Analiza genomiczna rozruszników serca

Arytmia to stan, w którym rytm skurczów serca staje się nieregularny, co może doprowadzić do druzgocących konsekwencji, takich jak zawał serca i udar. Pomimo swojej powagi, arytmia serca jest bardzo mało poznana w porównaniu z innymi rodzajami chorób serca. Czynniki genetyczne, które powodują tę chorobę, nie są dobrze poznane, a leczenie takich stanów jest ograniczone.

Rozruszników to grupa komórek w sercu, która odpowiada za utrzymanie rytmicznego skurczu serca. Działanie dwóch rozruszników, węzła zatokowo-przedsionkowego (węzeł SA) i węzła przedsionkowo-komorowego (węzeł AV), zapewnia sekwencyjne skurcze przedsionków i komór w celu utrzymania jednokierunkowego przepływu krwi. Jeśli rozruszników rozwija się nieprawidłowo, wpływa to na rytm skurczu serca, co prowadzi do różnych rodzajów arytmii, w zależności od tego, który rozruszników jest dotknięty i od charakteru wady.

Aby zbadać rozwój i funkcjonowanie rozruszników, używamy danio pręgowanego jako organizmu modelowego ze względu na podobieństwo fizjologii i genetyki serca do ludzkiego. Wykorzystaliśmy transgeniczne linie sqet33mi59BEt i sqet31Et danio pręgowanego, które wyrażają zielone białko fluorescencyjne w pierścieniu zatokowo-przedsionkowym (SAR) i kanale przedsionkowo-komorowym (AVC), obszarach serca, o których wiadomo, że mają aktywność rozrusznika. Te transgeniczne linie umożliwiły nam wyizolowanie komórek tych regionów rozruszników za pomocą FACS i profilowanie jego transkryptomu za pomocą sekwencji RNA. Wyniki tego badania są obecnie przedstawione w dwóch publikacjach, w których sprofilowaliśmy transkryptomię i elektrofizjologię SAR (Minhas et al., 2021) oraz AVC (Abu Nahia et al., 2021).

W porównaniu z resztą serca, SAR danio pręgowanego wykazuje nadekspresję hcn4, a także genów kodujących kanały bramkowane wapniem i potasem zaangażowane w funkcję węzła SAR. Co więcej, geny kodujące elementy szlaków sygnałowych BMP i Wnt, a także członków rodziny Tbx, które wcześniej wiązały się z rozwojem rozruszników, również wykazywały nadekspresję w SAR. Szereg genów z nadekspresją SAR miało ludzkie homologi związane z różnymi postaciami wrodzonych chorób serca, co sugeruje znaczenie naszych zasobów transkryptomicznych do badania chorób ludzkiego serca. Analizy funkcjonalne trzech genów z nadekspresją SAR, pard6a, prom2 i atp1a1a.2, ujawniły ich nową rolę w rozwoju i fizjologii serca.

Z drugiej strony transkryptom AVC danio pręgowanego wykazuje cechy charakterystyczne ssaczego węzła AV, w tym ekspresję genów zaangażowanych w jego rozwój oraz tych kodujących koneksyny tworzące połączenia szczelinowe o niskiej przewodności. Analiza transkryptomu ujawniła transkrypty kodujące i niekodujące białka wzbogacone w AVC, które nie były wcześniej związane z tą strukturą, a także prawdopodobnie dynamiczną ekspresję markerów przejścia nabłonkowo-mezenchymalnego oraz składników szlaków sygnałowych TGF-b, Notch i Wnt odzwierciedla trwający rozwój AVC i zaworów. Zniesienie głównego rozruszników w SAR spowodowało spontaniczną aktywację w regionie AVC, co sugeruje, że posiada on wrodzoną automatyczność, chociaż niewystarczającą do zastąpienia SAR. Co ciekawe, odkryliśmy, że SAR i AVC wyrażają częściowo nakładające się geny kodujące kanały jonowe i koneksyny, które prawdopodobnie leżą u podstaw różnych funkcji między dwoma rozrusznikami.

Nasze wyniki wskazują, że SAR i AVC danio pręgowanego posiadają molekularne i fizjologiczne cechy rozruszników serca ssaków pod względem automatyzmu, właściwości niskiego przewodnictwa oraz konserwatywnej ekspresji genów i markerów rozwojowych. Dane transkryptomiczne wygenerowane w tych dwóch badaniach wzbogacą naszą wiedzę na temat czynników molekularnych, w tym nowych genów kandydujących i niekodujących transkryptów, zaangażowanych w rozwój rozruszników serca i utrzymanie rytmu serca.

Wyniki badań prowadzonych przez naukowców z Laboratorium Genomiki Rozwoju Danio Pręgowanego w MIBMiK wraz z międzynarodowymi współpracownikami zaowocowały opublikowaniem dwóch artykułów:

  • Minhas, R., Loeffler-Wirth, H., Siddiqui, Y.H. et alTranscriptome profile of the sinoatrial ring reveals conserved and novel genetic programs of the zebrafish pacemaker. BMC Genomics 22, 715 (2021). doi.org/10.1186/s12864-021-08016-z

  • Abu Nahia, K., Migdał, M., Quinn, T.A. et al. Genomic and physiological analyses of the zebrafish atrioventricular canal reveal molecular building blocks of the secondary pacemaker region. Cell. Mol. Life Sci. (2021). doi.org/10.1007/s00018-021-03939-y

Fig ZDG publications

Fig. Profilowanie transkryptomu rozruszników SA i AV u zebrafish. (A) Wykorzystując linie transgeniczne sqet33mi59Bet i sqet31Et, wyizolowaliśmy specyficzne populacje komórek odpowiadające regionom SAR i AVC za pomocą FACS i profilowaliśmy ich transkryptom za pomocą RNA-seq. (B) Analiza PCA pokazująca odrębne profile populacji komórek SAR i AVC z pracujących kardiomiocytów.