Background: We have previously reported that not only cGMP but also 8-Br-cGMP or 8-pCPT-cGMP, specific and potent stimulators of cGMP-dependent protein kinase (cGMP-PK), increased basal L-type calcium current $(I_{Ca})$ in rabbit ventricular myocytes. Our findings in rabbit ventricular myocytes were entirely different from the earlier findings in different species, suggesting that the activation of cGMP-PK is involved in the facilitation of $I_{Ca}}$ by cGMP. However, there is no direct evidence that cGMP-PK can stimulate $I_{Ca}}$ in rabbit ventricular myocytes. In this report, we focused on the direct effect of cGMP-PK on $I_{Ca}}$ in rabbit ventricular myocytes. Methods and Results: We isolated single ventricular myocytes of rabbit hearts by using enzymatic dissociation. Regulation of $I_{Ca}}$ by cGMP-PK was investigated in rabbit ventricular myocytes using whole-cell voltage clamp method. $I_{Ca}}$ was elicited by a depolarizing pulse to +10 mV from a holding potential of -40 mV. Extracellular 8-(4-Chlorophenylthio)-guanosine-3',5'-cyclic monophosphate (8-pCPT-cGMP), potent stimulator of cGMP-dependent protein kinase (cGMP-PK), increased basal $I_{Ca}}$. cGMP-PK also increased basal $I_{Ca}}$. The stimulation of basal $I_{Ca}}$ by cGMP-PK required both 8-Br-cGMP in low concentration and intracellular ATP to be present. The stimulation of basal $I_{Ca}}$ by cGMP-PK was blocked by heat inactivation of the cGMP-PK and by bath application of 8-(4-chlorophenylthio)-guanosine-3',5'-cyclic monophosphate, Rp-isomer (Rp-pCPT-cGMP), a phosphodiesterase-resistant cGMP-PK inhibitor. When $I_{Ca}}$ was increased by internal application of cGMP-PK, IBMX resulted in an additional stimulation of $I_{Ca}}$. In the presence of cGMP-PK, already increased $I_{Ca}}$ was potentiated by bath application of isoprenaline or forskolin or intracellular application of cAMP. Conclusions: We present evidence that cGMP-PK stimulated basal $I_{Ca}}$ by a direct phosphorylation of L-type calcium channel or associated regulatory protein in rabbit ventricular myocytes.
An increase in ventricular pressure can alter cardiac excitation and contraction. Recent report has demonstrated that fluid pressure (FP) suppresses L-type $Ca^{2+}$ current with acceleration of the current inactivation in ventricular myocytes. Since the L-type $Ca^{2+}$ channels known to be regulated by intracellular pH ($pH_i$), this study was designed to explore whether pressurized fluid flow affects pHi in isolated rat ventricular myocytes. A flow of pressurized (~16 dyne/$cm^2$) fluid, identical to that bathing the myocytes, was applied onto single myocytes, and intracellular $H^+$ concentration was monitored using confocal $H^+$ imaging. FP significantly decreased $pH_i$ by $0.07{\pm}0.01$ pH units (n=16, P<0.01). Intracellular acidosis enhances the activity of $Na^+-H^+$ exchanger (NHE). Therefore, we examined if the NHE activity is increased by FP using the NHE inhibitor, HOE642. Although HOE642 did not alter $pH_i$ in control conditions, it decreased $pH_i$ in cells pre-exposed to FP, suggesting enhancement of NHE activity by FP. In addition, FP-induced intracellular acidosis was larger in cells pre-treated with HOE642 than in cells under the control conditions. These results suggest that FP induces intracellular acidosis and that NHE may contribute to extrude $H^+$ during the FP-induced acidosis in rat ventricular myocytes.
Park, Sun Hwa;Kim, Ami;An, Jieun;Cho, Hyun Sung;Kang, Tong Mook
The Korean Journal of Physiology and Pharmacology
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제24권6호
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pp.529-543
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2020
In contrast to ventricular myocytes, the structural and functional importance of atrial transverse tubules (T-tubules) is not fully understood. Therefore, we investigated the ultrastructure of T-tubules of living rat atrial myocytes in comparison with ventricular myocytes. Nanoscale cell surface imaging by scanning ion conductance microscopy (SICM) was accompanied by confocal imaging of intracellular T-tubule network, and the effect of removal of T-tubules on atrial excitation-contraction coupling (EC-coupling) was observed. By SICM imaging, we classified atrial cell surface into 4 subtypes. About 38% of atrial myocytes had smooth cell surface with no clear T-tubule openings and intracellular T-tubules (smooth-type). In 33% of cells, we found a novel membrane nanostructure running in the direction of cell length and named it 'longitudinal fissures' (LFs-type). Interestingly, T-tubule openings were often found inside the LFs. About 17% of atrial cells resembled ventricular myocytes, but they had smaller T-tubule openings and a lower Z-groove ratio than the ventricle (ventricular-type). The remaining 12% of cells showed a mixed structure of each subtype (mixed-type). The LFs-, ventricular-, and mixed-type had an appreciable amount of reticular form of intracellular T-tubules. Formamide-induced detubulation effectively removed atrial T-tubules, which was confirmed by both confocal images and decreased cell capacitance. However, the LFs remained intact after detubulation. Detubulation reduced action potential duration and L-type Ca2+ channel (LTCC) density, and prolonged relaxation time of the myocytes. Taken together, we observed heterogeneity of rat atrial T-tubules and membranous ultrastructure, and the alteration of atrial EC-coupling by disruption of T-tubules.
The histidine-rich $Ca^{2+}$ binding protein (HRC) is a $Ca^{2+}$ binding protein in the sarcoplasmic reticulum (SR). In this study, we examined whether the HRC is involved in the regulation of cardiac contraction and $Ca^{2+}$ signaling using HRC knock-out (KO) mouse ventricular myocytes. In field-stimulated single mouse ventricular myocytes, cell shortenings and $Ca^{2+}$ transients were measured using a video edge detection and a confocal $Ca^{2+}$ imaging, respectively. Compared with the wide-type (WT) myocytes, the magnitudes of cell shortenings were significantly larger in HRC KO cells (P<0.01, WT vs. KO). The rate of contraction and relaxation was significantly accelerated in HRC KO myocytes (P<0.05 and P<0.01, respectively, WT vs. KO). The magnitudes of $Ca^{2+}$ transients were increased by HRC KO (P<0.01, WT vs. KO). In addition, the decay of the $Ca^{2+}$ transient was faster in HRC KO cells than in wild-type cells P<0.01, WT vs. KO). These results suggest that HRC may suppress SR $Ca^{2+}$ releases and decay of $Ca^{2+}$ transients during action potentials, thereby attenuating ventricular contraction and relaxation.
The endothelin (ET) signaling pathway controls many physiological processes in myocardium and often becomes upregulated in heart diseases. The aim of the present study was to investigate the effects of ET receptor upregulation on the contractile function of adult ventricular myocytes. Primary cultured adult rat ventricular myocytes were used as a model system of ET receptor overexpression in the heart. Endothelin receptor type A ($ET_A$) or type B ($ET_B$) was overexpressed by Adenoviral infection, and the twitch responses of infected ventricular myocytes were measured after ET-1 stimulation. Overexpression of $ET_A$ exaggerated positive inotropic effect (PIE) and diastolic shortening of ET-1, and induced a new twitch response including twitch broadening. On the contrary, overexpression of $ET_B$ increased PIE of ET-1, but did not affect other two twitch responses. Control myocytes expressing endogenous receptors showed a parallel increase in twitch amplitude and systolic $Ca^{2+}$ in response to ET-1. However, intracellular $Ca^{2+}$ did not change in proportion to the changes in contractility in myocytes overexpressing $ET_A$. Overexpression of $ET_A$ enhanced both systolic and diastolic contractility without parallel changes in $Ca^{2+}$. Differential regulation of this nature indicates that upregulation of $ET_A$ may contribute to diastolic myocardial dysfunction by selectively targeting myofilament proteins that regulate resting cell length, twitch duration and responsiveness to prevailing $Ca^{2+}$.
Cardiac chambers serve as mechanosensory systems during the haemodynamic or mechanical disturbances. To examine a possible role of fluid pressure (FP) in the regulatien of atrial $Ca^{2+}$ signaling we investigated the effect of FP on L-type $Ca^{2+}$ current $(I_{Ca})$ in rat ventricular myocytes using whole-cell patch-clamp technique. FP $(\sim40cm\;H_2O)$ was applied to whole area of single myocytes with electronically controlled micro-jet system. FP suppressed the magnitude of peak $I_{Ca}$ by $\cong25\%$ at 0 mV without changing voltage dependence of the current-voltage relationship. FP significantly accelerated slow component in inactivation of $I_{Ca}$, but not its fast component. Analysis of steady-state inactivation curve revealed a reduction of the number of $Ca^{2+}$ channels available for activity in the presence of FP. Dialysis of myocytes with high concentration of immobile $Ca^{2+}$ buffer partially attenuated the FP-induced suppression of $I_{Ca}$. In addition, the intracellular $Ca^{2+}$ buttering abolished the FP-induced acceleration of slow component in $I_{Ca}$ inactivation. These results indicate that FP sup-presses $Ca^{2+}$ currents, in part, by increasing cytosolic $Ca^{2+}$ concentration.
Inositol 1,4,5-trisphosphate ($IP_3$) receptor ($IP_3R$)-mediated signaling pathway is involved in many cellular processes including fertilization, apoptosis and neuronal function. Although cardiac myocytes express the $IP_3R$, its pathophysiological role has not been clearly understood because of limited selectivity of currently available pharmacological blockers. In the present study we constructed shRNA-expressing adenovirus to knock-down the type 2 $IP_3R$ ($IP_3R2$), a major subtype in cardiac ventricular myocytes, and demonstrated that the virus successfully eliminated the expression and localization of the $IP_3R2$. These results may provide a reliable tool for probing pathophysiological roles of the $IP_3R2$ in isolated intact cardiac myocytes.
Murrayafoline-A (1-methoxy-3-methylcarbazole) is a monomeric carbazole alkaloid found in Murraya euchrestifolia HAYATA and Glycosmis stenocarpa. We have recently shown that murrayafoline-A has positive inotropic effect in isolated rat ventricular myocytes. To know possible mechanisms for the positive inotropic effect of murrayafoline-A we examined the effects of murrayafoline-A on in situ behavior of cardiac $Ca^{2+}$ release units ('$Ca^{2+}$ sparks') and sarcoplasmic reticulum (SR) $Ca^{2+}$ loading using confocal $Ca^{2+}$ imaging method in single rat ventricular myocytes. Murrayafoline-A significantly increased the frequency (events/($10^3{\mu}m^2{\cdot}s$)) of $Ca^{2+}$ sparks in a concentration-dependent manner, with an $EC_{50}$ of $28{\pm}6.4{\mu}M$ and a maximal ~twofold change. The $Ca^{2+}$ content in the SR, measured as caffeine (10 mM)-induced $Ca^{2+}$ transient, was significantly increased by murrayafoline-A (${\approx}$116% and ${\approx}$123% of control at 25 and 100 ${\mu}M$, respectively). In addition, murrayafoline-A significantly increased the fractional $Ca^{2+}$ release, suggesting increase in the efficacy of $Ca^{2+}$ release at given SR $Ca^{2+}$ loading. These results suggest that murrayafoline-A may enhance contractility via increase in $Ca^{2+}$ release from the SR through the ryanodine receptors in ventricular myocytes.
Chrysosplenol C [5,6-dihydroxy-2-(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-3,7-dimethoxychromen-4-one] is a flavonoid found in Miliusa balansae and Pterocaulon sphacelatum. We have recently shown that chrysosplenol C has positive inotropic effect in isolated rat ventricular myocytes. In the present study, we explored a possible mechanism for the positive inotropic effect of chrysosplenol C by examining intracellular $Ca^{2+}$ transients during action potentials. The intracellular $Ca^{2+}$ transients were measured by confocal $Ca^{2+}$ imaging in field-stimulated single rat ventricular myocytes. Chrysosplenol C (50 ${\mu}M$) significantly increased the magnitudes (${\Delta}F/F_0$) of $Ca^{2+}$ transients (control, $1.08{\pm}0.05$; chrysosplenol C, $1.25{\pm}0.03$; n=8, P<0.01). Half decay time of the action potential-induced $Ca^{2+}$ transient was not altered by chrysosplenol C (50 ${\mu}M$) (control, $154{\pm}6$ ms; chrysosplenol C, $167{\pm}11$ ms; n=21). The $Ca^{2+}$ content in the sarcoplasmic reticulum (SR), measured as caffeine (10 mM)-induced $Ca^{2+}$ transient, was significantly decreased by chrysosplenol C (50 ${\mu}M$). These results indicate that chrysosplenol C increases $Ca^{2+}$ transients without altering $Ca^{2+}$ removal kinetics in ventricular myocytes, providing a possible mechanism for its positive inotropic effect.
Cellular redox state is known to be perturbed during ischemia and that $Ca^{2+}$ and $K^2$ channels have been shown to have functional thiol groups. In this study, the properties of thiol redox modulation of the ATP-sensitive $K^2$ ($K_{ATP}$) channel were examined in rabbit ventricular myocytes. Rabbit ventricular myocytes were isolated using a Langendorff column for coronary perfusion and collagenase. Single-channel currents were measured in excised membrane patch configuration of patch-clamp technique. The thiol oxidizing agent 5,5'-dithio-bis-(2-nitro-benzoic acid) (DTNB) inhibited the channel activity, and the inhibitory effect of DTNB was reversed by dithiothreitol (disulfide reducing agent; DTT). DTT itself did not have any effect on the channel activity. However, in the patches excised from the metabolically compromised cells, DTT increased the channel activity. DTT had no effect on the inhibitory action by ATP, showing that thiol oxidation was not involved in the blocking mechanism of ATP. There were no statistical difference in the single channel conductance for the oxidized and reduced states of the channel. Analysis of the open and closed time distributions showed that DTNB had no effect on open and closed time distributions shorter than 4 ms. On the other hand, DTNB decreased the life time of bursts and increased the interburst interval. N-ethylmaleimide (NEM), a substance that reacts with thiol groups of cystein residues in proteins, induced irreversible closure of the channel. The thiol oxidizing agents (DTNB, NEM) inhibited of the $K_{ATP}$ channel only, when added to the cytoplasmic side. The results suggested that metabolism-induced changes in the thiol redox can also modulate $K_{ATP}$ channel activity and that a modulatory site of thiol redox may be located on the cytoplasmic side of the $K_{ATP}$ channel in rabbit ventricular myocytes.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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