Phosphodiesterase 4B in the cardiac L-type Ca2+ channel complex regulates Ca2+ current and protects against ventricular arrhythmias in mice

Abstract

(PDEs) regulate local cAMP concentration in cardiomyocytes, with PDE4 being predominant for the control of β-AR-dependent cAMP signals. Three genes encoding PDE4 are expressed in mouse heart: Pde4a, Pde4b, and Pde4d. Here we show that both PDE4B and PDE4D are tethered to the LTCC in the mouse heart but that β-AR stimulation of the L-type Ca 2+ current (I Ca,L ) is increased only in Pde4b -/-mice. A fraction of PDE4B colocalized with the LTCC along T-tubules in the mouse heart. Under β-AR stimulation, Ca 2+ transients, cell contraction, and spontaneous Ca 2+ release events were increased in Pde4b -/-and Pde4d -/-myocytes compared with those in WT myocytes. In vivo, after intraperitoneal injection of isoprenaline, catheter-mediated burst pacing triggered ventricular tachycardia in Pde4b -/-mice but not in WT mice. These results identify PDE4B in the Ca V 1.2 complex as a critical regulator of I Ca,L during β-AR stimulation and suggest that distinct PDE4 subtypes are important for normal regulation of Ca 2+ -induced Ca 2+ release in cardiomyocytes. IntroductionDuring the cardiac action potential, Ca 2+ influx through sarcolemmal L-type Ca 2+ channels (LTCCs) triggers Ca 2+ release from juxtaposed ryanodine receptor 2 (RyR2) located in the sarcoplasmic reticulum (SR). This allows a rapid and synchronous Ca 2+ elevation throughout the cell, which activates contraction. During cardiac relaxation, Ca 2+ is rapidly extruded by the Na + /Ca 2+ exchanger and re-sequestered into the SR by the Ca 2+ -ATPase, SERCA2 (1). This process is highly regulated, in particular, by the sympathetic nervous system. β-Adrenergic receptors (β-ARs) exert strong inotropic and lusitropic effects by increasing intracellular cAMP levels and activating cAMP-dependent PKA. PKA then phosphorylates the key proteins of the excitation-contraction coupling (ECC) process, including LTCC and RyR2 but also phospholamban (PLB), which controls Ca 2+ reuptake by SERCA2, as well as the myofilament proteins troponin I and myosin binding protein C (1).The cardiac LTCC consists of the central pore-forming subunit α 1C (Ca V 1.2) and auxiliary β and α 2 -δ subunits that modulate its function (2). Upon β-AR stimulation, phosphorylation of Ca V 1.2, the auxiliary β 2 subunit, or the closely associated protein AHNAK by PKA increases channel activity, thus enhancing the L-type Ca 2+ current (I Ca,L ) (3-5). This regulation involves physical

Rôle des phosphodiestérases des nucléotides cycliques de types 3 et 4 dans le couplage excitation-contraction et les arythmies cardiaques

“…Par exemple, chez le rat, l'inhibition des PDE4 n'a aucun effet sur l'AMPc, I Ca,L et le CEC en conditions basales, mais devient prédominante pour contrôler ces paramètres lors d'une stimulation -AR ou lors de l'inhibition concomitante de la PDE3 [21,28] (D. Mika, J. Leroy, R. Fischmeister, G. Vandecasteele ; résultats non publiés). Chez la souris, l'inhibition des PDE4 n'a pas d'effet sur I Ca,L en conditions basales, mais potentialise fortement les effets d'une stimulation -AR sur I Ca,L et sur la contraction [29]. Des travaux récents suggèrent que, dans cette espèce, l'inhibition de la PDE4 exerce un effet inotrope positif direct sur le coeur isolé perfusé et augmente les transitoires calciques et la contraction de myocytes ventriculaires isolés [22,30].…”

“…Comme pour la PDE3, l'étude de souris invalidées pour les gènes PDE4A, PDE4B et PDE4D a permis de mieux comprendre le rôle des trois différents sous-types de PDE4 dans le CEC. Ces travaux ont permis de montrer qu'une isoforme issue du gène PDE4B régule préféren-tiellement le courant calcique de type L [29], tandis que les isoformes issues du gène PDE4D régulent préférentiellement les flux calciques du RS [30,31] (Figure 2). En effet, il a d'abord été montré que, dans régulation de l'influx calcique transitant par les canaux LTCC, tandis que la PDE4D régule la recapture de calcium par le RS et, peut être aussi, sa libéra-tion par les RyR2 (Figure 2).…”

“…D'autres expériences de co-immunopréci-pitation ont montré que les isoformes PDE4B et PDE4D peuvent s'associer à la sous-unité principale Ca V 1.2 des LTCC (Figure 2). Toutefois, la régulation -AR de I Ca,L n'est augmentée que chez les souris PDE4B -/-, alors qu'elle demeure inchangée chez les souris PDE4D -/-et chez les souris PDE4A -/- [29]. Cette augmentation d'I Ca,L dans les myocytes de souris PDE4B -/-conduit à une augmentation des transitoires calciques et de la contraction cellulaire sous stimulation -AR.…”

“…Cette augmentation d'I Ca,L dans les myocytes de souris PDE4B -/-conduit à une augmentation des transitoires calciques et de la contraction cellulaire sous stimulation -AR. De façon inté-ressante, ces deux paramètres sont également augmentés dans les myocytes de souris PDE4D -/-, et ceci est associé à une phosphorylation accrue du PLB sous stimulation -AR [29]. Collectivement, ces études suggèrent que les isoformes PDE4B et PDE4D contrôlent différentes composantes du CEC dans les myocytes ventriculaires de souris : la PDE4B semble être l'isoforme principale de la PDE4 impliquée dans la …”

“…augmentée aux tachycardies ventriculaires sous catécholamines ou en condition de stress [29,31]. Dans le cas des souris PDE4B -/-, ces arythmies sont déclenchées par un train de stimulation rapide, mais pas par des extrasystoles, et ne sont pas associées à une modification de la période réfractaire, ce qui est compatible avec une altération de l'homéostasie calcique plutôt qu'avec un méca-nisme de réentrée ou une altération de la conduction [29].…”