Cardiac pressure load stimulates hypertrophy, often leading to chamber dilation and dysfunction. ROS contribute to this process. Here we show that uncoupling of nitric oxide synthase–3 (NOS3) plays a major role in pressure load–induced myocardial ROS and consequent chamber remodeling/hypertrophy. Chronic transverse aortic constriction (TAC; for 3 and 9 weeks) in control mice induced marked cardiac hypertrophy, dilation, and dysfunction. Mice lacking NOS3 displayed modest and concentric hypertrophy to TAC with preserved function. NOS3–/– TAC hearts developed less fibrosis, myocyte hypertrophy, and fetal gene re-expression (B-natriuretic peptide and α–skeletal actin). ROS, nitrotyrosine, and gelatinase (MMP-2 and MMP-9) zymogen activity markedly increased in control TAC, but not in NOS3–/– TAC, hearts. TAC induced NOS3 uncoupling in the heart, reflected by reduced NOS3 dimer and tetrahydrobiopterin (BH4), increased NOS3-dependent generation of ROS, and lowered Ca2+-dependent NOS activity. Cotreatment with BH4 prevented NOS3 uncoupling and inhibited ROS, resulting in concentric nondilated hypertrophy. Mice given the antioxidant tetrahydroneopterin as a control did not display changes in TAC response. Thus, pressure overload triggers NOS3 uncoupling as a prominent source of myocardial ROS that contribute to dilatory remodeling and cardiac dysfunction. Reversal of this process by BH4 suggests a potential treatment to ameliorate the pathophysiology of chronic pressure-induced hypertrophy.

Abstract HIV-associated neurocognitive disorders (HAND) remain prevalent despite implementation of antiretroviral therapy (ART). Development of HAND is linked to mitochondrial dysfunction and oxidative stress in the brain; therefore, upregulation of antioxidant defenses is critical to curtail neuronal damage. Superoxide dismutase 2 (SOD2) is a mitochondrial antioxidant enzyme essential for maintaining cellular viability. We hypothesized that SOD2 was upregulated during retroviral infection. Using a simian immunodeficiency virus (SIV)-infected macaque model of HIV, quantitative PCR showed elevated SOD2 mRNA in cortical gray (GM, 7.6-fold for SIV vs. uninfected) and white matter (WM, 77-fold for SIV vs. uninfected) during SIV infection. Further, SOD2 immunostaining was enhanced in GM and WM from SIV-infected animals. Double immunofluorescence labeling illustrated that SOD2 primarily co-localized with astrocyte marker glial fibrillary acidic protein (GFAP) in SIV-infected animals. Interestingly, in ART-treated SIV-infected animals, brain SOD2 RNA levels were similar to uninfected animals. Additionally, using principal component analysis in a transcriptomic approach, SOD2 and GFAP expression separated SIV-infected from uninfected brain tissue. Projection of these data into a HIV dataset revealed similar expression changes, thereby validating the clinical relevance. Together, our findings suggest that novel SOD2-enhancing therapies may delay the onset or reduce severity of HAND seen in ART-treated HIV-infected patients.

Abstract Adult mice with cardiac-specific overexpression of adenylyl cyclase (AC) type VIII (TG AC8 ) adapt to an incessantly increased cAMP-induced cardiac workload (∼30% increases in heart rate, ejection fraction and cardiac output) for up to a year without signs of heart failure or excessive mortality. Here we show that despite markedly increased cardiac work, classical cardiac hypertrophy markers were absent in TG AC8 , total left ventricular (LV) mass was not increased: a reduced LV cavity volume in TG AC8 was encased by thicker LV walls harboring an increased number of small cardiac myocytes and a network of small interstitial non-cardiac myocytes, manifesting increased proliferation markers and compared to WT. Protein synthesis, proteosome activity, autophagy, and Nrf-2, Hsp90α, ACC2 protein levels were increased in TG AC8 , but LV ATP and phosphocreatine levels in vivo did not differ by genotype. 2,323 transcripts and 2,184 proteins identified in unbiased omics analyses, spanning a wide array of biological processes and molecular functions in numerous cellular compartments differed in TG AC8 vs WT; and over 250 canonical signaling pathways characteristic of adaptive survival circuitry of cancers, including PI3K and growth factor signaling, cytokine and T cell receptor signaling, immune responses, ROS scavenging, proliferation, protection from apoptosis, and nutrient sensing, were activated in TG AC8 ; and compared to WT there was a shift from fatty acid oxidation to increased aerobic glycolysis in the context of increased utilization of the pentose phosphate shunt and nucleotide synthesis. Thus, the adaptive paradigm, that becomes activated in the LV of TG AC8 in response to severe chronic, intense AC/PKA/Ca 2+ signaling embodies many hallmarks of cancer.

Abstract Wearable electronics are increasingly common and useful as health monitoring devices, many of which feature the ability to record a single-lead electrocardiogram (ECG). However, recording the ECG commonly requires the user to touch the device to complete the lead circuit, which prevents continuous data acquisition. An alternative approach to enable continuous monitoring without user initiation is to embed the leads in a garment. This study assessed ECG data obtained from the YouCare device (a novel sensorized garment) via comparison with a conventional Holter monitor. A cohort of thirty patients (age range: 20–82 years; 16 females and 14 males) were enrolled and monitored for twenty-four hours with both the YouCare device and a Holter monitor. ECG data from both devices were qualitatively assessed by a panel of three expert cardiologists and quantitatively analyzed using specialized software. Patients also responded to a survey about the comfort of the YouCare device as compared to the Holter monitor. The YouCare device was assessed to have 70% of its ECG signals as “Good”, 12% as “Acceptable”, and 18% as “Not Readable”. The R-wave, independently recorded by the YouCare device and Holter monitor, were synchronized within measurement error during 99.4% of cardiac cycles. In addition, patients found the YouCare device more comfortable than the Holter monitor (comfortable 22 vs. 5 and uncomfortable 1 vs. 18, respectively). Therefore, the quality of ECG data collected from the garment-based device was comparable to a Holter monitor when the signal was sufficiently acquired, and the garment was also comfortable.

Abstract Circulating Brain-derived Neurotrophic Factor (BDNF) is markedly decreased in heart failure patients. Both BDNF and its receptor, Tropomyosin Related Kinase Receptor (TrkB), are expressed in cardiomyocytes, however the role of myocardial BDNF signaling in cardiac pathophysiology is poorly understood. We found that cardiac-specific TrkB knockout (cTrkB KO) mice displayed a blunted adaptive cardiac response to exercise, with attenuated upregulation of transcription factor networks controlling mitochondrial biogenesis/metabolism, including Peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1 alpha (PGC-1α). The cTrkB KO mice developed an exacerbated heart failure progression with transaortic constriction. The downregulation of PGC-1α in cTrkB KO mice exposed to exercise or TAC resulted in decreased cardiac energetics. We further unraveled that BDNF induces PGC-1α upregulation and bioenergetics through a novel signaling pathway, the pleiotropic transcription factor Yin Yang 1 (YY1). Taken together, our findings suggest that myocardial BDNF plays a critical role in regulating cellular energetics in the cardiac stress response.

Abstract The central nervous system modulates heart function on a beat-to-beat basis via increasingly understood mechanisms. Conversely, whether and how humoral/functional cardiac variations shape brain activity and adaptive behavior remains unclear. This study shows that mice overexpressing adenylyl cyclase type 8 in myocytes (TGAC8), characterized by persistently elevated heart rate/contractility, also display increased locomotion. This effect is sustained by enhanced gamma rhythms, as evidenced by simultaneous behavioral and EEG/ECG monitoring. These changes are specific because they are not paralleled by other modifications, such as heightened anxiety-like behavior. In unison, TGAC8 mice hippocampus exhibits upregulated GABA-A receptors, whose activation chiefly accounts for gamma activity generation. Moreover, the Granger causality analysis between ECG and EEG attests to the causal involvement of the autonomic component of the heartbeat in shaping EEG gamma oscillations in a bottom-up modality. Mechanistically, TGAC8 harbors elevated circulating dopamine/DOPA levels of cardiac origin and upregulated hippocampal D5 dopamine receptor levels. In synergy with the GABA-A receptor, D5 activation favors hippocampal inhibitory currents that drive EEG gamma oscillations. These studies, therefore, inform how heart-initiated functional and/or humoral modifications reverberate back to the brain to modulate specific primary adaptive responses, such as locomotion. Significance The brain is continuously aware of the functional status of many bodily organs, modulating, for instance, the heart’s activity beat-by-beat. Conversely, how cardiac activity modifications impact brain function and behavior is less understood. We disclose that augmenting myocyte adenyl cyclase 8 (AC8) activity in mice increases their locomotion. Elevated cardiac AC8 levels lead to higher circulating dopamine and DOPA, hormones crucially involved in movement control, and increased expression of the hippocampus’s GABA-A and D5 receptors; the activation of the latter modifies hippocampal gamma oscillations shaping locomotor activity. Thus, the brain interprets changes in myocardial AC8 activity as a “sustained exercise-like” situation and responds by activating areas commanding to increase locomotion.

ATP-citrate lyase (ACLY) converts citrate into acetyl-CoA and oxaloacetate in the cytosol. It plays a prominent role in lipogenesis and fat accumulation coupled to excess glucose, and its inhibition is approved for treating hyperlipidemia. In RNAseq analysis of human failing myocardium, we found ACLY gene expression is reduced; however the impact this might have on cardiac function and/or metabolism has not been previously studied. As new ACLY inhibitors are in development for cancer and other disorders, such understanding has added importance.

Abstract Multiple immunosuppressive mechanisms exist in the tumor microenvironment that drive poor outcomes and decrease treatment efficacy. The co-expression of NOS2 and COX2 is a strong predictor of poor prognosis in ER- breast cancer and other malignancies. Together, they generate pro-oncogenic signals that drive metastasis, drug resistance, cancer stemness, and immune suppression. Using an ER- breast cancer patient cohort, we found that the spatial expression patterns of NOS2 and COX2 with CD3+CD8+PD1- T effector (Teff) cells formed a tumor immune landscape that correlated with poor outcome. NOS2 was primarily associated with the tumor-immune interface, whereas COX2 was associated with immune desert regions of the tumor lacking Teff cells. A higher ratio of NOS2 or COX2 to Teff was highly correlated with poor outcomes. Spatial analysis revealed that regional clustering of NOS2 and COX2 was associated with stromal-restricted Teff, while only COX2 was predominant in immune deserts. Examination of other immunosuppressive elements, such as PDL1/PD1, Treg, B7H4, and IDO1, revealed that PDL1/PD1, Treg, and IDO1 were primarily associated with restricted Teff, whereas B7H4 and COX2 were found in tumor immune deserts. Regardless of the survival outcome, other leukocytes, such as CD4 T cells and macrophages, were primarily in stromal lymphoid aggregates. Finally, in a 4T1 model, COX2 inhibition led to a massive cell infiltration, thus validating the hypothesis that COX2 is an essential component of the Teff exclusion process and, thus, tumor evasion. Our study indicates that NOS2/COX2 expression plays a central role in tumor immunosuppression. Our findings indicate that new strategies combining clinically available NOS2/COX2 inhibitors with various forms of immune therapy may open a new avenue for the treatment of aggressive ER- breast cancers.

Abstract Background Though acute mortality by myocardial infarction (MI) has declined in past decades, MI still represents one of the leading causes of heart failure (HF) development. We recently demonstrated the accumulation of toxic desmin aggregates in patients with HF of ischemic origin. Since desmin aggregates are toxic for the heart we aimed to test whether their formation can be induced by oxidative stress as a proxy for reperfusion injury, as well as addressing the effects of therapeutic strategies aimed at reducing desmin aggregation with cardiac oxidative stress. Methods and Results We demonstrate here that oxidative stress is able to induce desmin aggregation, acutely, in a cell-specific and dose-dependent fashion. We also show that elevation of O -linked β- N -acetylglucosamine ( O -GlcNAc) prior to or after oxidative stress reduces the formation of toxic desmin aggregates and its pro-aggregating desmin post-translational modifications (PTM). In addition, we show for the first time a role for the transmembrane protease serine 13 (TMPRSS13) with desmin cleavage in response to oxidative stress while desmin’s single cysteine plays a protective role from I/R injury, which is independent of gain or loss of desmin function. Conclusions The proliferation of desmin PTM-forms (i.e., proteoforms) and its aggregation hallmark acute and chronic cardiac stress and result in both loss of and gain of desmin function. We report here two novel mechanisms that could be targeted for therapy to preserve desmin homeostasis and cardiac function in the acute settings of oxidative stress and reperfusion injury.

Women are the main target of intimate partner violence (IPV), which is escalating worldwide. Mechanisms subtending IPV-related disorders, such as anxiety, depression and PTSD, remain unclear. We employed a mouse model molded on an IPV scenario (male vs. female prolonged violent interaction) to unearth the neuroendocrine alterations triggered by an aggressive male mouse on the female murine brain. Experimental IPV (EIPV) prompted marked anxiety-like behavior in young female mice, coincident with high circulating/cerebral corticosterone levels. The hippocampus of EIPV-inflicted female animals displayed neuronal loss, reduced BrdU-DCX-positive nuclei, decreased mature DCX-positive cells, and diminished dendritic arborization level in the dentate gyrus (DG), features denoting impaired neurogenesis and neuronal differentiation. These hallmarks were associated with marked down-regulation of estrogen receptor β (ERβ) density in the hippocampus, especially in the DG and dependent prosurvival ERK signaling. Conversely, ERα expression was unchanged. After EIPV, the DG harbored lowered local BDNF pools, diminished TrkB phosphorylation, and elevated glucocorticoid receptor phosphorylation. In unison, ERβ KO mice had heightened anxiety-like behavior and curtailed BDNF levels at baseline, despite enhanced circulating estradiol levels, while dying prematurely during EIPV. Thus, reiterated male-to-female violence jeopardizes hippocampal homeostasis in the female brain, perturbing ERβ/BDNF signaling, thus instigating anxiety and chronic stress.