Regional ion channel gene expression heterogeneity and ventricular fibrillation dynamics in human hearts

RATIONALE: Structural differences between ventricular regions may not be the sole determinant of local ventricular fibrillation (VF) dynamics and molecular remodeling may play a role. OBJECTIVES: To define regional ion channel expression in myopathic hearts compared to normal hearts, and correlate expression to regional VF dynamics. METHODS AND RESULTS: High throughput real-time RT-PCR was used to quantify the expression patterns of 84 ion-channel, calcium cycling, connexin and related gene transcripts from sites in the LV, septum, and RV in 8 patients undergoing transplantation. An additional eight non-diseased donor human hearts served as controls. To relate local ion channel expression change to VF dynamics localized VF mapping was performed on the explanted myopathic hearts right adjacent to sampled regions. Compared to non-diseased ventricles, significant differences (p<0.05) were identified in the expression of 23 genes in the myopathic LV and 32 genes in the myopathic RV. Within the myopathic hearts significant regional (LV vs septum vs RV) expression differences were observed for 13 subunits: Nav1.1, Cx43, Ca3.1, Cavalpha2delta2, Cavbeta2, HCN2, Na/K ATPase-1, CASQ1, CASQ2, RYR2, Kir2.3, Kir3.4, SUR2 (p<0.05). In a subset of genes we demonstrated differences in protein expression between control and myopathic hearts, which were concordant with the mRNA expression profiles for these genes. Variability in the expression of Cx43, hERG, Na(+)/K(+) ATPase ss1 and Kir2.1 correlated to variability in local VF dynamics (p<0.001). To better understand the contribution of multiple ion channel changes on VF frequency, simulations of a human myocyte model were conducted. These simulations demonstrated the complex nature by which VF dynamics are regulated when multi-channel changes are occurring simultaneously, compared to known linear relationships. CONCLUSIONS: Ion channel expression profile in myopathic human hearts is significantly altered compared to normal hearts. Multi-channel ion changes influence VF dynamic in a complex manner not predicted by known single channel linear relationships

Variable Nav1.5 Protein Expression from the Wild-Type Allele Correlates with the Penetrance of Cardiac Conduction Disease in the Scn5a+/− Mouse Model

BACKGROUND: Loss-of-function mutations in SCN5A, the gene encoding Na(v)1.5 Na+ channel, are associated with inherited cardiac conduction defects and Brugada syndrome, which both exhibit variable phenotypic penetrance of conduction defects. We investigated the mechanisms of this heterogeneity in a mouse model with heterozygous targeted disruption of Scn5a (Scn5a(+/-) mice) and compared our results to those obtained in patients with loss-of-function mutations in SCN5A. METHODOLOGY/PRINCIPAL FINDINGS: Based on ECG, 10-week-old Scn5a(+/-) mice were divided into 2 subgroups, one displaying severe ventricular conduction defects (QRS interval>18 ms) and one a mild phenotype (QRS53 weeks), ajmaline effect was larger in the severely affected subgroup. These data matched the clinical observations on patients with SCN5A loss-of-function mutations with either severe or mild conduction defects. Ventricular tachycardia developed in 5/10 old severely affected Scn5a(+/-) mice but not in mildly affected ones. Correspondingly, symptomatic SCN5A-mutated Brugada patients had more severe conduction defects than asymptomatic patients. Old severely affected Scn5a(+/-) mice but not mildly affected ones showed extensive cardiac fibrosis. Mildly affected Scn5a(+/-) mice had similar Na(v)1.5 mRNA but higher Na(v)1.5 protein expression, and moderately larger I(Na) current than severely affected Scn5a(+/-) mice. As a consequence, action potential upstroke velocity was more decreased in severely affected Scn5a(+/-) mice than in mildly affected ones. CONCLUSIONS: Scn5a(+/-) mice show similar phenotypic heterogeneity as SCN5A-mutated patients. In Scn5a(+/-) mice, phenotype severity correlates with wild-type Na(v)1.5 protein expression

Plasticité et remodelage électriques cardiaques (rôle de la régulation transcriptionnelle des canaux ioniques)

Les approches de génomique ont montré que les cellules cardiaques sont capables d'adapter leurs propriétés électrophysiologiques à des contraintes externes physiologiques ou pathologiques, en modifiant l'expression transcriptionnelle de réseaux de sous-unités des canaux ioniques. Ces modifications sont généralement cohérentes avec les propriétés électrophysiologiques des cellules cardiaques. Cependant, les mécanismes fondamentaux impliqués dans cette régulation transcriptionnelle sont peu connus. Notre approche de biologie intégrée autorise aujourd hui un abord global de cette question. Au cours de ma thèse, j ai utilisé des outils de génomique et de bioinformatique afin d identifier les facteurs de transcription impliqués dans la régulation des canaux ioniques. J ai d une part corrélé la distribution des transcrits des facteurs de transcription et des canaux dans différentes régions du cœur murin et humain sains. D autre part, j ai analysé l expression des facteurs de transcription associée au remodelage ionique et à la survenue d arythmies ventriculaires précoces dans un modèle murin de bloc auriculo-ventriculaire complet. Après analyse bioinformatique, j'ai pu proposer des facteurs de transcription candidats à la régulation de l expression de canaux ioniques essentiels à la fonction électrique cardiaque dans des conditions physiologique et pathologique. Les perspectives de ce travail sont de valider biologiquement les relations entre ces facteurs de transcription et ces canaux ioniques ainsi que de déterminer quels sont les mécanismes de rétrocontrôle qui existent entre le phénotype électrophysiologique des cellules cardiaques et leur machinerie de transcription.Genomic approaches have shown that the cardiac cells adapt their electrophysiological properties to physiological or pathological situations by modifying gene expression levels of networks of the ionic channels sub-units. These modifications are generally consistent with the electrophysiological properties of the cardiac cells. However, the fundamental mechanisms implicated in this transcriptional regulation are not much known. Today, our integrative approach allows investigating this question in a global way. During my thesis, I used genomic and bioinformatic tools to identify the transcription factors implicated in the regulation of the ionic channels. First, the distribution of transcription factor and ion channel gene expression was correlated in different regions of the mouse and human heart. Secondly, transcription factor genes expressions associated with ionic remodeling and early ventricular arrhythmias in a murin model of complete atrioventricular block were analyzed. Further to bioinformatic analysis, I could propose transcription factors candidates for the channel regulation essential in cardiac electrical function in physiological and pathological conditions. The perspectives of this job are to validate relations between the transcription factors and the ionic channels as well as to determine what are the feed-back mechanisms between the electrophysiological phenotype of the cardiac cells and their transcription machinery.NANTES-BU Médecine pharmacie (441092101) / SudocSudocFranceF

Génomique fonctionnelle des canaux ioniques cardiaques

La génomique fonctionnelle des canaux ioniques cardiaques consiste en l'étude de l'expression des gènes codant pour les sous-unités des canaux ioniques dans diverses situations physiologiques ou pathologiques ainsi que de sa corrélation avec l'activité électrique cardiaque. La première étude de ce travail a défini les déterminants moléculaires responsables de la spécialisation de l'activité électrique des différentes régions du coeur murin adulte dans des conditions normales. La caractérisation de l'expression des gènes codant pour des facteurs de transcription dans ces mêmes régions a fourni par ailleurs des éléments majeurs pour la compréhension de cette compartimentation. L'adaptation de l'expression de ces gènes en réponse à diverses situations expérimentales, ou autrement dit le remodelage moléculaire, a ensuite été évaluée dans différents modèles d'étude. Une étude gène-fonction chez les souris SCN5A+/- a d'une part mis en évidence l'expression différentielle de deux facteurs de transcription potentiellement clefs dans le remodelage associé à la détérioration avec l'âge des anomalies de conduction intra-ventriculaire. Deux études pharmacogénomiques de l'amiodarone et de l'ivabradine ont d'autre part montré le rôle potentiel du remodelage ionique en tant qu'acteur thérapeutique.Functional genomics of cardiac ion channel genes consist in the study of ion channel gene expression and modulation in relation to various physiological and pathological conditions and its link with cardiac electrical activity. In an initial study, the distribution of ion channel gene expression in different regions of the normal adult mouse heart was evaluated. The regional distribution of transcription factor genes was then completed in the same regions to gain further insight into the molecular mechanisms regulating regional specialization in electrical function. Gene expression adaptation or remodelling as induced by various conditions was also the aim of several investigations. A gene to function study in SCN5A+/- mice first showed the differential expression of two transcription factor genes in relation with the myocardial remodelling associated with the age-related progressive deterioration of ventricular conduction defects. Pharmacogenomic investigations of amiodarone and ivabradine then suggested the ionic remodelling as a possible pharmacological action of drug.NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocSudocFranceF

Remodelage de l'expression des canaux ioniques cardiaques (rôle dans le phénotype électrophysiologique )

Les approches gène à gène ont montré que les cellules cardiaques sont capables d'adapter leurs propriétés électrophysiologiques à des contraintes externes physiologiques ou pathologiques, en modifiant l'expression transcriptionnelle de leurs canaux ioniques. Cependant, elles n ont fourni que des données partielles. La génomique autorise aujourd hui un abord global de ce remodelage. Au cours de ma thèse j ai utilisé des outils de génomique afin de définir l ensemble des canaux ioniques cardiaques dont la régulation transcriptionnelle était modifiée face à des contraintes externes. J ai d une part évalué la distribution des transcrits des canaux dans différentes régions du cœur humain sain et sa modulation en fonction du sexe. D autre part, j ai analysé le remodelage ionique associé à la fibrillation auriculaire, au syndrome de Brugada et à l insuffisance cardiaque. J ai pu ainsi montrer que cette régulation transcriptionnelle est systématique, qu elle concerne un grand nombre de canaux et notamment leurs sous-unités régulatrices, et enfin qu elle est généralement cohérente avec les propriétés électrophysiologiques des cellules cardiaques. On peut donc supposer que ces cellules utilisent de façon préférentielle la transcription des canaux pour adapter leurs propriétés électrophysiologiques. Il reste maintenant à définir quels sont les facteurs de transcription impliqués dans la régulation des canaux et quels sont les mécanismes de rétrocontrôle qui existent entre le phénotype électrophysiologique des cellules cardiaques et leur machinerie de transcription.Gene by gene approaches have shown that cardiac cells adapt their electrophysiological properties to physiological or pathological situations by modifying gene expression levels of ion channels. However, these approaches have only provided partial data. Today, genomics allows to investigate this remodeling in a global way. During my thesis I used genomic tools to determine which ion channels have a modified transcriptional regulation when exposed to external pressure. First, the distribution of ion channel gene expression in different regions of the human heart, and its modulation by gender, was evaluated. Secondly, ionic remodeling associated with atrial fibrillation, Brugada syndrome and heart failure was analyzed. Thus, I showed that transcriptional regulation of ion channels is systematic, that it concerns a large number of ion channels and particularly auxiliary sub-units, and finally that it is generally consistent with the electrophysiological properties of the cardiac cells. We therefore suggest that cells preferentially use ion channel transcription to adapt their electrophysiological properties. We have now to determine which transcription factors are implicated in channel regulation and what are the feed-back mechanisms between the electrophysiological phenotype of the cardiac cells and their transcription machinery.NANTES-BU Médecine pharmacie (441092101) / SudocPARIS-BIUP (751062107) / SudocSudocFranceF

Etude du transcriptome des canaux ioniques cardiaques

Afin de mieux cerner les mécanismes qui régulent le transcriptome ionique cardiaque, c'est-à-dire l'ensemble des canaux exprimés dans le coeur, des puces à ADN, constituées de l'ensemble des canaux ioniques et de leurs régulateurs ont été développées au sein du laboratoire. Au cours de ce travail, cet outil a été utilisé pour établir une corrélation entre les modifications cardiaques induites par une disrégulation du statut thyroïdien et le transcriptome ionique. Nous avons pu mettre en évidence qu'une hypothyroïdie conduisait à la sous-expression des canaux majoritairement responsables de la repolarisation chez les rongeurs; sous-expression qui se répercute au niveau fonctionnel. Le profil inverse a été obtenu chez les souris hyperthyroïdiennes. Pour la première fois, nous avons montré que KvLQT1 et son régulateur KCNE1 sont régulés par les hormones thyroïdiennes. Dans un contexte de pharmacogénomique, nous avons ensuite mis en évidence que l'amiodarone, un des anti-arythmiques les plus efficaces à l'heure actuelle, modifiait l'expression des canaux cardiaques chez la souris de façon dose-dépendante et en concordance avec les propriétés électrophysiologiques de la molécule. Ce travail a été poursuivi chez l'homme, et nous avons mis en évidence que le remodelage des gènes impliqués dans le signal électrique induit par la fibrillation auriculaire est normalisé par un traitement chronique d'amiodarone.In order to better understand ion channel transcript expression regulation in the sick/remodelled myocardium, cDNA microarrays were developed in our institute. They contain probes for mouse genes encoding ion channel subunits. With the objective to validate this novel tool, I have investigated the cardiac ion channel remodelling associated with altered thyroid hormone status in the mouse heart. Hypothyroidism induced complex cardiac ion channel expression modifications, especially inside the potassium channel familly. This molecular remodelling was correlated with alterations at the protein and functional levels. Opposite changes were observed with hyperthyroidism. For the first time, we showed that KCNQ1 and KCNE1 expression is regulated by the thyroid status. Then, I have investigated the pharmacogenomics profile of amiodarone on genes encoding ion channel subunits. Chronic amiodarone induced a dose-dependant remodelling of ion channel expression that correlates with cardiac electrophysiologic effects of the drug. In human, I have observed that chronic amiodarone normalize ionic channel expression remodelling induced by atrial fibrillation.NANTES-BU Médecine pharmacie (441092101) / SudocPARIS-BIUP (751062107) / SudocSudocFranceF

Chronic heart rate reduction remodels ion channel transcripts in the mouse sinoatrial node but not in the ventricle

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