LOX and LOX-Like Proteins as Potential Therapeutic Target for Atrial Fibrillation

Abstract

Les lysyl-oxydases (LOX) et LOX-like (LOXL-1, 2, 3 et 4) influencent le remodelage de la matrice extracellulaire (MEC) lors d’anomalies cardiaques comme l’insuffisance cardiaque (IC) ou la fibrose. L’objectif principal était d’étudier les fonctions matrice-dépendantes et -indépendantes des LOX et LOXL dans la transduction des signaux favorisant la fibrose et la fibrillation atriales (FA). Dans l’oreillette gauche (OG) de chiens IC, nous avons observé une augmentation de la régulation de : LOX et LOXL-1 dans le tissue atrial, LOX et LOXL-2 dans les fibroblastes ainsi que LOX, LOXL-1, LOXL-3 et LOXL-4 dans les myocytes. Nous avons évalué le rôle des isoformes des LOX dans la signalisation de la fibrose et de la FA dans l’OG de rats avec infarctus du myocarde (IM). Chez le chien et les cellules cardiaques de rats néonataux, nous avons exploré le rôle des LOX et LOXL sur la fonction matrice-dépendante et -indépendante des fibroblastes et myocytes cardiaques, en utilisant un traitement à l’angiotensine-II (Ang II) et un knockdown par si-ARN des isoformes de LOX. L’augmentation de l’expression des ARNm de LOX et LOXL était associée à une augmentation de l’expression des ARNm de COL 1A1, FN 1, TGF-β1, CTGF, periostin, α-SMA et MMP-2 dans la zone infarcie du ventricule gauche (VG). L’expression des ARNm de LOXL-1, LOXL-3, COL 1A1, TGF-β1 et periostin était significativement augmentée dans l’OG. L’administration de β-aminopropionitrile (BAPN) post-IM a diminué significativement l’expression des ARNm de LOXL-1,2,3. Le BAPN a aussi diminué l’expression d’ARNm de marqueurs pro-fibrotiques dans l’OG. Ces changements n’étaient pas significatifs dans le VG. Le BAPN a diminué la fibrose dans l’OG ainsi que le ratio de cross-linking du collagène, mais pas significativement dans le VG. Le BAPN a réduit les remodelages structuraux et fonctionnels de l’OG sans influencer significativement ceux-ci dans le VG. L’IM était associé à une augmentation de la durée de l’onde P ainsi que la durée et l’inductibilité des FA que le BAPN a significativement réduit. Chez des rats néonataux, des fibroblastes et des myocytes de ventricule ont été mis en culture et traités à l’Ang II. Les LOX et LOXL-2 sécrétées et le ratio de cross-linking du collagène ont été augmentés; et contribueraient au remodelage de la MEC. Chez le chien, la contractilité des myocytes de l’OG a été augmentée suivant le knockdown de LOX et LOXL-1 associé à des changements de concentrations calciques. Dans les fibroblastes, le knockdown de LOXL-3 a réduit l’expression des ARNm de LOXL-2,3,4, associé à une réduction de la prolifération cellulaire et de l’expression des ARNm de COL 1A1, COL 3A1 et CCNE 2. Ces résultats suggèrent que LOXL-2,3,4 influenceraient la prolifération des fibroblastes et la synthèse du collagène. Le knockdown de LOXL-4 a augmenté ratio de l’expression en ARNm de BAX/BLC-2, ainsi LOXL-4 pourrait avoir un effet protecteur contre l’apoptose. En conclusion, les LOX et LOXL sont des médiateurs potentiels de la fibrose et la FA dans l’OG chez le rat infarci. Les LOX et LOXL seraient alors impliqués dans la régulation des fonctions des fibroblastes et myocytes cardiaques.

Lysyl oxidase (LOX) and LOX-like (LOXL-1, 2, 3 and 4) proteins have a crucial role in extracellular matrix (ECM) remodeling in several types of heart disease, such as heart failure (HF) and fibrosis. The main objective of this thesis was to address the matrix-dependent and matrix-independent functions of LOX and LOXL proteins in signal transduction, leading to atrial fibrosis and atrial fibrillation (AF). We noted upregulation of LOX and LOXL-1 in tissues, LOX and LOXL-2 in fibroblasts and LOX, LOXL-1, LOXL-3 and LOXL-4 in myocytes of the canine left atrium (LA) in congestive heart failure (CHF). Based on these findings, we studied the roles of LOX isoforms as upstream targets in the signaling pathways of LA fibrosis and AF in a rat model following myocardial infarction (MI). Additionally, we explored the physiological roles of LOX and LOXL proteins in matrix-dependent and matrix-independent functions of cardiac fibroblasts and myocytes through angiotensin II (Ang II) treatment and siRNA-mediated knockdown of LOX isoforms in canine and neonatal rat cells. Upregulation of the mRNA expression of LOX and LOXL was accompanied by an increase in mRNA expression of COL 1A1, FN 1, TGF-β1, CTGF, periostin, α-SMA and MMP-2 in the infarcted area of the left ventricle (LV). mRNA expression of LOXL-1, LOXL-3, COL 1A1, TGF-β1 and periostin were significantly increased in the LA post-MI. Administration of β-aminopropionitrile (BAPN) post-MI significantly reduced the mRNA expression of LOXL-1, LOXL-2 and LOXL-3 along with a decrease in the mRNA expression of several profibrotic markers in the LA without significant changes to those in the LV. Moreover, the administration of BAPN post-MI reduced LA fibrosis and the collagen cross-linking ratio without significantly changing those in the LV. BAPN administration post-MI reduced the adverse structural and functional remodeling of LA without significantly changing those in the LV. Furthermore, MI caused an increase in the P-wave duration, AF duration and AF inducibility, while the values of those parameters were significantly reduced upon BAPN administration post-MI. The protein expression of secreted LOX and LOXL-2 were increased in cultured neonatal rat ventricular fibroblasts and myocytes along with an increase in the collagen cross-linking ratio in fibroblasts upon treatment with Ang II. The secretion of LOX and LOXL-2 from cardiac fibroblasts and myocytes may contribute to ECM remodeling. Moreover, the contractility of canine LA myocytes was enhanced upon knockdown of LOX or LOXL-1 along with slight changes in Ca2+ transients. Upon knockdown of LOXL-3 in fibroblasts, LOXL-2, LOXL-3 and LOXL-4 mRNA expression levels were reduced along with reduced proliferation and mRNA expression of COL 1A1, COL 3A1 and CCNE 2. The results showed that LOXL-2, LOXL-3 and LOXL-4 may promote fibroblast proliferation and collagen synthesis. LOXL-4 knockdown increased the mRNA expression of the BAX/BCL-2 ratio, suggesting that LOXL-4 may protect against apoptosis in cardiac fibroblasts and myocytes. In conclusion, LOX and LOXL proteins are prominent mediators of LA fibrosis and AF post-MI. Additionally, these findings suggested that LOX and LOXL proteins are implicated in the regulation of various aspects of cardiac fibroblast and myocyte functions.