Circ Genom Precis医学。作者手稿;PMC 2022年12月1日提供。
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NIHMSID公司:美国国家卫生研究院1753744
α-肌动蛋白2中的单等位和双等位蛋白截短变异体通过不同机制引起心肌病
,博士,1,* ,博士,1 ,医学博士,1 ,博士,1 ,博士,1 ,博士,1 ,理学硕士,1 ,博士,1 、理学学士、,1 ,博士,4 ,理学硕士,1 、ScM、,1,6 ,医学博士,5 ,医学博士,2,三 ,理学硕士,2,三 ,理学硕士,1,2 、FRCP、DPhil、,1,2和医学博士1,2,*
玛琳·E·林德霍姆
1美国斯坦福大学斯坦福大学医学院医学系心血管内科。
大卫·吉梅内兹·莫拉莱斯
1美国斯坦福大学斯坦福大学医学院医学系心血管内科。
韩朱
1美国斯坦福大学斯坦福大学医学院医学系心血管内科。
Kinya Seo先生
1美国斯坦福大学斯坦福大学医学院医学系心血管内科。
大卫·阿马尔
1美国斯坦福大学斯坦福大学医学院医学系心血管内科。
赵春丽
1美国斯坦福大学斯坦福大学医学院医学系心血管内科。
阿尔卡纳·拉贾
1美国斯坦福大学斯坦福大学医学院医学系心血管内科。
罗什尼·马德瓦尼
1美国斯坦福大学斯坦福大学医学院医学系心血管内科。
萨拉·阿布拉莫维茨
1美国斯坦福大学斯坦福大学医学院医学系心血管内科。
塞德里克·埃斯佩内尔
4美国斯坦福大学医学院细胞科学成像设施
雪莉·萨顿
1美国斯坦福大学斯坦福大学医学院医学系心血管内科。
科琳·卡列舒(Colleen Caleshu)
1美国斯坦福大学斯坦福大学医学院医学系心血管内科。
6GeneMatters,加利福尼亚州旧金山
卡拉·莫托纳加
2美国斯坦福大学斯坦福大学医学院遗传性心血管疾病中心
三。美国斯坦福大学医学院儿科心脏病学系
凯拉·邓恩
2美国斯坦福大学斯坦福大学医学院遗传性心血管疾病中心
三。美国斯坦福大学医学院儿科心脏病学系
朱莉娅·普拉特
1美国斯坦福大学斯坦福大学医学院医学系心血管内科。
2美国斯坦福大学斯坦福大学医学院遗传性心血管疾病中心
尤安·阿什利
1美国斯坦福大学斯坦福大学医学院医学系心血管内科。
2美国斯坦福大学斯坦福大学医学院遗传性心血管疾病中心
马修·惠勒
1美国斯坦福大学斯坦福大学医学院医学系心血管内科。
2美国斯坦福大学斯坦福大学医学院遗传性心血管疾病中心
1美国斯坦福大学斯坦福大学医学院医学系心血管内科。
2美国斯坦福大学斯坦福大学医学院遗传性心血管疾病中心
三。美国斯坦福大学医学院儿科心脏病学系
4美国斯坦福大学医学院细胞科学成像设施
5.美国斯坦福大学医学院病理学系。
6GeneMatters,加利福尼亚州旧金山
作者信息
概念化:M.E.L、E.A.A、M.T.W、,方法:M.E.L、D.J-M、K.S、C.S、,软件:D.J-M、D.A、A.R、,形式分析:M.E.L、D.J-M、H.Z、K.S、D.A、C.E、,调查:M.E.L、H.Z、K.S、R.M、S.A、S.S、C.C、K.S.M、K.D.、J.P、M.T.W。资源:G.J.B,写作-初稿:M.E.L(机械工程师),写作-审查和编辑:M.E.L、D.J-M、H.Z、E.A.A、M.T.W,可视化:M.E.L、D.J-M.、D.A.、。,监督:E.A.A、M.T.W。*通信对象:Matthew T Wheeler医学博士,斯坦福大学医学院心血管医学部,FCRC,870 Quarry Road,CV277,Stanford,CA 94305-5406,电话:650-725-5921,传真:650-725-1599,ude.drofnats@mreleehw,Malene E Lindholm博士,斯坦福大学医学院心血管医学部,FCRC,870 Quarry Road,CV107,Stanford,CA 94305-5406,电话:650-725-5921,传真:650-725.1599,ude.drofnats@lenelam 摘要
背景:
α-肌动蛋白2(ACTN2)在心肌肌节内锚定肌动蛋白。链接的机制行动2心肌疾病表型的突变尚不清楚。在这里,我们用新的行动2突变以揭示ACTN2的生理功能。
方法:
携带ACTN2蛋白运行变体的患者通过自定义突变管道进行鉴定。在患者衍生的iPSC-心肌细胞中,我们使用RNA测序、基于视频的边缘检测的收缩特性和使用免疫组织化学的细胞肥大来研究转录谱。通过电子显微镜分析结构变化。在机理研究中,我们使用联合免疫沉淀法检测ACTN2,然后用质谱法研究蛋白质之间的相互作用,用共焦显微镜观察蛋白质标记法研究截短的ACTN2进入肌节的情况。
结果:
患者源性iPSC-心肌细胞肥大,显示肌群结构紊乱,收缩力受损,钙异常2+-发出信号。在杂合子indel细胞中,截短的蛋白并入心脏肌节,导致Z盘超微结构异常。在纯合的停搏细胞中,亲和纯化质谱显示ACTN2与肌节和肌膜相关蛋白之间存在复杂的相互作用组。ACTN2的C末端缺失会破坏与ACTN1和GJA1这两种与肌膜相关的蛋白的相互作用,这可能导致临床心律失常和松弛缺陷。使用CRISPR-Cas9基因编辑验证了停止增益突变的因果关系。
结论:
总之,这些数据促进了我们对ACTN2在人类心脏中的作用的理解,并建立了ACTN2的隐性遗传行动2截断是疾病的病因。
关键词:心肌病,肥大,基础科学研究,心肌生物学,收缩功能,肌动蛋白心肌病
介绍
遗传性心肌病和心律失常综合征是心脏移植的常见指征,也是儿童和青少年心脏性猝死的主要原因。对非典型表现的家族进行临床基因检测通常会使临床医生和家族的变异具有不确定的意义。越来越多的证据表明,早发性心肌病的遗传病因多种多样,包括扩张型、肥厚型、限制性和致心律失常型心肌病,这是由于肌节和肌膜基因突变所致。1,2
α-肌动蛋白2(行动2)是一种完整的肌聚蛋白,已知其可交联心肌和骨骼肌细胞肌聚体Z盘中的肌聚肌动蛋白和肌动蛋白丝。主要在心肌和骨骼肌中表达三,4,其中它形成一个反平行的同型二聚体,具有一个N端肌动蛋白结合域和一个包含类钙调蛋白和EF-hand(螺旋-环-螺旋)域的C端肌动素结合区。5先前的机制研究表明ACTN2具有多种功能,包括肌节内蛋白质的锚定6–9、离子通道的调节10,11以及通过增强核受体的反式激活活性间接控制横纹肌基因表达。12中的错义变体行动22003年首次在扩张型心肌病(DCM)患者中发现。13自那时以来,更多的研究报告称行动2与扩张型和肥厚型心肌病(HCM)共同分离。14–18调节元件的常见遗传变异行动2最近,这种表达与射血分数降低的心力衰竭相关。19尽管进行了这些关联研究,但只有有限的证据表明行动2作为心肌病的致病基因。20,21此外,很少有研究发现在行动2没有明显的遗传关联证据22–24截断变异与心脏病表现的关系尚未建立。
迄今为止,只有常染色体显性遗传行动2已经描述了与横纹肌疾病相关的变异,关于如何行动2突变导致疾病。在此,我们展示了结构异常的ACTN2如何通过不同的机制导致心脏病。我们将这些导致ACTN2蛋白截短的基因变异描述为杂合状态下具有显著心律失常表型的心肌病的病因,以及纯合状态下进行性严重限制性心肌病(RCM)的病因。此外,我们成功的建模行动2使用hiPSC-CM的遗传病为确定靶向治疗提供了一个机会,尤其是针对这一年轻患者群体。
结果
ACTN2中的蛋白调节变体引起不同的心脏症状
为了探讨ACTN2的结构变异是否是早发性心肌病的病因,我们在斯坦福大学遗传性心血管病中心数据库中确定了罕见或新发的患者行动2变体。第一名患者在ACTN2、,p.Gln860Stop(Q860X),在gnomAD中不存在(https://gnomad.broadinstitute.org/). 该患者在婴儿期出现呼吸急促和射血分数降低的症状(家系出现于). 16岁时的诊断性心内膜心肌活检显示非特异性肥大和细间质纤维化,但无肌原纤维丢失(,图一在中数据补充). 患者在20多岁时出现进展性心力衰竭症状和心房颤动发作,超声心动图(ECG)显示严重双心室扩大、中度双心室功能障碍和舒张功能障碍(); 右心导管插入术显示RCM与心室充盈压力相等。她23岁时接受了原位心脏移植。移植心室心肌组织切片显示轻度肥厚和严重间质纤维化(). 验证已识别的序列行动2我们从移植的左心室(LV)、右心室(RV)和同期肋间骨骼肌活检中分离出蛋白质,截断并研究可能的非传感介导的衰变。与健康对照个体相比,患者心脏组织中ACTN2的蛋白水平正常,数据证实基于序列的预测大小减少约4kDa(). 我们通过RNA测序进一步确定了患者左心室组织的特征(图二,数据集I). 基因集富集分析(GSEA)显示细胞外基质重塑、胶原生物合成和mRNA剪接基因集富集(图二,数据集II). 排名靠前的基因包括胶原蛋白(例如COL1A1,COL1A2,和COL4A1系列)纤维连接蛋白和转化生长因子β已被证明参与病理性心肌细胞肥大和纤维化。25这些发现高度表明观察到的纤维化。病理性心肌细胞肥大和心肌病的常见标志物,例如NPPA和NPPB公司,也升高了。尽管患者和对照组ACTN2蛋白水平相似,但患者ACTN2转录水平较高(,请参阅图三用于qRT-PCR验证)。为了评估ACTN2在扩张型心肌病和心力衰竭中的差异表达,我们比较了来自MAGNet联合体的25名健康人、24名扩张型心病患者和21名缺血性心脏病患者的左室ACTN2表达水平。26在这些样本中未观察到ACTN2表达的差异(图四).
蛋白质调节的α-肌动蛋白2变异体可引起多种心脏症状。A) ACTN2 C末端截短纯合子患者的系谱(Q860X,先证者用箭头表示)。B) ACTN2(Del)中一个大indel家族杂合子的系谱。探针(Del 1)用黑色箭头指示。Proband的父亲(Del 2)也携带突变,用灰色箭头表示。具有+的个体已经证实ACTN2缺失,而-表示ACTN2的两个完整拷贝。没有迹象的人还没有进行基因测试。C) Del 1的心电图记录显示T波倒置。D) Sanger测序显示,在Del家族中除了外显子8-10缺失外,还插入了一个41 bp的内含子序列,产生了一个下段indel。E) ACTN2的3D结构中显示的蛋白质水平截断变体显示为功能性反平行二聚体。Q860X缺失的C末端区域显示为蓝色,外显子8-10缺失显示为紫色。F) Q860X经胸超声心动图显示限制性心肌病。G) 16岁时进行的心内膜心肌活检(上图)和23岁时移植的LV组织(下图)的三色染色显示心肌病的粗细间质纤维化。H) 心脏组织中ACTN2蛋白表达的Western blot分析表明,ACTN2没有非传感介导的衰变,并证实了预测的蛋白大小减少4kDa。一) Q860X患者左心室(LV,n=1)与健康人对照左心室组织(n=3人)的RNA序列分析显示,已知肥大标记物的表达升高(NPPA公司和NPPB公司)和ACTN2本身。数据显示为FPKM(每百万映射读取的每千字节转录片段数)中的折叠差异(FD)。条形图显示3个对照心脏的标准化平均值为1±SEM,Q860X的单个FD值。将Q860X与Ctrls进行比较时,每个基因的Z评分为:NPPA 1.49、NPPB 1.97、MYH7 1.50、MYH 6−1.88、ACTN2 1.99。
第二名先证者(Del 1)16岁时出现劳力性晕厥发作(个体IV-3). 心电图显示T波倒置和复极异常(). 临床小组基因检测在行动2第8外显子到第10外显子中,(NC_ 000001.10:g.236898807_236903093del)被归类为具有未知意义的变体。综合家族史显示了多种心脏症状,包括两例早期心脏性猝死、室性心律失常、心房颤动、左心室未致密化和症状性心力衰竭。1的后续临床筛查和单基因座检测标准受影响个体的亲属确定了另外六名家庭成员,他们的心电图表现为心室传导延迟、房性心律失常、LV非致密性心肌病和/或与早发心力衰竭症状一致(表一在中数据补充)每个人都有行动2变体。先证者的父亲也提供了样本,其心电图、心房颤动和非持续性室性心动过速(Del 2,个体III-2). 使用Sanger测序验证了家族2中的缺失,除此之外,还从ACTN2内含子10的中心区域鉴定了一个41 bp的内含子插入(). 与全长894个ACTN2相比,生成的框架内indel将转化为771个氨基酸的内部截断蛋白质。在ACTN2的结构模型中,缺失区域以紫色显示,显示为二聚体().
基因变异行动2罕见,且该基因对功能丧失变异不耐受(pLI评分为1.0)。去除同义变体后,GnomAD中独特外显子变体的数量为506个(搜索:2020年11月12日)。每个外显子的变异分布如所示图五在中数据补充.临床变量(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/clinvar网站/)报告了14种致病性和可能致病性变体行动2(检索:2021年3月24日):8个错义、1个剪接受体和3个无义变异体,包括本研究中第一个患者的变异体以及390个临床实验室报告的具有不确定意义的变异物。
患者来源的hiPSC心肌细胞显示代谢基因表达升高
为了对截短的ACTN2蛋白引起的疾病进行功能建模,我们使用了分化为心肌细胞的患者衍生和健康的hiPSC(hiPSC-CM)。通过免疫荧光染色四个多能性标记以及所有患者hiPSC株系和主要健康对照株系胚状体形成后三个胚层的标记,确认hiPSC系的多能性(图六). 存在行动2通过Sanger测序证实了变异(和图七在中数据补充). 我们还调查了两个行动2最近与心力衰竭相关的增强子变体19,所有hiPSC线路都带有参考变量(图七). 通过对两个对照系和Q860X系进行核型分析,进一步验证了基因组的完整性(数据未显示)。我们首先对三个患者hiPSC-CM和两个不同的对照hiPSC-CMs进行RNA测序。分析的基本特征如所示图八在中数据补充,并且完整的数据集可用(数据集III–四、). 的表达式行动2在Q860X(logFC 0.8)和杂合子患者(logFC 1.14)中均稍高。有趣的是,在所有患者中,升高幅度最大的基因是MYL2(马来西亚林吉特)(Q860X:logFC 5.23,Del:logFC 4.90),编码关键收缩蛋白肌球蛋白轻链2。我们进行了GSEA以调查疾病中受影响的一般途径。下面列出了每种比较中阳性和阴性浓缩的前五种非冗余途径数据集V(请参见数据集VI–七、获取路径的完整列表)。这两种遗传条件之间有多种共同途径(图八在中数据补充). 值得注意的是,代谢途径的诱导是一个常见特征,呼吸电子传输和糖异生是前五大富集途径。在Q860X中,受体型酪氨酸蛋白磷酸酶是顶部下调的途径。在杂合子indel患者中,许多与细胞外基质组织和胶原形成相关的结构基因的表达水平较低。
为了验证病理学不是由于ACTN2水平降低所致,使用Western Blot对蛋白表达进行了研究。没有证据表明Q860X导致异常蛋白的蛋白水解或ER介导的降解;蛋白质水平与对照组相似。有趣的是,我们发现外显子8–10 indel等位基因也产生蛋白质产物(–)尽管与全长蛋白质相比含量较低。RNA测序数据同样表明,与全长转录物相关,Del 1和Del 2中的相对表达分别为20%和30%的截短转录物存在有限的无义介导的衰变(图九在中数据补充).
ACTN2截短导致收缩功能障碍。A-B)Western blot分析表明,来自Q860X、Del 1和Del 2的hiPSC-CMs表达ACTN2。Del 1和Del 2表达全长蛋白(完整)和截短的蛋白产物(Del 1 trunc,Del 2 trunc),尽管与全长蛋白相比水平较低。N=4条对照线(Ctrls),N=2个不同的鉴别批次用于Q860X和Del1,N=1个批次用于Del 2。C-F)通过IonOptix系统使用基于视频的边缘检测对自发跳动的单细胞hiPSC-CM进行收缩性分析。(Ctrl 1=对照系A,N=12个细胞,Q860X=ACTN2 C末端截短患者,N=12cells,Del 1=杂合indel先证者,N=6个细胞,Del 2=先证者的父亲,ACTN2中也有杂合indelN,N=12个细胞,cr_Q860X=去除ACTN2的C末端片段的对照系(A),N=20个细胞,Ctrl=等基因对照系(A)与cr_Q860X在同一批中进行区分和运行,N=19个细胞)。G) 收缩性分析的代表性痕迹。H-J)钙2+-起搏单细胞hiPSC-CM的处理分析(Ctrl A批次1 N=17,Q860X N=19,Del 1 N=10,Del 2 N=14)。细胞负载比例钙2+通过IonOptix系统使用基于视频的边缘检测进行探测和分析。所有细胞均以1Hz测速。∆F/F如(H)所示,基线瞬态如(I)所示。收缩力和钙2+-处理分析,细胞培养在10kPa的微模式上,以获得更成熟的细长形状。条形图显示平均值±SEM。*表示在P(P)使用单因素方差分析和Dunnett的多重比较检验,<0.05。J) 通过背景减法归一化每行所有测量单元格的平均记录道。
ACTN2截短导致收缩功能障碍
接下来,我们评估了截短的ACTN2蛋白的功能含义。我们利用基于视频的边缘检测来测量单个hiPSC-CM的收缩功能。所有患者的收缩速度均显著降低,松弛速度无差异(–). 收缩频率没有差异()或振幅()测量每次收缩时细胞缩短的程度。收缩性分析的代表性痕迹如所示为了证实C末端截断(Q860X)是导致疾病的变体,我们使用CRISPR-Cas9将截断引入健康的hiPSC,以研究这是否会重现疾病表型。两种不同的导向RNA与Cas9一起被引入,以切断两个拷贝的C末端区域行动2测序和基于凝胶的大小验证用于确认成功的基因编辑(参见补充方法和图X在中数据补充详细信息)。在分化为hiPSC-CM后,对CRISPR:ed对照品系进行单细胞收缩性分析,该对照品系与同基因健康对照品系相比,反映了疾病品系(cr_Q860X,其中C末端截断已引入健康hiPSC品系)。虽然收缩速度没有显著降低,但与Q860X的观察结果相似(p=0.058)(). 松弛速度的差异()和收缩幅度()对于cr_Q860X也与Q860X相似。
其次,因为细胞钙2+处理是心肌细胞收缩功能的关键,我们研究了ACTN2结构异常是否改变了这一功能。我们用比例钙装载了活的hiPSC-CM2+-结合荧光探针和钙2+使用IonOptix系统对信号进行评估。有趣的是,杂合子indel(Del 1和Del 2)患者的细胞内Ca均较高2+信号传递(ΔF/F)与对照组相比,而纯合子截断患者(Q860X)没有任何影响(–). 这表明,对于杂合子家族来说,收缩功能障碍处于肌聚水平,其中钙升高2+信号传递无法弥补低收缩性。基线钙无差异2+水平().
ACTN2功能障碍导致心肌细胞肥大
针对患者的肥厚表型,我们继续分析hiPSC-CM中的细胞大小。单个hiPSC-CM被固定,并用肌动蛋白探针和ACTN2作为心肌细胞特异性标记物进行荧光共标记。成像后,追踪并分析细胞边缘,所有人都不知道疾病状态。每个患者线和健康对照线的图案细胞图像如所示也证明了ACTN2在患者行肌节中的成功结合。与健康对照细胞相比,患者细胞肥大()CRISPR:ed线(cr_Q860X,图十一在中数据补充). 为了进一步确定ACTN2功能受损对肥厚表型发展的影响,我们在NRVMs中使用了敲除方法,用抗ACTN2的siRNA处理的细胞显示出明显的肥大,而对照细胞则表现出过度肥大(图十一).
患者特异性hiPSC-CM是肥大性的,表现为肉瘤结构紊乱。A) 每个品系的代表性hiPSC-CM培养在10 kPa的微模式上,以获得更成熟、细长的形状。ACTN2显示为紫色,肌动蛋白显示为绿松石色,细胞核显示为蓝色(Dapi)。B) 单细胞hiPSC-CM的细胞大小。Ctrls代表来自3个不同健康人的hiPSC-CM,N=399个细胞总数。Q860X N=356个单元格,Del 1=379个单元格和Del 2=226个单元格。C) 对照hiPSC-CM、Q860X和Del 1在两种不同放大倍数(6000X和10000X)下的典型透射电子显微镜图像。D-F)电子显微镜图像的定量分析。对来自两个不同健康人的hiPSC-CM进行成像,以与患者iPSC-CMs D的肌角蛋白长度(Ctrls N=18,Q860X N=7,Del 1 N=10)进行比较。E) Z盘厚度(Ctrls N=24,Q860X N=9,Del 1 N=11)。F) I带厚度(Ctrls N=24,Q860X N=8,Del 1 N=10)。条形图显示平均值±SEMP(P)<0.01用#表示,atP(P)<0.0001 by##.*表明与对照组相比存在显著差异P(P)<0.001,使用Dunnett的多重比较测试。G) 用携带FLAG标记的ACTN2_del版本的载体转染的细胞的代表性共焦图像。图像分为FLAG标记的ACTN2_del(左上)、肌动蛋白(左下)、细胞核的Dapi(右上),以及ACTN2_del的合并图像,显示为紫色,肌动蛋白为绿松石色,细胞核为灰色(右下)。底部显示了一个较大的部分,用紫色突出显示了FLAG-tagged ACTN2。白色箭头指向携带吲哚的FLAG标记蛋白被并入hiPSC-CM肌节的例子。
ACTN2中杂合子indel导致肉瘤结构紊乱
杂合子家族中截短蛋白的表达导致我们研究心肌细胞的肌群结构。hiPSC-CM患者的透射电镜(TEM)显示肌节严重结构紊乱(). 与健康对照hiPSC-CM相比,肌节有点拉长,Z盘更大,I带更厚(–). Z盘也显示出锯齿状形状。在一名杂合子患者的骨骼肌中观察到了类似的结构异常,该杂合子的第18外显子中存在错义变异体行动2,这与严重的肌病有关。27中的C端子截断行动2没有引起任何明显的结构异常,只观察到Z盘厚度增加().
杂合子indel的巨大结构后果行动2结合截短转录物的成功翻译,我们假设indel的致病作用是由于截短蛋白产物并入Z盘。为了测试这一点,我们在健康对照的hiPSC CMs中使用pCMV载体转染了携带indel的FLAG标记的ACTN2基因(图三在中数据补充). 用抗FLAG抗体染色的hiPSC-CM的共焦成像显示携带大吲哚的蛋白质并入了肌节(,图十二在中数据补充),表明了行动2indel,与家族史一致。
ACTN2的C端截断中断了与ACTN1和GJA1的相互作用
正常钙2+Q860X hiPSC-CM中的信号和肌节结构不能解释致病性收缩功能障碍。由于患者是C末端截短的纯合子,我们假设缺乏C末端相互作用可以解释致病表型。为了研究ACTN2相互作用组,我们使用经免疫沉淀试验的ACTN2单克隆抗体进行了联合免疫沉淀(co-IP),并通过Western blot证实其与截短蛋白结合。随后对纯化的蛋白质复合物进行LC-MS/MS(液相色谱-串联质谱法)(). 使用IgG下拉来控制非特异性结合。
心肌细胞ACTN2相互作用组识别与ACTN1相互作用所必需的C末端区域。A) 联合免疫沉淀的实验装置,然后进行质谱测定。IgG下拉作为阴性对照。B) 质谱分析在绿松石中的所有hiPSC-CM中确定了一个共同的ACTN2相互作用组(iLogFD>2,iPvalue<0.05,在两种条件下,至少有3个肽用于分析,参见补充方法和数据集IX详细信息)。不同条件下显著不同且仅在WT(n=3)中识别的蛋白质显示为深绿色,而在Q860X(n=3)中唯一识别的蛋白质则显示为深蓝色。C) 与Q860X相比,使用ACTN1抗体进行共免疫沉淀ACTN2,然后进行Western blot,结果显示仅在WT细胞中发生相互作用,这与Co-IP质谱数据一致。D) 与cr_Q860X相比,联合免疫沉淀ACTN2,然后使用ACTN1抗体进行Western blot,仅在WT细胞中显示相互作用。E) 与健康对照个体相比,Q860X移植心脏LV和RV中ACTN1的表达。点图显示了来自Western Blot的单个数量。面板E中的对照LV显示了两个对照个体的平均值±SEM。
ACTN2的相互作用体以前没有在心肌细胞中或使用AP-MS进行过研究,而通过细胞系的共分离鉴定出了多种相互作用体28和酵母双杂交筛29以及一些在其他类型细胞中进行的特定低通量亲和纯化实验。30,31在人类iPSC-CM中,我们发现了多种新的相互作用物,主要与细胞膜有关。在健康WT细胞和患者Q860X细胞中,几个与通过氯氰菊酯涂层凹坑内吞有关的蛋白质被显著降低(,数据集VIII–九、). 这表明ACTN2在心肌细胞膜中发挥作用,并且具有比目前已知的更复杂的调节作用。用洗涤剂和超速离心从hiPSC CMs中提取膜蛋白,在膜部分中显示出丰富的ACTN2水平(图十三在中数据补充). 其他研究表明,ACTN2是Ca的适当膜定位所必需的2+-激活的K+-通道10,并显示了与膜相关蛋白的相互作用,例如Kv1.5通道30和Nav(v)1.5通道32虽然ACTN2本身如预期的那样显著降低,但由于这些蛋白质的大小和丰度,其他大型结构蛋白或其相互作用物在降低实验中很少达到显著水平。Titin(TTN)、Actin(ACTC1)、Palladin(PALLD)、Synaptopodin(SYNPO2)和Myozenin(MYOZ2)都是高丰度的肉瘤蛋白,是已知的ACTN2相互作用物9但在本次分析中没有达到显著性。质谱测定的强度值不是定量的,但ACTN2下拉和IgG对照之间的相对差异表明ACTN2的下拉水平较高(图十三,数据集VIII).
在对照hiPSC-CM中与ACTN2相互作用的两个蛋白质GJA1和ACTN1在C末端截断的ACTN2的下拉中未被识别。GJA1或连接蛋白43是心肌中的主要连接蛋白。它是一种对心脏电传导很重要的间隙连接蛋白。连接蛋白43在肌膜中的亚细胞位置再次表明ACTN2在膜中的重要作用。之前没有证据表明ACTN2和GJA1之间存在相互作用。ACTN1是一种广泛表达的非肌肉α-肌动蛋白。它已被证明与其他非肌肉α-肌动蛋白ACTN4异二聚体化。33以前没有亲和纯化实验显示ACTN1和ACTN2之间的相互作用,以前的相互作用数据来自高通量筛选。28,29RNA测序数据显示,在相互作用组中鉴定的大多数蛋白质的表达水平相似,包括ACTN1和GJA1,这支持这不是表达差异的影响。仅限ITLN1公司(整合素1)表达差异(Q860X较低,图十三在中数据补充).
为了证实这些发现,我们对ACTN1和GJA1重复了co-IP和Western Blot。仅在对照hiPSC-CM中发现ACTN1,在Q860X中没有可见的下拉()与质谱数据一致。cr_Q860X中的ACTN2下拉显示,随着C末端截断的引入,相互作用同样减少(). 有趣的是,我们在Q860X和cr_Q860X的未结合部分中观察到较高水平的ACTN1。因此,我们分析了患者心脏组织中的ACTN1水平,发现左心室和右心室中的ACTN1水平都升高()是对ACTN2功能失调相互作用的潜在补偿反应。这也可能是观察到的病理生理学的指示,因为在衰竭心脏的心肌中观察到ACTN1蛋白水平升高。34尽管患者体内ACTN1水平升高,但观察到与ACTN2缺乏相互作用。对于GJA1,我们无法通过Co-IP和Western Blot确认相互作用。为了进一步研究ACTN1-ACTN2和GJA1-ACTN1相互作用,我们在hiPSC-CM中使用双标记免疫荧光,然后进行共焦显微镜成像。结果显示GJA1和ACTN1与ACTN2显著共定位(图十四在中数据补充). 因此,我们已经证明了一些证据支持心肌细胞中ACTN2和ACTN1以及ACTN2与GJA1之间的相互作用。在该分析中,WT和Q860X之间的两种蛋白质的共定位没有差异。
讨论
我们展示了蛋白质运行变体如何行动2在杂合子状态下导致具有显著心律失常表型的心肌病,在纯合状态下导致进行性严重限制性心肌病。通过深入的细胞表型和功能分析,我们证明了这些截断变体如何导致疾病的合理机制,并通过基因编辑验证了因果性质。此外,我们的结果定义了人类iPSC-derived心肌病细胞中ACTN2的蛋白-蛋白质相互作用网络,表明新的信号通路在心肌病发病机制中的重要性行动2-突变相关的心肌病。
ACTN2是骨骼肌和心肌肌节中高度保守的整体蛋白。4ACTN2的高分辨率三维结构最近被揭示。5在果蝇属,缺少行动2是致命的35,并且它是Z盘状致密体在秀丽线虫.36在斑马鱼模型中行动2导致严重的心脏、骨骼肌和眼部缺陷。骨骼肌表现包括纤维紊乱、肌肉无力和全身静止。心脏表达行动2在心脏发生的第一阶段,心房和心室中都已观察到。突变鱼心脏增大、扩张,Z盘厚度增加37与我们患者的观察结果相似。重要的是,这种致病表型不能通过行动3尽管这两种亚型在结构上高度相似。在这里描述的患者中,ACTN2特定区域的缺乏同样会导致心脏病和轻度骨骼肌表现。
蛋白质功能结构域的研究通常需要蛋白质工程。在这里,我们利用自然实验来研究ACTN2中两个结构域的功能。在杂合状态下,我们证明了携带大indel的等位基因的转录物成功翻译,并将其并入心肌细胞肌节。观察到的结构变化的程度,随着Z盘的增大,可能导致收缩性能的改变,其中Ca升高2+信号传导是细胞补偿收缩功能障碍的一种方式。这就确立了蛋白质运行行动2变异体可对心肌病和心律失常产生显性负作用。
已证明可导致心脏病的肉瘤基因中的大多数遗传变异是杂合的。我们的数据显示行动2通过隐性模型导致疾病。行动2pLi得分为1;对功能丧失变异的完全不耐受。然而,这项研究描述了一名女性纯合子在行动2这是一例极为罕见的人类C末端敲除病例。这位患者使我们不仅可以研究这种突变的致病作用,还可以研究行动2以及缺乏C末端区域如何干扰ACTN2在心肌细胞中的生理作用。患者发展为早发RCM,并进展至终末期心力衰竭。与限制性表型相关的基因也与HCM和DCM相关,许多描述的家族都有每种心肌病亚型的成员。示例包括MYBPC3型,TNNI3公司,TNNT2公司,ACTC公司和2007年5月只有一项先前的研究将杂合状态(p.N175Y)中可能的致病性变体与行动2使用RCM。38我们的研究首次证明了行动2通过隐性遗传方式导致RCM。
这项研究有几个局限性。虽然我们证明了C末端截短的ACTN2缺乏与GJA1和ACTN1的相互作用,但我们还没有直接证明这一点的功能后果,或者这是致病性的直接原因。当通过基因编辑删除ACTN2的C末端区域时,确认了细胞功能障碍,这表明了变异的因果性质,而最佳的确认是纠正患者细胞中的纯合子突变。此外,没有对杂合子indel进行基因校正。
了解心肌病的潜在遗传原因对诊断和筛选未受影响的家庭成员具有重要意义,建立疾病发病机制的机制对于开发靶向治疗至关重要。肉瘤基因中的多种遗传变异已被证实可导致不同形式的心肌病,例如MYH7,MYBPC3型,TTN公司和LMNA公司最近有几篇论文表明,只有一组核心基因,不包括行动2是心肌病的病因。21,39然而,有越来越多的出版物在行动2患有心肌病14–18,40以及行动2这最近与心力衰竭有关。19我们认为,之前的关联,以及这里提出的两种蛋白运行变体(一种显性阴性,一种隐性)如何导致具有不同病理表现的心脏病的证据,支持将行动2作为人类心肌病的致病基因。此外,我们成功的建模行动2使用hiPSC-CM的遗传病为确定更具针对性的治疗方法和测试不同药物直接对肌病细胞的潜在缓解作用提供了机会。
致谢
我们感谢Alex Dainis博士提供对照hiPS细胞早期分化的RNA,感谢斯坦福大学文森特·科茨基金会质谱实验室的Kratika Singhal和Ryan Lieb获取LC-MS/MS数据。
资金来源
这项研究的部分支持来自:;Knut和Alice Wallenberg基金会(M.E.L)、美国国立卫生研究院(E.A.A)的R01HL105993以及美国国家研究资源中心(NCRR)的ARRA奖编号1S10RR026780–01。其内容仅由作者负责,不一定代表NCRR或国家卫生研究院的官方观点。
非标准缩略语和缩写
hiPSC-CM公司 | 人诱导多能干细胞源心肌细胞 |
自然资源管理 | 新生大鼠心室肌细胞 |
GSEA公司 | 基因集富集分析 |
透射电镜 | 透射电子显微镜 |
液相色谱-质谱/质谱 | 液相色谱串联质谱法 |
AP-MS公司 | 亲和纯化质谱法 |
免疫共沉淀 | 免疫共沉淀 |
FPKM公司 | 每百万映射读取的成绩单千基片段数 |
脚注
披露
E.A.A.是Personalis and DeepCell,Inc的创始人,也是SequenceBio和Genome Medical的顾问。CC是GeneMatters的员工。M.T.W.对Personalis拥有所有权权益。其他作者声明没有相互竞争的利益。
工具书类
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