The role of exchange protein directly activated by cAMP (EPAC) in cardiac remodeling

Abstract

Cardiac arrhythmias remain a leading cause of mortality for patients afflicted by cardiac diseases, such as heart failure (HF). Sudden cardiac death is implicated in ~50% of deaths in HF, and remodeling of ion channels further leads to lethal arrhythmias. Neurohormonal activation plays a significant role in cardiac remodeling and progression of the disease. In this thesis, I investigated the role of exchange protein directly activated by cAMP (Epac) in cardiac remodeling.HF is associated with an increase in adrenergic drive, with plasma norepinephrine concentrations predictive of mortality outcomes. Reduction in the slowly activating delayed-rectifier potassium current (IKs) is commonly observed in HF-related remodeling and plays a role in arrhythmogenesis. I sought to identify the underlying mechanisms of IKs downregulation via sustained β-adrenergic stimulation. Using an in vitro guinea pig model, I identified a signaling pathway that proceeded through β1-adrenergic receptors and involved the activation of Epac1 protein. Epac1 increased intracellular calcium activation of the calcineurin/nuclear factor of activated T cell (NFAT) pathway to transcriptionally down-regulate the expression of KCNE1 subunits of IKs. Adenovirus-mediated knockdown of Epac1 in vitro demonstrated the central role of Epac 1 in regulating IKs in guinea pigs.In vivo administration of isoproterenol and a specific Epac activator significantly increased action potential duration, indicating repolarization abnormalities, while IKs, L-type calcium current (ICaL), and inward rectifier current (IK1) were significantly decreased. The signaling pathway identified in our in vivo study will assist in devising more effective approaches to prevent arrhythmias.HF is associated with fibrotic remodeling that creates a substrate for atrial fibrillation (AF). Fibroblasts regulate extracellular matrix (ECM) production and excess ECM deposition leads to fibrosis. Fibrosis is more prominent in the atrium and atrial fibroblasts are more responsive to fibrotic stimuli. I sought to determine the role of Epac in the fibrotic response. Epac1 expression was decreased in an experimental model of tachypacing-induced HF with AF. Incubation of atrial fibroblasts with a specific Epac activator decreased collagen mRNA expression. Profibrotic stimuli such as norepinephrine and TGFβ1 decreased Epac1 expression in atrial fibroblasts. Sustained β-adrenergic stimulation modulated collagen expression through activation of Epac1 via β2-adrenergic receptors. These findings demonstrated the different roles of Epac in cardiomyocytes versus fibroblasts in cardiac remodeling in the heart.Les arythmies cardiaques demeurent la principale cause de mortalité pour de nombreuses maladies cardiaques notamment l'insuffisance cardiaque (IC). La mort subite cardiaque est impliquée dans environ 50% des décès.Le remodelage ionique arythmogène provoque une altération des canaux ioniques qui participe de façon significative à l'apparition d'une arythmie fatale. L'activation neuro-hormonale joue aussi un rôle important dans le remodelage cardiaque et de la progression des maladies cardiovasculaires. Dans cette thèse de doctorat, nous avons étudié le rôle des protéines Epac dans le remodelage cardiaque au niveau du cœur.L'IC est associée à une activation du système nerveux sympathique et conséquemment à une stimulation adrénergique. Le taux de noradrénaline plasmatique est un excellent index pronostique, indépendant de la fraction d'éjection. La réduction du courant potassique cardiaque à rectification retardée (IKs) est couramment observé dans le remodelage liés à l'IC et joue un rôle dans l'arythmogénèse. Ainsi, l'objectif de ce projet était d'identifier les mécanismes sous-jacents impliqués dans la diminution d'IKs via la stimulation β-adrénergique soutenue. Les résultats obtenus avec un modèle in vitro ont révélé une voie de signalisation qui implique l'activation des récepteurs β1-adrénergiques et une protéine clé: l'Epac 1. L'Epac 1 augment l'activation du calcium intracellulaire de la voie calcineurine/NFAT pour réguler négativement l'expression de sous-unités KCNE1 d'IKs. In vitro, l'abolition de l'expression de l'Epac 1 par les adénovirus a démontré le rôle primordial d'Epac 1 dans la régulation d'IKs chez les cobayes. In vivo, l'administration de l'isoprotérénol et un activateur spécifique d'Epac ont considérablement augmenté la durée du potentielle d'action, indiquant des anomalies au niveau de la repolarization, tandis que l'IKs, le courant calcique de type L (ICaL) et le courant potassique à rectification entrante (IK1) ont diminué de façon significative. Les voies de signalisations identifiées dans cette étude aideront à élaborer des approches plus efficaces pour prévenir les troubles de rythmes cardiaques.L'IC est aussi associée à un remodelage fibrotique qui crée un substrat pour la fibrillation auriculaire (FA). Les fibroblastes cardiaques régulent la production et le dépôt de la matrice extracellulaire (MEC) et l'excès conduit à une fibrose. La fibrose est plus important dans les oreillettes et les fibroblastes auriculaires sont plus sensibles aux stimuli fibrotiques. Nous avons donc essayé de déterminer le rôle d'Epac dans la réponse fibrotique. L'expression d'Epac 1 est diminuée dans un modèle expérimental d'IC avec FA induit par une tachystimulation. L'incubation avec un activateur spécifique d'Epac diminue l'expression d'ARNm du collagène. De plus, les stimuli profibrotiques telles que la noradrénaline et le TGFβ1 diminuent l'expression d'Epac1 dans les fibroblastes auriculaires. La stimulation soutenue du système adrénergique module l'expression du collagène par l'activation de l'Epac1 via les récepteurs β2-adrénergiques. Ces résultats démontrent les différents rôles d'Epac dans les cardiomyocytes versus les fibroblastes dans le remodelage cardiaque