In response to stress, the heart undergoes extensive cardiac remodeling that results in cardiac fibrosis and pathological growth of cardiomyocytes (hypertrophy), which contribute to heart failure. Alterations in microRNA (miRNA) levels are associated with dysfunctional gene expression profiles associated with many cardiovascular disease conditions; however, miRNAs have emerged recently as paracrine signaling mediators. Thus, we investigated a potential paracrine miRNA crosstalk between cardiac fibroblasts and cardiomyocytes and found that cardiac fibroblasts secrete miRNA-enriched exosomes. Surprisingly, evaluation of the miRNA content of cardiac fibroblast-derived exosomes revealed a relatively high abundance of many miRNA passenger strands ("star" miRNAs), which normally undergo intracellular degradation. Using confocal imaging and coculture assays, we identified fibroblast exosomal-derived miR-21_3p (miR-21*) as a potent paracrine-acting RNA molecule that induces cardiomyocyte hypertrophy. Proteome profiling identified sorbin and SH3 domain-containing protein 2 (SORBS2) and PDZ and LIM domain 5 (PDLIM5) as miR-21* targets, and silencing SORBS2 or PDLIM5 in cardiomyocytes induced hypertrophy. Pharmacological inhibition of miR-21* in a mouse model of Ang II-induced cardiac hypertrophy attenuated pathology. These findings demonstrate that cardiac fibroblasts secrete star miRNA-enriched exosomes and identify fibroblast-derived miR-21* as a paracrine signaling mediator of cardiomyocyte hypertrophy that has potential as a therapeutic target.

Matrix vesicles (MVs), secreted by vascular smooth muscle cells (VSMCs), form the first nidus for mineralization and fetuin-A, a potent circulating inhibitor of calcification, is specifically loaded into MVs. However, the processes of fetuin-A intracellular trafficking and MV biogenesis are poorly understood.The objective of this study is to investigate the regulation, and role, of MV biogenesis in VSMC calcification.Alexa488-labeled fetuin-A was internalized by human VSMCs, trafficked via the endosomal system, and exocytosed from multivesicular bodies via exosome release. VSMC-derived exosomes were enriched with the tetraspanins CD9, CD63, and CD81, and their release was regulated by sphingomyelin phosphodiesterase 3. Comparative proteomics showed that VSMC-derived exosomes were compositionally similar to exosomes from other cell sources but also shared components with osteoblast-derived MVs including calcium-binding and extracellular matrix proteins. Elevated extracellular calcium was found to induce sphingomyelin phosphodiesterase 3 expression and the secretion of calcifying exosomes from VSMCs in vitro, and chemical inhibition of sphingomyelin phosphodiesterase 3 prevented VSMC calcification. In vivo, multivesicular bodies containing exosomes were observed in vessels from chronic kidney disease patients on dialysis, and CD63 was found to colocalize with calcification. Importantly, factors such as tumor necrosis factor-α and platelet derived growth factor-BB were also found to increase exosome production, leading to increased calcification of VSMCs in response to calcifying conditions.This study identifies MVs as exosomes and shows that factors that can increase exosome release can promote vascular calcification in response to environmental calcium stress. Modulation of the exosome release pathway may be as a novel therapeutic target for prevention.

The vascular extracellular matrix (ECM) is essential for the structural integrity of the vessel wall and also serves as a substrate for the binding and retention of secreted products of vascular cells as well as molecules coming from the circulation. Although proteomics has been previously applied to vascular tissues, few studies have specifically targeted the vascular ECM and its associated proteins. Thus, its detailed composition remains to be characterized. In this study, we describe a methodology for the extraction of extracellular proteins from human aortas and their identification by proteomics. The approach is based on (a) effective decellularization to enrich for scarce extracellular proteins, (b) successful solubilization and deglycosylation of ECM proteins, and (c) relative estimation of protein abundance using spectral counting. Our three-step extraction approach resulted in the identification of 103 extracellular proteins of which one-third have never been reported in the proteomics literature of vascular tissues. In particular, three glycoproteins (podocan, sclerostin, and agrin) were identified for the first time in human aortas at the protein level. We also identified extracellular adipocyte enhancer-binding protein 1, the cartilage glycoprotein asporin, and a previously hypothetical protein, retinal pigment epithelium (RPE) spondin. Moreover, our methodology allowed us to screen for proteolysis in the aortic samples based on the identification of proteolytic enzymes and their corresponding degradation products. For instance, we were able to detect matrix metalloproteinase-9 by mass spectrometry and relate its presence to degradation of fibronectin in a clinical specimen. We expect this proteomics methodology to further our understanding of the composition of the vascular extracellular environment, shed light on ECM remodeling and degradation, and provide insights into important pathological processes, such as plaque rupture, aneurysm formation, and restenosis.

Abdominal aortic aneurysms (AAA) are characterized by pathological remodeling of the aortic extracellular matrix (ECM). However, besides the well-characterized elastolysis and collagenolysis little is known about changes in other ECM proteins. Previous proteomics studies on AAA focused on cellular changes without emphasis on the ECM. In the present study, ECM proteins and their degradation products were selectively extracted from aneurysmal and control aortas using a solubility-based subfractionation methodology and analyzed by gel-liquid chromatography-tandem MS and label-free quantitation. The proteomics analysis revealed novel changes in the ECM of AAA, including increased expression as well as degradation of collagen XII, thrombospondin 2, aortic carboxypeptidase-like protein, periostin, fibronectin and tenascin. Proteomics also confirmed the accumulation of macrophage metalloelastase (MMP-12). Incubation of control aortic tissue with recombinant MMP-12 resulted in the extensive fragmentation of these glycoproteins, most of which are novel substrates of MMP-12. In conclusion, our proteomics methodology allowed the first detailed analysis of the ECM in AAA and identified markers of pathological ECM remodeling related to MMP-12 activity.

Cardiac hypertrophy and subsequent heart failure triggered by chronic hypertension represent major challenges for cardiovascular research. Beyond neurohormonal and myocyte signaling pathways, growing evidence suggests inflammatory signaling pathways as therapeutically targetable contributors to this process. We recently reported that microRNA-155 is a key mediator of cardiac inflammation and injury in infectious myocarditis. Here, we investigated the impact of microRNA-155 manipulation in hypertensive heart disease.Genetic loss or pharmacological inhibition of the leukocyte-expressed microRNA-155 in mice markedly reduced cardiac inflammation, hypertrophy, and dysfunction on pressure overload. These alterations were macrophage dependent because in vivo cardiomyocyte-specific microRNA-155 manipulation did not affect cardiac hypertrophy or dysfunction, whereas bone marrow transplantation from wild-type mice into microRNA-155 knockout animals rescued the hypertrophic response of the cardiomyocytes and vice versa. In vitro, media from microRNA-155 knockout macrophages blocked the hypertrophic growth of stimulated cardiomyocytes, confirming that macrophages influence myocyte growth in a microRNA-155-dependent paracrine manner. These effects were at least partly mediated by the direct microRNA-155 target suppressor of cytokine signaling 1 (Socs1) because Socs1 knockdown in microRNA-155 knockout macrophages largely restored their hypertrophy-stimulating potency.Our findings reveal that microRNA-155 expression in macrophages promotes cardiac inflammation, hypertrophy, and failure in response to pressure overload. These data support the causative significance of inflammatory signaling in hypertrophic heart disease and demonstrate the feasibility of therapeutic microRNA targeting of inflammation in heart failure.

MicroRNA-122 (miR-122) is abundant in the liver and involved in lipid homeostasis, but its relevance to the long-term risk of developing metabolic disorders is unknown. We therefore measured circulating miR-122 in the prospective population-based Bruneck Study (n = 810; survey year 1995). Circulating miR-122 was associated with prevalent insulin resistance, obesity, metabolic syndrome, type 2 diabetes, and an adverse lipid profile. Among 92 plasma proteins and 135 lipid subspecies quantified with mass spectrometry, it correlated inversely with zinc-α-2-glycoprotein and positively with afamin, complement factor H, VLDL-associated apolipoproteins, and lipid subspecies containing monounsaturated and saturated fatty acids. Proteomics analysis of livers from antagomiR-122–treated mice revealed novel regulators of hepatic lipid metabolism that are responsive to miR-122 inhibition. In the Anglo-Scandinavian Cardiac Outcomes Trial (ASCOT, n = 155), 12-month atorvastatin reduced circulating miR-122. A similar response to atorvastatin was observed in mice and cultured murine hepatocytes. Over up to 15 years of follow-up in the Bruneck Study, multivariable adjusted risk ratios per one-SD higher log miR-122 were 1.60 (95% CI 1.30–1.96; P < 0.001) for metabolic syndrome and 1.37 (1.03–1.82; P = 0.021) for type 2 diabetes. In conclusion, circulating miR-122 is strongly associated with the risk of developing metabolic syndrome and type 2 diabetes in the general population.

Background— After myocardial ischemia, extracellular matrix (ECM) deposition occurs at the site of the focal injury and at the border region. Methods and Results— We have applied a novel proteomic method for the analysis of ECM in cardiovascular tissues to a porcine model of ischemia/reperfusion injury. ECM proteins were sequentially extracted and identified by liquid chromatography tandem mass spectrometry. For the first time, ECM proteins such as cartilage intermediate layer protein 1, matrilin-4, extracellular adipocyte enhancer binding protein 1, collagen α-1(XIV), and several members of the small leucine-rich proteoglycan family, including asporin and prolargin, were shown to contribute to cardiac remodeling. A comparison in 2 distinct cardiac regions (the focal injury in the left ventricle and the border region close to the occluded coronary artery) revealed a discordant regulation of protein and mRNA levels; although gene expression for selected ECM proteins was similar in both regions, the corresponding protein levels were much higher in the focal lesion. Further analysis based on >100 ECM proteins delineated a signature of early- and late-stage cardiac remodeling with transforming growth factor-β1 signaling at the center of the interaction network. Finally, novel cardiac ECM proteins identified by proteomics were validated in human left ventricular tissue acquired from ischemic cardiomyopathy patients at cardiac transplantation. Conclusion— Our findings reveal a biosignature of early- and late-stage ECM remodeling after myocardial ischemia/reperfusion injury, which may have clinical utility as a prognostic marker and modifiable target for drug discovery.

Chronic cardiac stress induces pathologic hypertrophy and fibrosis of the myocardium. The microRNA-29 (miR-29) family has been found to prevent excess collagen expression in various organs, particularly through its function in fibroblasts. Here, we show that miR-29 promotes pathologic hypertrophy of cardiac myocytes and overall cardiac dysfunction. In a mouse model of cardiac pressure overload, global genetic deletion of miR-29 or antimiR-29 infusion prevents cardiac hypertrophy and fibrosis and improves cardiac function. Targeted deletion of miR-29 in cardiac myocytes in vivo also prevents cardiac hypertrophy and fibrosis, indicating that the function of miR-29 in cardiac myocytes dominates over that in non-myocyte cell types. Mechanistically, we found cardiac myocyte miR-29 to de-repress Wnt signaling by directly targeting four pathway factors. Our data suggests that, cell- or tissue-specific antimiR-29 delivery may have therapeutic value for pathological cardiac remodeling and fibrosis.

Abstract The molecular mechanisms of progressive right heart failure are incompletely understood. In this study, we systematically examined transcriptomic changes occurring over months in isolated cardiomyocytes or whole heart tissues from failing right and left ventricles in rat models of pulmonary artery banding (PAB) or aortic banding (AOB). Detailed bioinformatics analyses resulted in the identification of gene signature, protein and transcription factor networks specific to ventricles and compensated or decompensated disease states. Proteomic and RNA-FISH analyses confirmed PAB-mediated regulation of key genes and revealed spatially heterogeneous mRNA expression in the heart. Intersection of rat PAB-specific gene sets with transcriptome datasets from human patients with chronic thromboembolic pulmonary hypertension (CTEPH) led to the identification of more than 50 genes whose expression levels correlated with the severity of right heart disease, including multiple matrix-regulating and secreted factors. These data define a conserved, differentially regulated genetic network associated with right heart failure in rats and humans.