Understanding the Heartbeat at the Nanoscale

Hjerteslaget genereres av at individuelle hjertemuskelceller trekker seg sammen på en samstemt måte. Til tross for flere tiår med forskning vet man fortsatt ikke nøyaktig hvordan denne cellesammentrekningen oppstår. En viktig årsak til at vi mangler kunnskap om dette skyldes at strukturene som er ansvarlig for denne sammentrekningen er ekstremt små; de måler bare 1/10.000 del av bredden av et menneskehår! I dette prosjektet skal vi utforske strukturen og funksjonen til disse små enhetene ved hjelp av nye mikroskopiteknikker som kan avdekke utrolige, tre-dimensjonale detaljer. Vi vil særlig fokusere på to ionekanaler som er kjent for å samarbeide om å frigi kalsium fra lagre inne i cellen, noe som igangsetter sammentrekning. Ved å bruke hjertemuskelceller fra mus og pasienter med hjertesykdom vil vi undersøke både den presise plasseringen og funksjonen til disse kanalene. Dette arbeidet er viktig for å avdekke hvordan disse to kanalene «snakker» med hverandre, noe som gjør dem i stand til å finregulere kraften i hvert hjerteslag. For eksempel tror vi at ved økt behov så styrkes denne kommunikasjonen, noe som får cellen, og hjertet som helhet, til å trekke seg sammen kraftigere. Men ved sykdom, slik som ved hjertesvikt, forventer vi at svekket kommunikasjon mellom kanalene fører til et svakere hjerteslag. Vårt prosjekt vil bidra med ny og mer detaljert kunnskap om hvordan hjerteslaget genereres både hos friske og ved sykdom, og også om hvor tilpasningsdyktig denne prosessen er.

-

The heartbeat is generated by the coordinated contraction of cardiac muscle cells. In each cell, contraction is initiated at tiny structures called dyads which release Ca2+. Despite decades of research, the precise arrangement and function of Ca2+ handling proteins within dyads remains unclear. However, our recent data employing 3D, live-cell super-resolution imaging have revealed functional groupings of Ca2+ release channels (Ryanodine Receptors, RyRs) in unprecedented detail. In the present project, we will extend these findings to examine how RyRs are triggered by neighbouring L-type Ca2+ channels (LTCCs). This work will provide quantitative insight into the basic, yet elusive mechanisms which trigger and regulate the heartbeat. The precise 3D arrangement of LTCCs, RyRs, and dyadic membranes will be revealed by combining super-resolution imaging and electron microscopy tomography (CLEM imaging). To this end, a transgenic mouse with fluorescent labels on LTCCs and RyRs will be employed, with cells examined during rest, beta-adrenergic stimulation, and heart failure progression. Dyads will be similarly compared in tissue from explanted healthy and failing human hearts. Live-cell experiments will examine the consequences of dyadic organization for LTCC-RyR crosstalk, with channel localization and activity respectively assessed by super-resolution imaging and local Ca2+ recordings. Acquired data will be subsequently integrated by mathematical modeling. We hypothesize that beta-adrenergic stimulation augments LTCC-RYR crosstalk by recruiting additional channels, both via physical displacement and increased phosphorylation status, representing a new paradigm for understanding the fight-or-flight response. Conversely, we anticipate that loss of LTCC-RyR plasticity and crosstalk reduces contractility during heart failure. These data will provide novel, nanoscale understanding of how the heartbeat is strengthened during times of need, and weakened during disease.