The role of protein quality control and intercellular communication in cardiovascular diseases

Abstract

Cardiovascular diseases remain the leading cause of mortality globally, requiring a deeper understanding of the molecular mechanisms underlying cardiovascular function and pathology. This thesis explores the complex interplay between protein quality control mechanisms and intercellular communication within the cardiovascular system, highlighting their pivotal roles in cardiac and endothelial health and disease. Exploiting a combination of cell-based assays and pre-clinical models, this study focuses on the regulation of connexin 43 (Cx43), a key protein in mediating intercellular communication, and its implications for cardiovascular pathophysiology, as well as the role of extracellular vesicles (EVs) in the interplay between cardiomyocytes and endothelial cells and its impact on cardiac function.In the first set of results, we identified the deubiquitinating enzyme ubiquitin-specific peptidase 8 (USP8) as a key regulator of Cx43, influencing its ubiquitination and intracellular trafficking, revealing its impact on endothelial cell function under physiological and pathological conditions. These findings demonstrate that USP8-mediated deubiquitination of Cx43 leads to altered degradation rates, accumulation at the plasma membrane, and enhanced channel activity, with implications for adenosine triphosphate (ATP) release and monocyte-endothelial cell adhesion. This chapter underscores the importance of USP8 in modulating endothelial cell responses to disturbed flow, highlighting its potential role in atherosclerosis development.Next, we explored the degradation of Cx43 via chaperone-mediated autophagy (CMA), a selective lysosomal pathway. The study illustrates how CMA activation increases the interaction between Cx43 and the CMA machinery, including HSC70 and LAMP2A, with the concomitant lysosomal degradation. This results underpin an additional pathway of Cx43 degradation , that is likely implicated in the regulation of intercellular communication in response to sustained/ chronic stress, such as in cardiac hypertrophy and heart failure.Moreover, we unveiled the angiogenic potential of extracellular vesicles (EVs) released by cardiomyocytes under ischaemic conditions. We showed for the first time that ischaemia-induced EVs promote endothelial cell proliferation, sprouting, and the formation of capillary-like structures, enhancing neovascularization and offering protection against myocardial infarction. This chapter highlights the therapeutic potential of modulating EVs to improve myocardial blood supply following ischaemic injury.Collectively, this thesis underscores the crosstalk between proteostasis and intercellular communication in the cardiovascular system, illustrating how alterations in these processes can influence the pathogenesis and progression of cardiovascular diseases. The data gathered in this study bring important insights about the cellular and molecular mechanisms underlying heart and vessels diseases, thus opening new avenues for therapeutic interventions, emphasising the importance of targeting protein quality control and cellular communication pathways.

As doenças cardiovasculares continuam a ser a principal causa de mortalidade global, sendo premente uma compreensão mais profunda dos mecanismos celulares e moleculares subjacentes à sua função e patologia. Esta tese explora a complexa interação entre os mecanismos de controlo de qualidade proteica e a comunicação intercelular com foco no sistema cardiovascular, destacando seus papéis fundamentais na saúde e doença cardíaca e endotelial. Utilizando uma combinação de ensaios baseados em células e modelos pré-clínicos, este estudo concentra-se na regulação da conexina 43 (Cx43), crucial na comunicação intercelular, e suas implicações na fisiopatologia cardiovascular, bem como o papel das vesículas extracelulares (EVs) na interação entre cardiomiócitos e células endoteliais, e o seu impacto na função cardíaca.No primeiro conjunto de resultados, identificamos a enzima deubiquitinante USP8 (ubiquitin-specific peptidase 8) como um regulador chave de Cx43, influenciando a sua ubiquitinação e tráfego intracelular, revelando o seu impacto na função nas células endoteliais em condições fisiopatológicas. Este trabalho demonstra que a deubiquitinação da Cx43 mediada por USP8 leva alterações na sua degradação, acumulação na membrana plasmática e aumento de atividade de canal, com implicações na libertação ATP e na adesão de monócitos a células endoteliais. Este capítulo destaca a importância da USP8 na modulação da resposta das células endoteliais ao fluxo oscilatório, salientando o seu potencial papel no desenvolvimento da aterosclerose.Em seguida, exploramos a degradação selectiva de Cx43 no lisossoma via chaperone mediated autophagy (CMA). Os resultados mostram que a ativação da CMA promove a interação entre Cx43 e a maquinaria da CMA, nomeadamente HSC70 e LAMP2A, com a sua concomitante degradação. Fundamentando uma via adicional para a degradação de Cx43, potencialmente implicada na regulação da comunicação intercelular em resposta a stress prolongado, como na hipertrofia cardíaca e insuficiência cardíaca.Além disso, revelamos o potencial angiogénico de EVs libertadas por cardiomiócitos em isquemia. Demonstramos pela primeira vez que as EVs induzidas por isquemia promovem a proliferação de células endoteliais, brotamento e formação de estruturas semelhantes a capilares, promovendo a neovascularização e oferecendo proteção contra o enfarte do miocárdio. Este capítulo destaca o potencial terapêutico de modular as EVs para melhorar o suprimento sanguíneo do miocárdio após lesão isquémica.Coletivamente, esta tese destaca a interação entre proteostase e comunicação intercelular no sistema cardiovascular, ilustrando como alterações nesses processos podem influenciar a patogénese e progressão das doenças cardiovasculares. Os resultados obtidos neste estudo trazem insights importantes sobre os mecanismos celulares e moleculares subjacentes às doenças cardíacas e vasculares, abrindo novos caminhos para intervenções terapêuticas e enfatizando a importância de direcionar o controle de qualidade de proteínas e as vias de comunicação celular.