Induction of specific mutations for dilated or hypertrophic cardiomyopathy in isogenic human induced pluripotent stem cells to model disease and to elucidate molecular and signaling pathways
Final Report Abstract
Hypertrophe Kardiomyopathie (HCM) tritt mit einer Prävalenz von 1:500 in der allgemeinen Bevölkerung auf. Die zugrunde liegenden Mutationen betreffen häufig das Gen für Myosin bindendes Protein C3 (MYBPC3), oft führen dabei die Mutationen zu einem frühen stop-codon (PTC) in der mRNA vom betroffenen Allel. Die molekularen Mechanismen, wie die Mutationen zur Krankheitsentstehung führen, sind jedoch nur sehr unvollständig bekannt. Um diese in einem Modell mit humanen Kardiomyozyten zu untersuchen, wurden in dieser Studie induzierbare, pluripotente Stammzellen (iPSC) von HCM-Patienten mit MYBPC3 PTC Mutation generiert. Die jeweiligen Mutationen wurden mittels Genom-Editierung korrigiert, so dass Paare isogener iPSC-Linien entstanden, die sich nur in der Mutation unterscheiden. Nachfolgend wurden diese iPSCs zu Kardiomyozyten (iPSC-CMs) differenziert, und strukturell, funktionell, sowie in Hinblick auf molekulare Dysregulationen untersucht. Während in diesen isogenen Vergleichen keine signifikanten strukturellen Unterschiede oder Veränderungen in der Kontraktilität nachweisbar waren, zeigten sich in den HCM iPSC-CMs pathophysiologisch relevante Einschränkungen in der Kalziumhomeostase. Zudem konnte eine molekulare HCM-Signatur auf Genexpressionsebene herausgearbeitet werden; Signalkaskaden kardialer Stressregulation, Hypertrophy, Kalziumregulation und mechanischer Signaltransduktion wiesen auf die Ausbildung eines HCM Phänotyps hin. Vor allem aber zeigte sich eine Überaktivierung von Genregulationskaskaden, die in der Proteinentstehung (Translation) eine bedeutende Kontrollfunktion haben. Insbesondere nonsense-mediated decay (NMD), ein Signalweg zur Überwachung korrekter Translation, der durch PTC Mutationen aktiviert wird, stellte sich in den HCM iPSC-CMs als überaktiviert dar. Eine Inhibition der Aktivität von NMD in HCM iPSC-CMs führte zu einer signifikanten Abschwächung des Kalzium-Phänotyps sowie weitgehender Normalisierung der molekularen HCM-Signatur. Zusammengenommen zeigt diese Studie, dass die Kombination von iPSC-CMs mit Genom-Editierungen ein brauchbares Model mit humanen Kardiomyozyten zur Erforschung von HCM ist. Die vorgestellten Ergebnisse weisen auf eine direkte Beteiligung von NMD in der frühen Entstehung von HCM hin. Weitere Untersuchungen können hier zu einem detaillierteren Verständnis der direkten Verbindung von überaktiviertem NMD bei MYBPC3 PTC Mutationen zu der Ausbildung eines HCM Phänotyps führen. Potentiell kann hieraus ein neuer, spezifischer Therapieansatz zur Behandlung bei HCM entwickelt werden.
Publications
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