Canonical and noncanonical action of thyroid hormone receptor α in the cardiovascular system
Thyroid hormones (TH) are crucial for the regulation of cardiovascular functions, such as arterial blood pressure and heart rate, and play a major role in the development of cardiac hypertrophy and regulation of body temperature. They act via TH receptors (TRs) α and β, with TRα being the predominant receptor in the cardiovascular system. TRs are nuclear receptors, which are able to regulate TH target gene expression (canonical signalling) and mediate rapid TH effects by activating cytoplasmic pathways (noncanonical signalling). By comparing wildtype (WT), TR knockout (TRα0) mice, and mutant mice in which only noncanonical signalling is present (TRαGS) we were able to categorise TH effects in the cardiovascular system.
To identify the underlying mechanisms in blood pressure regulation, mouse arteries were examined ex vivo, which revealed that triiodothyronine (T3)-dependent rapid vasodilation was a consequence of noncanonical TRα signalling. This observation was further confirmed by in vivo blood pressure measurements, where T3 injections caused strong decrease of arterial pressure within seconds. The activations of endothelial nitric oxide synthase (eNOS) and phosphoinositide 3-kinase (PI3K) in the endothelium were identified as the underlying processes. Further characterisations revealed that T3-induced vasodilation occurs in different artery entities and remains unaltered in arteries from hypo- but not hyperthyroid animals.
Hyperthyroidism can lead to cardiac hypertrophy in humans and mice which can worsen cardiac function if left untreated. Therefore, our aim was to determine which receptor, TRα or TRβ, and which mode of signalling, mediates cardiac hypertrophy. Consequently, we examined eu- and
hyperthyroid TRWT, TRα0-, TRβ- und TRαGS mice via echocardiography. These measurements were used to determine heart wall thickness, which increased in all mouse strains with the exception of TRα0 mice under T3 treatment. This observation was further confirmed when final heart weights were compared ex vivo, which indicates that cardiac hypertrophy is a consequence of noncanonical TRα signalling. However, the analysis of possible pathways did not yet yield an explanation for key mediators in this process and requires further examination. Analysis of cardiomyocyte size showed that the observed cardiac growth is a result of cardiomyocyte growth.
Abnormal heart rates are a commonly observed symptom in patients suffering from thyroid dysfunction. In order to clarify the effects of these malfunctions and the involvement of TRs in heart rate regulation, in vivo measurements were carried out in this study. Since anaesthesia and stress-inducing handling of animals can influence resulting measurements in many methods, we
chose a radio telemetry approach to exclude those factors from our study. The comparison of eu-, hypo- and hyperthyroid TRαWT, TRα0- und TRαGS mice showed that circadian and long-term adaptation of heart rates during thyroid dysfunctions is regulated by canonical TRα signalling. In addition, core body temperature and locomotor activity were measured using radio telemetry.
Here, we observed that circadian rhythm of body temperature is controlled by canonical TRα signalling. However, long-term adaptation in TRα0- and TRαGS did not differ from controls suggesting that other TR isoforms and mechanisms might be involved. The comparison of locomotor activity in eu-, hypo- and hyperthyroid mice demonstrated minor differences between
wildype and TRα0 and TRαGS mice, respectively. This observation suggests that canonical TRα action has an impact on locomotor activity control.
In conclusion, this study provides evidence that both, canonical and inoncanonical TR signalling, are physiologically relevant in the cardiovascular system. By comparing wildtype, TRα0 and TRαGS mice we were able to identify canonical and noncanonical TR effects in vivo. These results
contribute to a new understanding of TH/TR action in the cardiovascular system, put forward a therapeutic potential for TR- and pathway-specific applications and provide a basis for further investigations
To identify the underlying mechanisms in blood pressure regulation, mouse arteries were examined ex vivo, which revealed that triiodothyronine (T3)-dependent rapid vasodilation was a consequence of noncanonical TRα signalling. This observation was further confirmed by in vivo blood pressure measurements, where T3 injections caused strong decrease of arterial pressure within seconds. The activations of endothelial nitric oxide synthase (eNOS) and phosphoinositide 3-kinase (PI3K) in the endothelium were identified as the underlying processes. Further characterisations revealed that T3-induced vasodilation occurs in different artery entities and remains unaltered in arteries from hypo- but not hyperthyroid animals.
Hyperthyroidism can lead to cardiac hypertrophy in humans and mice which can worsen cardiac function if left untreated. Therefore, our aim was to determine which receptor, TRα or TRβ, and which mode of signalling, mediates cardiac hypertrophy. Consequently, we examined eu- and
hyperthyroid TRWT, TRα0-, TRβ- und TRαGS mice via echocardiography. These measurements were used to determine heart wall thickness, which increased in all mouse strains with the exception of TRα0 mice under T3 treatment. This observation was further confirmed when final heart weights were compared ex vivo, which indicates that cardiac hypertrophy is a consequence of noncanonical TRα signalling. However, the analysis of possible pathways did not yet yield an explanation for key mediators in this process and requires further examination. Analysis of cardiomyocyte size showed that the observed cardiac growth is a result of cardiomyocyte growth.
Abnormal heart rates are a commonly observed symptom in patients suffering from thyroid dysfunction. In order to clarify the effects of these malfunctions and the involvement of TRs in heart rate regulation, in vivo measurements were carried out in this study. Since anaesthesia and stress-inducing handling of animals can influence resulting measurements in many methods, we
chose a radio telemetry approach to exclude those factors from our study. The comparison of eu-, hypo- and hyperthyroid TRαWT, TRα0- und TRαGS mice showed that circadian and long-term adaptation of heart rates during thyroid dysfunctions is regulated by canonical TRα signalling. In addition, core body temperature and locomotor activity were measured using radio telemetry.
Here, we observed that circadian rhythm of body temperature is controlled by canonical TRα signalling. However, long-term adaptation in TRα0- and TRαGS did not differ from controls suggesting that other TR isoforms and mechanisms might be involved. The comparison of locomotor activity in eu-, hypo- and hyperthyroid mice demonstrated minor differences between
wildype and TRα0 and TRαGS mice, respectively. This observation suggests that canonical TRα action has an impact on locomotor activity control.
In conclusion, this study provides evidence that both, canonical and inoncanonical TR signalling, are physiologically relevant in the cardiovascular system. By comparing wildtype, TRα0 and TRαGS mice we were able to identify canonical and noncanonical TR effects in vivo. These results
contribute to a new understanding of TH/TR action in the cardiovascular system, put forward a therapeutic potential for TR- and pathway-specific applications and provide a basis for further investigations
Schilddrüsenhormone sind essentiell für die Entwicklung und Regulation des HerzKreislaufsystems und spielen eine wichtige Rolle in der Kontrolle des arteriellen Blutdrucks, der Herzfrequenz und Körpertemperatur sowie in der Entstehung von Herzhypertrophie. Sie wirken über Schilddrüsenhormon Rezeptoren (TR) α und β, wobei TRα der vorherrschende Rezeptor im Herz-Kreislauf-System ist. TRs sind Kernrezeptoren, welche in der Lage sind, die Expression von Zielgenen zu steuern (kanonischer Signalweg) und zytoplasmatische Signalwege zu aktivieren und dadurch schnelle Effekte zu vermitteln (nichtkanonischer Signalweg). Durch den Vergleich von Wildtyp (WT) und TRα-Knockout (TRα0) Mäusen und einem Maus Modell, in welchem nur der nichtkanonische Signalweg vorhanden ist (TRαGS), konnten relevante
Schilddrüsenhormoneffekte im Herz-Kreislauf-System dem kanonischen oder nichtkanonischen Signalweg zugeschrieben werden. Um aufzuklären, wie Schilddrüsenhormone den Blutdruck beeinflussen können, wurden ex vivo Mausarterien untersucht, wobei sich zeigte, dass die von Triiodthyronin (T3) verursachte Vasodilatation eine rapide Folge der nichtkanonischen TRα Signalübertragung ist. Diese Beobachtung wurde zudem mittels in vivo Blutdruckmessungen, bei denen die Injektion von T3 innerhalb von Sekunden zur rapiden Blutdrucksenkung geführt hat, bestätigt. Als zugrundeliegende Prozesse konnten die Aktivierung der endothelialen Stickoxidsynthase (eNOS) und Phosphoinositid-3-Kinase (PI3K) im Endothel identifiziert werden. Weitere Charakterisierungen zeigten, dass T3-induzierte Vasodilation in verschiedenen Gefäßentitäten auftritt und unverändert in hypo- aber nicht hyperthyreoten Tieren erhalten bleibt.
Schilddrüsenüberfunktionen können in Mensch und Maus zur Herzhypertrophie führen, wobei die Verdickung des Herzmuskels auf lange Sicht die Herzfunktion verschlechtert. Um herauszufinden, welcher Rezeptor, TRα oder TRβ, und welche Art der Signalübertragung die Herzhypertrophie vermittelt, wurden eu- und hyperthyreote TRWT, TRα0-, TRβ- und TRαGS Mäuse mittels Echokardiografie untersucht. Mithilfe dieser Messungen konnte die Herzwanddicke bestimmt werden, welche in allen Mausstämmen mit Ausnahme von TRα0 Tieren unter T3-Behandlung zunahm. Diese Beobachtung wurde anhand finaler Herzgewichte bestätigt und zeigte, dass die kardiale Hypertrophie eine Folge der nichtkanonischen TRα Signalübertragung ist. Durch die Analyse der Kardiomyozytengröße wurde gezeigt, dass die Zunahme des Herzgewichts eine Folge von Kardiomyozytenwachstum ist. Jedoch konnten bei der Analyse möglicher Signalwege noch keine Erklärung für die wichtigsten Mediatoren in diesem Prozess gefunden werden. Abnormale Herzfrequenzen sind ein häufig beobachtetes Symptom in Patienten, die unter Schilddrüsenfehlfunktionen leiden. Die Einflüsse dieser Fehlfunktionen und die Beteiligung von TRs in der Regulation der Herzfrequenz wurden in dieser Studie mithilfe von in vivo Messungen aufgeklärt. Da bei einer Vielzahl von Messmethoden Anästhesie oder stressinduzierende Handhabung von Versuchstieren die resultierenden Daten verfälschen können, wurde zum Ausschluss dieser Faktoren ein Radiotelemetrieansatz gewählt. Durch den Vergleich von eu-, hypo- und hyperthyreoten TRαWT, TRα0- und TRαGS Mäusen konnte festgestellt werden, dass in Schilddrüsenfunktionsstörungen sowohl die circadiane als auch langfristige Regulation der Herzfrequenz über den kanonischen TRα Signalweg reguliert werden. Zudem konnten in dieser Messung die Kernkörpertemperatur und Bewegungsaktivität aufgezeichnet werden. Hier hat sich herausgestellt, dass die circadiane Regulation der Temperatur über den kanonischen TRα Signalweg reguliert ist. Allerdings blieb die langfristige Adaption der Körpertemperatur in Schilddrüsenfunktionsstörungen in TRα0- und TRαGS-Mäusen erhalten, was nahelegt, dass diese Anpassung über andere TR Isoformen oder Mechanism reguliert ist. Der Vergleich der Bewegungsaktivität von eu-, hypo- und hyperthyreoten Mäusen hat gezeigt, dass TRα0- und TRαGS-Mäusen geringfügige Änderungen im Vergleich zu Wildtyp Mäusen aufwiesen. Diese Beobachtung liefert Hinweise für einen kanonischen TRα Effekt.
Zusammenfassend liefert diese Studie Hinweise darauf, dass sowohl der kanonische als auch der nichtkanonische Signalweg eine physiologische Relevanz für das Herz-Kreislauf-System haben. Durch den Vergleich von Wildtyp, TRα0 und TRαGS-Mäuse konnten kanonische und nichtkanonische Effekte in vivo identifiziert werden. Diese Ergebnisse tragen zu einem neuen
Verständnis der TH/TR Wirkung im Herz-Kreislaufsystem bei, legen ein therapeutisches Potential für TR- und Signalweg-spezifische Anwendungen nahe und liefern eine Grundlage für weiterführende Untersuchungen.
Schilddrüsenhormoneffekte im Herz-Kreislauf-System dem kanonischen oder nichtkanonischen Signalweg zugeschrieben werden. Um aufzuklären, wie Schilddrüsenhormone den Blutdruck beeinflussen können, wurden ex vivo Mausarterien untersucht, wobei sich zeigte, dass die von Triiodthyronin (T3) verursachte Vasodilatation eine rapide Folge der nichtkanonischen TRα Signalübertragung ist. Diese Beobachtung wurde zudem mittels in vivo Blutdruckmessungen, bei denen die Injektion von T3 innerhalb von Sekunden zur rapiden Blutdrucksenkung geführt hat, bestätigt. Als zugrundeliegende Prozesse konnten die Aktivierung der endothelialen Stickoxidsynthase (eNOS) und Phosphoinositid-3-Kinase (PI3K) im Endothel identifiziert werden. Weitere Charakterisierungen zeigten, dass T3-induzierte Vasodilation in verschiedenen Gefäßentitäten auftritt und unverändert in hypo- aber nicht hyperthyreoten Tieren erhalten bleibt.
Schilddrüsenüberfunktionen können in Mensch und Maus zur Herzhypertrophie führen, wobei die Verdickung des Herzmuskels auf lange Sicht die Herzfunktion verschlechtert. Um herauszufinden, welcher Rezeptor, TRα oder TRβ, und welche Art der Signalübertragung die Herzhypertrophie vermittelt, wurden eu- und hyperthyreote TRWT, TRα0-, TRβ- und TRαGS Mäuse mittels Echokardiografie untersucht. Mithilfe dieser Messungen konnte die Herzwanddicke bestimmt werden, welche in allen Mausstämmen mit Ausnahme von TRα0 Tieren unter T3-Behandlung zunahm. Diese Beobachtung wurde anhand finaler Herzgewichte bestätigt und zeigte, dass die kardiale Hypertrophie eine Folge der nichtkanonischen TRα Signalübertragung ist. Durch die Analyse der Kardiomyozytengröße wurde gezeigt, dass die Zunahme des Herzgewichts eine Folge von Kardiomyozytenwachstum ist. Jedoch konnten bei der Analyse möglicher Signalwege noch keine Erklärung für die wichtigsten Mediatoren in diesem Prozess gefunden werden. Abnormale Herzfrequenzen sind ein häufig beobachtetes Symptom in Patienten, die unter Schilddrüsenfehlfunktionen leiden. Die Einflüsse dieser Fehlfunktionen und die Beteiligung von TRs in der Regulation der Herzfrequenz wurden in dieser Studie mithilfe von in vivo Messungen aufgeklärt. Da bei einer Vielzahl von Messmethoden Anästhesie oder stressinduzierende Handhabung von Versuchstieren die resultierenden Daten verfälschen können, wurde zum Ausschluss dieser Faktoren ein Radiotelemetrieansatz gewählt. Durch den Vergleich von eu-, hypo- und hyperthyreoten TRαWT, TRα0- und TRαGS Mäusen konnte festgestellt werden, dass in Schilddrüsenfunktionsstörungen sowohl die circadiane als auch langfristige Regulation der Herzfrequenz über den kanonischen TRα Signalweg reguliert werden. Zudem konnten in dieser Messung die Kernkörpertemperatur und Bewegungsaktivität aufgezeichnet werden. Hier hat sich herausgestellt, dass die circadiane Regulation der Temperatur über den kanonischen TRα Signalweg reguliert ist. Allerdings blieb die langfristige Adaption der Körpertemperatur in Schilddrüsenfunktionsstörungen in TRα0- und TRαGS-Mäusen erhalten, was nahelegt, dass diese Anpassung über andere TR Isoformen oder Mechanism reguliert ist. Der Vergleich der Bewegungsaktivität von eu-, hypo- und hyperthyreoten Mäusen hat gezeigt, dass TRα0- und TRαGS-Mäusen geringfügige Änderungen im Vergleich zu Wildtyp Mäusen aufwiesen. Diese Beobachtung liefert Hinweise für einen kanonischen TRα Effekt.
Zusammenfassend liefert diese Studie Hinweise darauf, dass sowohl der kanonische als auch der nichtkanonische Signalweg eine physiologische Relevanz für das Herz-Kreislauf-System haben. Durch den Vergleich von Wildtyp, TRα0 und TRαGS-Mäuse konnten kanonische und nichtkanonische Effekte in vivo identifiziert werden. Diese Ergebnisse tragen zu einem neuen
Verständnis der TH/TR Wirkung im Herz-Kreislaufsystem bei, legen ein therapeutisches Potential für TR- und Signalweg-spezifische Anwendungen nahe und liefern eine Grundlage für weiterführende Untersuchungen.