KCNQ1和KCNE1双基因修饰构建大鼠心律失常遗传模型及在体功能研究

Arrhythmia involves in complex cardiac electrical activity derived from abnormal function or expression of potassium channels, but so far no rat genetic model for the disorder is available, which seriously impedes the exploration for the disease mechanism. Our colleague from the key laboratory of arrhythmia has identified KCNQ1 as a disease gene that underlying atrial fibrillation in part of patients,meaning there are other potential mechanisms related to the pathological phenotype. So far the modulation of KCNE1 on KCNQ1 in molecular detail is still unclear. Due to the advantages over mice on the physiological structure as an experimental system, a rat model for arrhythmia will be created by a combining strategy of traditional and TALEN dependent homologous recombination to target double genes for KCNE1 and KCNQ1, so that the in vivo function details of interaction between KCNQ1and KCNE1, which may potentially induce arrhythmias, could be further understood, that will provide experimental reference for in-depth understanding in vivo function of KCNQ1 and KCNE1 genes as well as the complex molecular basis of ECG.

心律失常涉及到异常钾离子通道构成的复杂心电活动，但是迄今尚无此类疾病的大鼠遗传模型，严重妨碍了对该病相关基因功能的研究。我们重点实验室曾鉴定了重要的房颤治病基因KCNQ1，但是仅能解释部分病人的表型机制。KCNE1作为KCNQ1的调节器如何调节其功能以及在心律失常中的意义仍不清楚。鉴于大鼠在生理结构上的优势，我们拟利用最近首次制备的大鼠胚胎干细胞为载体，结合传统和TALEN依赖的同源重组策略对KCNQ1和KCNE1进行双基因修饰，进而构建大鼠心律失常模型，并深入探讨KCNE1与KCNQ1相互作用的功能细节以及诱发心律失常的潜在机制,为深入理解KCNQ1和KCNE1基因的在体功能和心电复杂的分子基础提供实验参考依据。

本课题采用Crisper-Cas9技术分别对KCNQ1、KCNE1基因进行敲除，成功构建了KCNQ1及KCNE1基因敲除的心律失常大鼠模型。在此基础上，又成功繁殖了KCNQ1及KCNE1双敲大鼠。比较各基因型2月龄大鼠左心室的功能发现，无论是KCNQ1及KCNE1单敲大鼠，还是双敲大鼠，左心室的功能并未出现明显的变化。进一步发现：KCNQ1单敲大鼠与双敲大鼠的QT间期均明显延长，心率明显减慢。但双敲大鼠与KCNQ1单敲大鼠相比并未出现明显差异。已知在甲状腺组织中，KCNQ1编码的α亚基与KCNE2编码的β亚基可与钠碘转运蛋白NIS共同组成复合体，在甲状腺激素的合成过程中起关键作用, 而甲状腺激素与心血管功能密切相关。 KCNQ1基因突变是否改变甲状腺激素水平进而间接影响心脏功能尚不清楚。因此，我们拓展研究了KCNQ1基因敲除对大鼠甲状腺激素水平的影响。我们观察了KCNQ1基因敲除对2月龄及9月龄大鼠左心室的功能及心电图的影响；并对9月龄KCNQ1基因敲除大鼠L-T4替代治疗前后的左心室功能及心电图的变化进行评估，旨在探讨KCNQ1突变对心脏功能影响的间接新机制。我们发现:（1）2月龄及9月龄KCNQ1敲除大鼠血清中FT4、FT3水平均明显降低(p<0.05), 而血清中TSH的水平未出现明显变化。（2）2月龄KCNQ1敲除大鼠舒张末期及收缩末期的左心室内径（LVID）、左室后壁厚度（LVPW）、室间隔厚度（IVS）、左心室舒张末期容积（LVEDV）、左心室收缩末期容积（LVESV）、左心室射血分数（LVEF）均无明显变化，但KCNQ1敲除大鼠QT间期明显延长，心率明显减慢。此外，9月龄KCNQ1敲除大鼠收缩末期室间隔厚度、左心室室壁厚度均明显减小，而左心室收缩末期内径较对照组明显增加，左心室收缩末期容积明显增加，左心室射血分数明显降低；QT间期明显延长，心率明显减慢。（3）给予KCNQ1敲除大鼠以L-T4腹腔给药2周后，KCNQ1敲除大鼠的收缩末期左心室内径明显降低，左心室射血分数增加，QT间期缩短，心率加快。上述结果提示：KCNQ1基因功能缺失一方面可以直接影响心肌细胞动作电位的异常变化，同时也可以通过影响机体甲状腺素的水平而间接影响心脏功能。