Summary Diabetic heart disease is highly prevalent and characterized by diastolic dysfunction. The mechanisms of diabetic heart disease are poorly understood and no targeted therapies are available. Here we show that the diabetic myocardium (type 1 and type 2) is characterized by marked glycogen elevation and ectopic cellular localization - a paradoxical metabolic pathology given suppressed cardiomyocyte glucose uptake in diabetes. We demonstrate involvement of a glycogen-selective autophagy pathway (‘glycophagy’) defect in mediating this pathology. Genetically manipulated deficiency of Gabarapl1, an Atg8 autophagy homologue, induces cardiac glycogen accumulation and diastolic dysfunction. Stbd1, the Gabarapl1 cognate autophagosome partner is identified as a unique component of the early glycoproteome response to hyperglycemia in cardiac, but not skeletal muscle. Cardiac-targeted in vivo Gabarapl1 gene delivery normalizes glycogen levels, diastolic function and cardiomyocyte mechanics. These findings reveal that cardiac glycophagy is a key metabolic homeostatic process perturbed in diabetes that can be remediated by Gabarapl1 intervention.

ABSTRACT Diastolic dysfunction is increasingly identified as a key, early onset subclinical condition characterizing cardiopathologies of rising prevalence, including diabetic heart disease and heart failure with preserved ejection fraction (HFpEF). Diastolic dysfunction characterization has important prognostic value in management of disease outcomes. Validated tools for in vivo monitoring of diastolic function in rodent models of diabetes are required for progress in pre-clinical cardiology studies. 2D speckle tracking echocardiography has emerged as a powerful tool for evaluating cardiac wall deformation throughout the cardiac cycle. The aim of this study was to examine the applicability of 2D speckle tracking echocardiography for comprehensive global and regional assessment of diastolic function in a pre-clinical murine model of cardio-metabolic disease. Type 2 diabetes (T2D) was induced in C57Bl/6 male mice using a high fat high sugar dietary intervention for 20 weeks. Significant impairment in left ventricle peak diastolic strain rate was evident in longitudinal, radial and circumferential planes in T2D mice. Peak diastolic velocity was similarly impaired in the longitudinal and radial planes. Regional analysis of longitudinal peak diastolic strain rate revealed that the anterior free left ventricular wall is particularly susceptible to T2D-induced diastolic dysfunction. These findings provide a significant advance on characterization of diastolic dysfunction in a pre-clinical mouse model of cardiopathology and offer a comprehensive suite of benchmark values for future pre-clinical cardiology studies.

Glycogen-autophagy ('glycophagy') is a selective autophagy process involved in delivering glycogen to the lysosome for bulk degradation. Glycophagy protein intermediaries include STBD1 as a glycogen tagging receptor, delivering the glycogen cargo into the forming phagosome by partnering with the Atg8 homolog, GABARAPL1. Glycophagy is emerging as a key process of energy metabolism and development of reliable tools for assessment of glycophagy activity is an important priority. Here we show that antibodies raised against the N-terminus of the GABARAPL1 protein (but not the full-length protein) detected a specific endogenous GABARAPL1 immunoblot band at 18kDa. A stable GFP-GABARAPL1 cardiac cell line was used to quantify GABARAPL1 lysosomal flux via measurement of GFP puncta in response to lysosomal inhibition with bafilomycin. Endogenous glycophagy flux was quantified in primary rat ventricular myocytes by the extent of glycogen accumulation with bafilomycin combined with chloroquine treatment (no effect observed with bafilomycin or chloroquine alone). In wild-type isolated mouse hearts, bafilomycin alone and bafilomycin combined with chloroquine (but not chloroquine alone) elicited a significant increase in glycogen content signifying basal glycophagy flux. Collectively, these methodologies provide a comprehensive toolbox for tracking cardiac glycophagy activity to advance research into the role of glycophagy in health and disease.