A close-up view of cardiac cell mechanics Heart cells contain a very well-organized array of cytoskeletal elements, including actin and microtubules that help them to perform their mechanical functions. Robison et al. used an advanced imaging approach to study the inner workings of mouse cardiac myocytes in real time. They observed microtubule “buckling” under contractile force in beating cardiomyocytes. This buckling was regulated by interaction with desmin and by the tubulin tyrosination state. The findings suggest a role for stable detyrosinated microtubules whose buckling under tension contributes to cardiac muscle strength. Science , this issue p. 10.1126/science.aaf0659

Heart failure with preserved ejection fraction (HFpEF) is a complex syndrome associated with increased myocardial stiffness and cardiac filling abnormalities. Prior studies implicated increased α-tubulin detyrosination, which is catalyzed by the vasohibin enzymes, as a contributor to increased stabilization of the cardiomyocyte microtubule network (MTN) and stiffness in failing human hearts. We explored whether increased MTN detyrosination contributed to impaired diastolic function in the ZSF1 obese rat model of HFpEF and designed a small-molecule vasohibin inhibitor to ablate MTN detyrosination in vivo. Compared with ZSF1 lean and Wistar Kyoto rats, obese rats exhibited increased tubulin detyrosination concomitant with diastolic dysfunction, left atrial enlargement, and cardiac hypertrophy with a preserved left ventricle ejection fraction, consistent with an HFpEF phenotype. Ex vivo myocardial phenotyping assessed cardiomyocyte mechanics and contractility. Vasohibin inhibitor treatment of isolated cardiomyocytes from obese rats resulted in reduced stiffness and faster relaxation. Acute in vivo treatment with vasohibin inhibitor improved diastolic relaxation in ZSF1 obese rats compared with ZSF1 lean and Wistar Kyoto rats. Vasohibin inhibition also improved relaxation in isolated human cardiomyocytes from both failing and nonfailing hearts. Our data suggest the therapeutic potential for vasohibin inhibition to reduce myocardial stiffness and improve relaxation in HFpEF.

Abstract A proliferated and post-translationally modified microtubule network underlies cellular growth in cardiac hypertrophy and contributes to contractile dysfunction in heart failure. Yet how the heart achieves this modified network is poorly understood. Determining how the “tubulin code” – the permutations of tubulin isoforms and post-translational modifications - is rewritten upon cardiac stress may provide new targets to modulate cardiac remodeling. Further, while tubulin can autoregulate its own expression, it is unknown if autoregulation is operant in the heart or tuned in response to stress. Here we use heart failure patient samples and murine models of cardiac remodeling to interrogate transcriptional, autoregulatory, and post-translational mechanisms that contribute to microtubule network remodeling at different stages of heart disease. We find that autoregulation is operant across tubulin isoforms in the heart and leads to an apparent disconnect in tubulin mRNA and protein levels in heart failure. We also find that within 4 hours of a hypertrophic stimulus and prior to cardiac growth, microtubule detyrosination is rapidly induced to help stabilize the network. This occurs concomitant with rapid transcriptional and autoregulatory activation of specific tubulin isoforms and microtubule motors. Upon continued hypertrophic stimulation, there is an increase in post-translationally modified microtubule tracks and anterograde motors to support cardiac growth, while total tubulin content increases through progressive transcriptional and autoregulatory induction of tubulin isoforms. Our work provides a new model for how the tubulin code is rapidly rewritten to establish a proliferated, stable microtubule network that drives cardiac remodeling, and provides the first evidence of tunable tubulin autoregulation during pathological progression.

Graphene oxide (GO) holds great potential for biomedical applications, however fundamental understanding of the way it interacts with biological systems is still lacking even though it is a prerequisite for successful clinical translation. In this study, we exploited intrinsic fluorescent properties of GO to establish the relationship between lateral dimensions of the material, its cellular uptake mechanism and intracellular fate. Label-free GO with distinct lateral dimensions, small (s-GO) and ultra-small (us-GO), was synthesized and thoroughly characterised both in water and in biologically relevant cell culture medium. Interactions of the material with a range of non-phagocytic mammalian cell lines (BEAS-2B, NIH/3T3, HaCaT, 293T) were studied using a combination of complementary analytical techniques (confocal microscopy, flow cytometry and TEM). The uptake mechanism was interrogated using a range of pharmaceutical inhibitors for main endocytic pathways (ethyl-isopropyl amiloride, monodansylcadaverine, chlorpromazine, genistein, cytochalasin D, latrunculin A, dynasore and sodium azide), and validated using negatively charged polystyrene beads with different diameters (0.1 and 1 μm). Regardless of lateral dimension, both types of GO were found to interact with the plasma membrane and to be efficiently taken up by a panel of cell lines in a time- and dose-dependent manner. s-GO was internalised mainly via macropinocytosis while us-GO used mainly clathrin- and caveolae-mediated endocytosis. Lastly, we show that both s-GO and us-GO terminate in lysosomal compartments for up to 48 h. Our results aim to offer significant insight into the mechanism of interaction of GO with non-phagocytic cell lines that can be exploited for the design of biomedically applicable 2D transport systems.