AMP-activated protein kinase (AMPK) has been shown to inhibit cardiac hypertrophy. Here, we show that submaximal AMPK activation blocks cardiomyocyte hypertrophy without affecting downstream targets previously suggested to be involved, such as p70 ribosomal S6 protein kinase, calcineurin/nuclear factor of activated T cells (NFAT) and extracellular signal-regulated kinases. Instead, cardiomyocyte hypertrophy is accompanied by increased protein O-GlcNAcylation, which is reversed by AMPK activation. Decreasing O-GlcNAcylation by inhibitors of the glutamine:fructose-6-phosphate aminotransferase (GFAT), blocks cardiomyocyte hypertrophy, mimicking AMPK activation. Conversely, O-GlcNAcylation-inducing agents counteract the anti-hypertrophic effect of AMPK. In vivo, AMPK activation prevents myocardial hypertrophy and the concomitant rise of O-GlcNAcylation in wild-type but not in AMPKα2-deficient mice. Treatment of wild-type mice with O-GlcNAcylation-inducing agents reverses AMPK action. Finally, we demonstrate that AMPK inhibits O-GlcNAcylation by mainly controlling GFAT phosphorylation, thereby reducing O-GlcNAcylation of proteins such as troponin T. We conclude that AMPK activation prevents cardiac hypertrophy predominantly by inhibiting O-GlcNAcylation.

Aims: The abundance of beta3-adrenergic receptors (β3-ARs) is upregulated in diseased human myocardium. We previously showed that cardiac-specific expression of β3-AR inhibits the hypertrophic response to neurohormonal stimulation. Here, we further analyzed signalling pathways involved in the anti-hypertrophic effect of β3-AR. Methods: In vitro hypertrophic responses to phenylephrine (PE) were analyzed in neonatal rat ventricular myocytes (NRVM) infected with a recombinant adenovirus expressing the human β3-AR (AdVhβ3). We confirmed results in mice with cardiomyocyte-specific moderate expression of human β3-AR (β3-TG) and WT littermates submitted to thoracic transverse aortic constriction (TAC) for 9 weeks. Results: We observed a colocalization of β3-AR with the AMP-activated protein kinase (AMPK) both in neonatal rat andin adult mouse cardiomyocytes. Treatment of NRVM with PE induced hypertrophy and a decrease in phosphorylation of Thr172-AMPK (/2, p=0.0487) and phosphorylation of Ser79- acetyl-CoA carboxylase (ACC) (/2.6, p=0.0317), inducing an increase in phosphorylated Ser235/236 S6 protein (x2.5, p=0.0367) known to be involved in protein synthesis. These effects were reproduced by TAC in WT mice, but restored to basal levels in β3-AR expressing cells/mice. siRNA targeting of AMPK partly abrogated the anti-hypertrophic effect of β3-AR in response to PE in NRVM (x1.3, p<0.0001). Concomitant with hypertrophy, autophagy measured by microtubule-associated protein 1 light chain 3 (LC3)-II/LC3-I ratio and p62 abundance was decreased by PE in NRVM (/2.6, p=0.0010 and x3, p=0.0016, respectively) or TAC in WT mice (/5.4, p=0.0159); and preserved in human β3-AR expressing cells and mice, together with reduced hypertrophy.

Abstract Heart failure, mostly associated with cardiac hypertrophy, is still a major cause of illness and death. Oxidative stress causes contractile failure and the accumulation of reactive oxygen species leads to mitochondrial dysfunction, associated with aging and heart failure, suggesting that mitochondria-targeted therapies could be effective in this context. The purpose of this work was to characterize how mitochondrial oxidative stress is involved in cardiac hypertrophy development and to determine if mitochondria-targeted therapies could improve cardiac phenotypes. We used neonatal and adult rat cardiomyocytes (NCMs and ACMs) hypertrophied by isoproterenol (Iso) to induce an increase of mitochondrial superoxide anion. Superoxide dismutase 2 activity and mitochondrial biogenesis were significantly decreased after 24h of Iso treatment. To counteract the mitochondrial oxidative stress induced by hypertrophy, we evaluated the impact of two different anti-oxidants, mitoquinone (MitoQ) and EUK 134. Both significantly decreased mitochondrial superoxide anion and hypertrophy in hypertrophied NCMs and ACMs. Conversely to EUK 134 which preserved cell functions, MitoQ impaired mitochondrial function by decreasing maximal mitochondrial respiration, mitochondrial membrane potential and mitophagy (particularly Parkin expression) and altering mitochondrial structure. The same decrease of Parkin was found in human cardiomyocytes but not in fibroblasts suggesting a cell specificity deleterious effect of MitoQ. Our data showed the importance of mitochondrial oxidative stress in the development of cardiomyocyte hypertrophy. Interestingly, we observed that targeting mitochondria by an anti-oxidant (MitoQ) impaired metabolism specifically in cardiomyocytes. Conversely, the SOD mimic (EUK 134) decreased both oxidative stress and cardiomyocyte hypertrophy and restored impaired cardiomyocyte metabolism and mitochondrial biogenesis.