iPS cell-based modeling of inherited arrhythmia disorders using the latest genome editing technology

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19K17595
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 烏日揚海 伊敏 京都大学, 医学研究科, 研究員 (10824956)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 遺伝性不整脈 / iPS細胞 / 突然死 / 心筋症 / 疾患モデル / ゲノム編集 / QT延長症候群

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、引き続き、ゲノム編集技術を用いて作製した遺伝性不整脈疾患ヒトiPS細胞モデルを用いた発症機序解明、治療法開発を目指した研究を行った。
心臓L型Ca2+チャネルは、CACNA1C遺伝子によりコードされ、心筋細胞の興奮、収縮に重要な役割を果たしている。1115番目のグルタミン酸(E)は、Ca2+選択性に重要であることが知られており、当該アミノ酸がリジンに変異するヘテロミスセンス変異（CACNA1C p.E1115K）を有するQT延長症候群とBrugada症候群を合併した症例よりiPS細胞を樹立し、分化心筋細胞を用いて発症機序解明を行った。コントロールとして、患者由来iPS細胞においてCRISPR-Cas9システムを用いて遺伝子変異をcorrectionしたiPS細胞株を用いた。パッチクランプ記録を用いた電流記録では、E1115K心筋細胞において、Ca2+イオン選択性の低下、1価の陽イオンに対する透過性亢進を認め、変異Ca2+チャネルを透過する再分極過程の緩徐な内向きNa+電流が、QT延長のprimaryな原因であると推察された。活動電位記録では、活動電位の延長（QT延長症候群に合致）、プラトー相の電位低下（Brugada症候群の機序）、催不整脈性を示す所見（早期後脱分極、活動電位持続時間の交互性変動）が認めら、本iPS細胞モデルは、患者表現型を再現していた。次に各種チャネル遮断薬を用いた薬効評価を行ったところ、興味深いことに、遅延Na+電流阻害薬（メキシレチン、GS-458967）により活動電位延長改善効果を認めた。遅延Na+電流阻害薬は、変異Ca2+チャネルには影響を及ぼさず、患者由来分化心筋細胞では内因性の遅延Na電流が亢進しており、その抑制により薬効がみられていると考えられた。本モデルは、病態解明、創薬のための有用な疾患プラットフォームになり得ると考えられる。

Research Products

• [Journal Article] Propranolol Attenuates Late Sodium Current in a Long QT Syndrome Type 3-Human Induced Pluripotent Stem Cell Model (2020)
  • Author(s): Hirose Sayako、Makiyama Takeru、Melgari Dario、Yamamoto Yuta、Wuriyanghai Yimin、Yokoi Fumika、Nishiuchi Suguru、Harita Takeshi、Hayano Mamoru、Kohjitani Hirohiko、Gao Jingshan、Kashiwa Asami、Nishikawa Misato、Wu Jie、Yoshimoto Jun、Chonabayashi Kazuhisa、Ohno Seiko、Yoshida Yoshinori、Horie Minoru、Kimura Takeshi
  • Journal Title: Frontiers in Cell and Developmental Biology Volume: 8 Pages: 761
  • DOI: 10.3389/fcell.2020.00761
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Modeling Inherited Arrhythmias Associated with Ryanodine Receptor Dysfunction using iPS Cells (2021)
  • Author(s): Takeru Makiyama, Jingshan Gao, Yuta Yamamoto, Asami Kashiwa, Takanori Aizawa, Tomohiko Imamura, Hai Huang, Hirohiko Kohjitani, Kouichi Kato, Taisuke Ishikawa, Hisaaki, Aoki, Futoshi Toyoda, Knut Wolten, Yoshinori Yoshida, Seiko Ohno, Naomasa Makita, Minoru Horie, Takeshi Kimura
  • Organizer: 第85回日本循環器学会学術集会（JCS2021）
• [Presentation] Development of an Oligonucleotide-Based Therapeutic Approach for Calmodulinopathy (2021)
  • Author(s): Takeru Makiyama, Yuta Yamamoto, Yoshiki Kondo, Jingshan Gao, Asami Kashiwa, Takanori Aizawa, Tomohiko Imamura, Hai Huang, Hirohiko Kohjitani, Taisuke Ishikawa, Yoshinori Yoshida, Seiko Ohno, Naomasa Makita, Minoru Horie, Takeshi Kimura
  • Organizer: 第85回日本循環器学会学術集会（JCS2021）
• [Presentation] CALM2-N98S Mutation Associated with Long QT Syndrome Impaired the Response of KCNQ1 Channel to Beta-adrenergic Stimulation in Human iPSC-derived Cardiomyocytes. (2020)
  • Author(s): Yuta Yamamoto, Takeru Makiyama, Yimin Wuriyanghai, Hirohiko Kohjitani, Sayako Hirose, Jingshan Gao, Asami Kashiwa, Huang Hai, Takanori Aizawa, Tomohiko Imamura, Taisuke Ishikawa, Hideki Motomura, Yoshinori Yoshida, Seiko Ohno, Minoru Horie, Naomasa Makita, Takeshi Kimura.
  • Organizer: 第84回日本循環器学会学術集会（JCS2020）
• [Presentation] Human Induced Pluripotent Stem Cell Model of CACNA1C-E1115K which Impairs Ion Selectivity of the Cardiac L-type Calcium Channel (2020)
  • Author(s): Asami Kashiwa, Takeru Makiyama, Thomas Maurissen, Hirohiko Kohjitani, Yimin Wuriyanghai, Yuta Yamamoto, Jungshan Gao, Huang Hai, Tomohiko Imamura, Takanori Aizawa, Taisuke Ishikawa, Seiko Ohno, Futoshi Toyoda, Seiich Sato, Kazuhiro Takahashi, Knut Woltjen, Minoru Horie, Naomasa Makita, Takeshi Kimura.
  • Organizer: 第84回日本循環器学会学術集会（JCS2020）
• [Presentation] Preclinical Proof-of-concept of Antisense-mediated Transcript Knockdown Therapy in Calmodulinopathy (2020)
  • Author(s): Yuta Yamamoto, Takeru Makiyama, Yoshiki Kondo, Yusuke Iriyama, Ryutarou Ishikawa, Jingshan Gao, Hirohiko Kohjitani, Asami Kashiwa, Takanori Aizawa, Tomohiko Imamura, Hai Huang, Taisuke Ishikawa, Yoshinori Yoshida, Seiko Ohno, Minoru Horie, Naomasa Makita, Takeshi Kimura.
  • Organizer: 第14回日本循環器学会基礎研究フォーラム（BCVR2020）
• [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): Asami Kashiwa, Takeru Makiyama, Hirohiko Kohjitani, Thomas Maurissen, Yimin Wuriyanghai, et al.
  • Organizer: 第14回日本循環器学会基礎研究フォーラム（BCVR2020）
• [Presentation] 患者由来iPS細胞モデルを用いたCav 1.2イオン選択性を障害するCACNA1C-E1115K変異がQT延長症候群、Brugada症候群を発症するメカニズムの解析 (2020)
  • Author(s): Asami Kashiwa, Takeru Makiyama, Hirohiko Kohjitani, Thomas Maurissen, Yimin Wuriyanghai, Yuta Yamamoto, Jiungshan Gao, Huang Hai, Tomohiko Imamura, Takanori Aizawa, Taisuke Ishikawa, Seiko Ohno, Futoshi Toyoda, Seiich Sato, Kazuhiro Takahashi, Knut Woltjen, Minoru Horie, Naomasa Makita, Takeshi Kimura.
  • Organizer: 第97回日本生理学会大会
• [Presentation] Preclinical Proof-of-Concept Study: Antisense-mediated Knockdown of CALM as a Therapeutic Strategy for Calmodulinopathy (2020)
  • Author(s): Yuta Yamamoto, Takeru Makiyama, Yoshiki Kondo, Yusuke Iriyama, Ryutarou Ishikawa, Yimin Wuriyanghai, Hirohiko Kohjitani, Sayako Hirose, Jingshan Gao, Asami Kashiwa, Huang Hai, Takanori Aizawa, Tomohiko Imamura, Taisuke Ishikawa, Yoshinori Yoshida, Seiko Ohno, Minoru Horie, Naomasa Makita, Takeshi Kimura
  • Organizer: European Society of Cardiology (ESC) 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): Asami Kashiwa, Takeru Makiyama, Hirohiko Kohjitani, Thomas Maurissen, Yimin Wuriyanghai, Yuta Yamamoto, Jingshan Gao, Hai Huang, Tomohiko Imamura, Takanori Aizawa, Taisuke Ishikawa, Seiko Ohno, Futoshi Toyoda, Seiich Sato, Kazuhiro Takahashi, Knut Woltjen, Minoru Horie, Naomasa Makita, Takeshi Kimura
  • Organizer: The Heart Rhythm Society's Annual Scientific Sessions 2020 (HRS2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Clinical and genetic aspects of pediatric Brugada syndrome (2020)
  • Author(s): Tomohiko Imamura, Takeru Makiyama, Hai Huang, Takanori Aizawa, Jingshan Gao, Asami Kashiwa, Yimin Wuriyanghai, Yuta Yamamoto, Yasuhiko Kohjitani, Koichi Kato, Seiko Ohno, Naokata Sumitomo, Minoru Horie.
  • Organizer: European Society of Cardiology (ESC) Congress 2020
  • Int'l Joint Research