Elucidation of molecular pathogenesis for inherited lethal arrhythmia associated with transporter abnormalities

• Project/Area Number: 20K08416
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 53020:Cardiology-related
• Research Institution: National Cardiovascular Center Research Institute
• Principal Investigator: 石川 泰輔 国立研究開発法人国立循環器病研究センター, オープンイノベーションセンター, 室長 (60708692)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 蒔田 直昌 国立研究開発法人国立循環器病研究センター, 研究所, 副所長 (00312356) ; 牧山 武 京都大学, 医学研究科, 特定講師 (30528302)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: 心臓突然死 / 遺伝子変異 / 膜タンパク / ノックインマウス / 突然死 / 変異 / トランスポータ / 遺伝性不整脈

Outline of Research at the Start

本邦で年間8万人に起こる心臓突然死の原因として遺伝性不整脈が大きな割合を占めるが、病因病態の究明により予防法を確立することが出来る。本研究では未だ解決されていない心臓突然死家系の心筋トランスポータ遺伝子の変異に着目する。遺伝子解析によりトランスポータの重要度を推し量ることで遺伝子解析によるリスク予測に反映させるとともに、不整脈発生機序を明らかにして致死的な不整脈を抑制することに役立てる。

Outline of Annual Research Achievements

QT短縮症候群や早期再分極症候群は、比較的歴史の浅い遺伝性致死性不整脈で、原因遺伝子が数個報告されているものの分子病態は十分に解明されていない。我々は心筋のCa動態やpH恒常性に必須の膜タンパク遺伝子に注目し、これまでQT短縮や早期再分極所見を有する複数の致死性不整脈発症例に変異を見出してきた。現在ある膜タンパクの変異についてはvitro研究のみならず、致死性不整脈発症をvivoで観察するため、CRISPR/Cas9で作成したノックインマウスモデルを使って致死性不整脈誘発性に違いを見出すことができた。今後変異キャリア患者の情報と、vitro研究により解明した膜タンパク変異体の機能異常、vivoでの致死性不整脈誘発性を統合して論文として発信する。一方で別の膜タンパクについても複数症例に変異を見出し、かなり高い浸透率を示すことから強い機能異常をもたらすと推測しているが、現時点では適した機能解析系を構築できておらず、新たな手法の導入が急務である。これら研究を通じて、現在着目している膜タンパクが心臓突然死に関わる新たな機能分子であることを立証する。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

QT短縮症候群や早期再分極症候群は、比較的歴史の浅い遺伝性致死性不整脈で、原因遺伝子が数個報告されているものの分子病態は十分に解明されていない。我々は心筋のCa動態やpH恒常性に必須の膜タンパク遺伝子に注目し、これまでQT短縮や早期再分極所見を有する複数の致死性不整脈発症例に変異を見出してきた。ある膜タンパクの変異はvitro研究を中心に電流低下とCa取込み能の低下を見出し機能喪失型変異であると結論付けているが、これまで致死性不整脈発症を十分に説明できていなかった。今年度は樹立した変異ノックインマウスの心電図記録とペーシングによる致死性不整脈誘発性を検討した。その結果①ホモ変異個体は出生しないこと、②ヘテロ変異個体は多型性心室頻拍が誘発されるが同腹野生型個体では誘発されないことを見出した。しかし安静時心電図では違いが見られず、QT短縮や早期再分極所見は見られなかったため、上記の多型性心室頻拍との関連についてさらに検討を重ねる必要がある。また別の膜タンパク遺伝子については、既報の一過性発現を用いた機能解析系は奏功せず未だ結果を再現できていない。これは着目している膜タンパクの機能を代償する機構が細胞内で働くためだと考えられる。今後は代償する膜タンパクの阻害薬を用いたうえで機能解析系を再構築し、患者で見つけた変異のvitro解析を進める予定である。

Strategy for Future Research Activity

vitroとvivoで機能異常を解明した膜タンパクの変異については、患者で見つかった変異体の機能異常と分子機構について整理できつつある。一方で別の膜タンパクの変異については既報の解析系を再現することができておらず、代償的に働く別のタンパクの阻害薬を用いるなどして、膜タンパクの変異機構を明らかにする必要があるかも知れないと考えている。またこれら膜タンパクの変異を患者に見出すために、今後も遺伝子解析を継続して行い、新たに患者・変異の同定を行っていく。

Research Products

• [Journal Article] Pathological Features of Lamin Cardiomyopathy (2020)
  • Author(s): Kawano H, Ishimatsu T, Kawamura K, Ishijima M, Hayashi T, Ishikawa T, Makita N, Maemura K.
  • Journal Title: Circulation Journal Volume: 84 Issue: 7 Pages: 1193
  • DOI: 10.1253/circj.CJ-20-0187
  • NAID: 130007864268
  • ISSN: 1346-9843, 1347-4820
  • Year and Date: 2020-06-25
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Enhancing rare variant interpretation in inherited arrhythmias through quantitative analysis of consortium disease cohorts and population controls (2020)
  • Author(s): 2.Walsh R, Lahrouchi N, Tadros R, Kyndt F, Glinge C, Postema PG, et al.
  • Journal Title: Genetics in Medicine Volume: 23 Issue: 1 Pages: 47-58
  • DOI: 10.1038/s41436-020-00946-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] SCN5A Mutation Type and a Genetic Risk Score Associate Variably With Brugada Syndrome Phenotype in SCN5A Families (2020)
  • Author(s): 3.Wijeyeratne YD, Tanck MW, Mizusawa Y, Batchvarov V, Barc J, Crotti L, et al.
  • Journal Title: Circulation: Genomic and Precision Medicine Volume: 13 Issue: 6
  • DOI: 10.1161/circgen.120.002911
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Transethnic Genome-Wide Association Study Provides Insights in the Genetic Architecture and Heritability of Long QT Syndrome (2020)
  • Author(s): Lahrouchi N, Tadros R, Crotti L, Makiyama T et al.
  • Journal Title: Circulation Volume: 142 Issue: 4 Pages: 324-338
  • DOI: 10.1161/circulationaha.120.045956
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cardiac Emerinopathy (2020)
  • Author(s): Ishikawa Taisuke、Ichida Fukiko、Makita Naomasa et al
  • Journal Title: Circulation: Arrhythmia and Electrophysiology Volume: 13 Issue: 10 Pages: 1165-1174
  • DOI: 10.1161/circep.120.008712
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Telethonin variants found in Brugada syndrome, J-wave pattern ECG, and ARVC reduce peak Nav 1.5 currents in HEK-293 cells (2020)
  • Author(s): Turker I, Makiyama T, Ueyama T, Shimizu A, Yamakawa M, Chen PS, Vatta M, Horie M, Ai T
  • Journal Title: Pacing Clin Electrophysiol Volume: 43 Issue: 8 Pages: 838-846
  • DOI: 10.1111/pace.13996
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Erratum to “Optical Recording of Action Potentials in Human Induced Pluripotent Stem Cell-Derived Cardiac Single Cells and Monolayers Generated from Long QT Syndrome Type 1 Patients” (2020)
  • Author(s): Takaki T, Inagaki A, Chonabayashi K, Inoue K, Miki K, Ohno S, Makiyama T, Horie M, Yoshida Y.
  • Journal Title: Stem Cells International Volume: 2020 Pages: 1-2
  • DOI: 10.1155/2020/8765895
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Modeling Inherited Arrhythmias Associated with Ryanodine Receptor Dysfunction using iPS Cells (2021)
  • Author(s): Makiyama T, Gao J, Yamamoto Y, Ishikawa T, Makita N, Kimura T et al.
  • Organizer: 第85回日本循環器学会学術集会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of an Oligonucleotide-Based Therapeutic Approach for Calmodulinopathy (2021)
  • Author(s): Makiyama T, Yamamoto Y, Kondoh Y, Gao J, Kashiwa A, Aizawa T, Imamura T, Huang H, Kohjitani H, Ishikawa T, Yoshida Y, Ohno S, Makita N, Horie M, Kimura T.
  • Organizer: 第85回日本循環器学会学術集会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Genetic Analysis of Young-onset Atrial Fibrillation with Family History (2021)
  • Author(s): 熊埜御堂淳, 大江征嗣, 服部悠一, 伊藤章吾, 堀賢介, 石川泰輔, 蒔田直昌, 福本義弘
  • Organizer: 第85回日本循環器学会学術集会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Rare Variant of the Glycerol-3-Phosphate Dehydrogenase-1 Like (GPD1-L) Gene in Japanese Patients with Brugada Syndrome (2021)
  • Author(s): Usuda K, Hayashi K, Ishikawa T, Aizawa Y, Kato T, Tsuda T, Kusayama T, Niwa S, Usui S, Sakata K, Kawashiri M, Mishima H, Yoshiura K, Makita N, Takamura M.
  • Organizer: 第85回日本循環器学会学術集会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cardiac Emerinopathy, Novel Non-syndromic X-linked Left Ventricular Noncompaction Associated with Progressive Atrial Conduction Disturbance (2020)
  • Author(s): Ishikawa T, Mishima H, Barc J, Hirono K, Terada S, Kowase S, Sato T, Yui Y, Mukai Y, Ohkubo K, Kimoto H, Watanabe H, Hata Y, Aiba T, Ohno S, Chishaki A, Shimizu W, Horie M, Ichida F, Nogami A, Yoshiura K, Makita N.
  • Organizer: 第84回日本循環器学会学術集会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] iPS Cell-Based Inherited Arrhythmia Disease Modeling. iPSCs: Limitations and Future challenges. Cardiac Arrhythmias (2020)
  • Author(s): Makiyama T.
  • Organizer: 第84回日本循環器学会学術集会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Preclinical Proof-of-Concept Study: Antisense-mediated Knockdown of CALM as a Therapeutic Strategy for Calmodulinopathy (2020)
  • Author(s): Yamamoto Y, Makiyama T, Kondo Y, Iriyama Y, Ishikawa R, Kimura T et al.
  • Organizer: European Society of Cardiology Congress 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Clinical and genetic aspects of pediatric Brugada syndrome (2020)
  • Author(s): Imamura T, Makiyama T, Sumitomo N, Horie M et al.
  • Organizer: European Society of Cardiology Congress 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Inhibition of Late Sodium Current Attenuates Prolonged Action Potential Durations in CACNA1C-E1115K iPS Cell Model with Disrupted Cav1.2 ion Selectivity (2020)
  • Author(s): Yamamoto Y, Makiyama T, Kondo Y, Iriyama Y, Ishikawa R, Kimura T et al.
  • Organizer: The Heart Rhythm Society's Annual Scientific Sessions 2020
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 国立循環器病研究センター 創薬オミックス解析センター 研究プロジェクト
  • URL: http://www.ncvc.go.jp/omics/research/project02.html