RYR2基因突变诱发心律失常CPVT的分子机制与药物干预研究

Catecholaminergic polymorphic ventricular tachycardia (CPVT) is a lethal condition that is characterized by an abnormal heart rhythm in response to physical activity or emotional stress. CPVT was found to be associated to genetic disorders, the majority of patients carry mutations in the gene RYR2, which encodes the calcium release channel/ryanodine receptor (RyR2) in the sarcoplasmic reticulum of cardiomyocytes. The pathogenic mechanisms that account for the clinical phenotypes of CPVT are still elusive. Some mechanisms underlying RyR2 channel dysfunction have been proposed, however, the theories remain controversial. Our previous studies mainly focus on identification of novel mutations in RYR2 gene, we have identified a de novo mutation, A165D, from a CPVT patient. We have generated transgenic mice with knock-in A165D mutation, and demonstrated that CPVT phenotypes are recapitulated in the A165D knock-in mice. Structural analysis revealed that the A165D mutation is located in a loop that is involved in inter-subunit interactions in the RyR2 tetrameric structure. We hypothesize that mutation disrupts conformational stability of the RyR2 tetramer structure, which favor a closed-to-open state transition, resulting in a leaky channel that causes irregular heartbeats. We will characterize mutant RyR2 and CPVT phenotypes at molecular, cellular, and animal levels. As a molecular target, we will test pharmaceutical intervention on the mutant RyR2 for anti-arrhythmias therapy. In addition, we will investigate the gene editing approach to compensate the structural defect implicate by the mutation. This knowledge will significantly advance our understanding the molecular mechanism of CPVT. Moreover, it will provide new path for CPVT diagnose and therapy.

儿茶酚胺敏感性多形性室性心动过速(CPVT)是一种由运动或情绪刺激诱发的恶性心律失常。CPVT属于遗传病，超过2/3的患者检测到RYR2基因突变，该基因编码心肌细胞中钙离子释放通道。针对钙通道突变致CPVT的发病机制提出有多种学说，但也存在大量科学争议。我们前期工作主要在临床病人中筛查并鉴别出一个未报道过的突变A165D。通过构建基因敲入小鼠，明确了A165D为CPVT致病突变。通过三维结构测定发现该突变位于钙通道蛋白四聚体结构中相邻亚基之间的结合区域，据此我们提出A165D通过干扰四聚体分子结构稳态而引发钙泄漏，进而诱发CPVT的科学假说。我们计划应用动物、细胞、分子和结构生物学方法探讨突变对钙通道结构与功能的影响，阐明突变致CPVT发病的分子机制。以RYR2为分子靶点，探讨基因编辑对蛋白结构做补偿性修正和药物靶向干预。为CPVT的发病机制提供新的理论依据，为临床治疗CPVT提供新思路。

儿茶酚胺敏感性多形性室性心动过速(CPVT)是一种由运动或情绪刺激诱发的恶性心律失常。针对钙通道突变致CPVT的发病机制提出有多种学说，但也存在大量科学争议。本项研究重点在探讨从临床病人中筛查出的一个未报道过的突变是如何造成钙通道蛋白结构与功能的紊乱，引发心律失常的分子机制。在本项基金资助下，主要的研究内容、重要结果、关键数据和科学意义总结如下：(1).对临床心律失常病人进行基因检测，筛查出了一例与CPVT相关的RYR2突变；构建了转基因小鼠，在模式动物层面上验证了该突变为致病突变；在小鼠心肌细胞中检测了突变导致钙通道的功能异常；通过对蛋白质大分子结构精准定位，揭示了突变干扰钙通道构象稳态而引发钙离子泄露的致病分子机制。(2).在一例有心源性猝死家族史的家系中鉴定出另一个全新的与猝死和CPVT相关的RYR2基因突变；构建了转基因小鼠，在模式动物层面上验证了该突变为致病突变；在器官水平和细胞水平分别验证了突变导致心脏钙信号异常；对突变位点进行结构定位，发现该突变通过解离钙通道稳定因子FKBP造成钙离子泄露，进而引发心肌收缩紊乱，从根本上揭示了突变引发CPVT的致病的机制，该分子机制与第一部分中发现的致病机制完全不同。(3).探索了与钾通道KCNK1相关的心肌细胞双重膜电位研究，构建了KCNK1过表达小鼠，在低血钾状态下突发室速与室颤，并引发心源性猝死，揭示了KCNK1在低血钾症中致恶性心律失常的分子机制。(4).探索了双重特异性磷脂酶DUSP7对心肌肥厚的作用；通过细胞生物学、代谢组学等方法研究DUSP7对心肌肥厚相关信号通路的分子机制。(5).探索了干细胞外泌体改善心肌梗死的机制研究。在项目执行的四年中，申请立项的研究内容均按计划实施，研究目标已全部完成。发表论文6篇，其中SCI论文5篇，通讯作者论文6篇，4篇论文标注本基金项目为第一标注。授权国家发明专利1项。毕业博士研究生3人，硕士研究生3人。课题组成员获得国家自然科学基金面上项目1项、青年项目1项、上海市科委扬帆计划1项。