Optogenetische G_S-Stimulation ermöglicht präzise zeitliche und räumliche Stimulationskontrolle in Herzmuskelzellen

Abstract

Die zelluläre Funktion und Aktivität von Kardiomyozyten wird durch extrinsische Signale (insbesondere durch das vegetative Nervensystem) mit dynamischen Zeit- und Intensitätsmustern an die körperliche Belastung angepasst. Als bedeutsamster Adrenozeptor am Herzen vermittelt der G_S-Protein gekoppelte b1-Rezeptor hierbei, abhängig von Signalstärke und Signallänge, sowohl physiologische als auch pathophysiologische Anpassungsreaktionen. Aufgrund des hohen Stellenwertes für die Regulation der Herztätigkeit nimmt er bei der Erforschung und Therapie kardialer Erkrankungen als auch bei Herzrhythmusstörungen eine zentrale Rolle ein. Die Standardtechnik zur Untersuchung adrenerger Auswirkungen auf die Herzfunktion ist die Perfusion mit pharmakologischen Rezeptor-Agonisten. Diese Methode bietet jedoch keine hohe zeitliche, räumliche oder zellspezifische Präzision, sodass z. B. pulsatile Stimulationsmuster mit wechselnden Intensitäten nur unscharf und mit hohem technischem Aufwand erzielt werden können. Mit dieser Arbeit zeigen wir erstmals, dass der lichtempfindliche G_S-Protein gekoppelte Rezeptor JellyOp eine optische Stimulation der adrenergen Signalkaskade in Kardiomyozyten und dem gesamten Herzen ermöglicht. Die Beleuchtung von JellyOp erzielte, im Vergleich zur pharmakologischen Stimulation mit Rezeptoragonisten, sehr ähnliche Effekte auf die Steigerung von cAMPKonzentrationen oder der Schlagfrequenzen in Stammzell-abgeleiteten Herzmuskelzellen. Durch Verwendung der optogenetischen Stimulation wurde jedoch eine hochpräzise zeitliche Kontrolle über die Signaltransduktion mit sehr schnellen Anund Ausschaltkinetiken ermöglicht. Zur Analyse der Rezeptorfunktion in intakten Herzen wurde eine transgene Mauslinie mit JellyOp-Expression in Herzmuskelzellen generiert. Die Beleuchtung von isolierten, ventrikulären Kardiomyozyten dieser Mäuse ermöglicht eine zeitlich sehr präzise Verstärkung der Ca²⁺-Ströme, der fraktionierten Zellverkürzung und der Relaxationsraten. Durch räumliche Fokussierung der Lichtstimulation konnten unterschiedliche Effekte der G_S-Signaltransduktion im linken und rechten Vorhof festgestellt werden. Während die lokale Stimulation des rechten Vorhofes zu einer physiologischen Zunahme der Herzfrequenz führte, wurden bei Beleuchtung des dorsalen linken Atriums supraventrikuläre Extraschläge induziert, die auf pro-arrhythmische Effekte der adrenergen Signale in diesem Bereich hinweisen. <br> Zusammengefasst ermöglicht die Expression von JellyOp eine lokalisierte und zeitlich hochpräzise optogenetische Stimulation der G_S-Signalkaskade in Herzmuskelzellen durch Beleuchtung. Zukünftig könnte diese neue Methode eingesetzt werden, um physiologische und pathophysiologische Effekte ortsspezifischer, langanhaltender und pulsatiler G_S-Aktivierung zu untersuchen.

<strong>Optogenetic stimulation of G_S-signaling in the heart with high spatio-temporal precision </strong><br /> The standard technique for investigating adrenergic effects on heart function is perfusion with pharmaceutical agonists, which does not provide high temporal or spatial precision. Herein we demonstrate that the light sensitive G_S-protein coupled receptor JellyOp enables optogenetic stimulation of G_S-signaling in cardiomyocytes and the whole heart. Illumination of transgenic embryonic stem cell-derived cardiomyocytes or of the right atrium of mice expressing JellyOp elevates cAMP levels and instantaneously accelerates spontaneous beating rates similar to pharmacological β-adrenergic stimulation. Light application to the dorsal left atrium instead leads to supraventricular extrabeats, indicating adverse effects of localized G_S-signaling. In isolated ventricular cardiomyocytes from JellyOp mice, we find increased Ca²⁺ currents, fractional cell shortening and relaxation rates after illumination enabling the analysis of differential G_S-signaling with high temporal precision. Thus, JellyOp expression allows localized and time-restricted G_S stimulation and will provide mechanistic insights into different effects of site-specific, long-lasting and pulsatile G_S activation.