac fibroblast function. In conclusion, we have shown a role for MK5 in cardiac remodeling during chronic pressure overload and myocardial infarction. Moreover, we have demonstrated a role for MK5 in cardiac fibroblast function and extracellular matrix remodeling