Van mutatie tot hartritmestoornis: ontdekking nieuw mechanisme

Mutaties in genen die desmosomen vormen zijn de meest voorkomende oorzaak van de hartziekte aritmogene cardiomyopathie (ACM). Wereldwijd leidt één op de 2000 tot 5000 mensen aan deze erfelijke ziekte. Onderzoekers uit het lab van Eva van Rooij ontdekten nu hoe een mutatie in het desmosomale gen plakophilin-2 leidt tot ACM. Ze vonden dat de structurele en functionele veranderingen in ACM harten het gevolg zijn van verhoogde afbraak van desmosomale eiwitten. De resultaten van deze studie, op 22 maart 2023 gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Science Translational Medicine, verbeteren ons begrip van ACM en kunnen mogelijk bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe therapieën voor deze ziekte.

Figuur 1: Ophopingen van vet- (wit) en littekenweefsel (blauw) in het hart (rood) van een ACM patient. Credit: Aryan Vink and Petra van der Kraak. Copyright: UMC Utrecht.

ACM is een progressieve en erfelijke hartziekte waarvoor momenteel geen behandelingen bestaan die het ziektebeeld een halt toeroepen. Hoewel patiënten eerst geen symptomen ervaren, hebben ze een hoger risico op hartritmestoornissen en hartaanvallen. Naarmate de ziekte verergert, vormen zich ophopingen van vet en littekenweefsel in het hart die leiden tot hartfalen. Als dat punt bereikt is, kunnen patiënten alleen geholpen worden door een harttransplantatie.

Plakophilin-2

In meer dan 50% van de gevallen wordt ACM veroorzaakt door een mutatieEen fout in het DNA. Mutaties kunnen onder andere ontstaan als het DNA verkeerd gekopieerd wordt of door invloeden van buitenaf. Tumorcellen bevatten bijvoorbeeld vaak mutaties die voordelig zijn voor hun groei. in genenEen klein gebiedje in het DNA met een specifieke functie. Genen bepalen onder andere welke oogkleur we hebben en of ons haar krult of juist steil is. Het DNA in een menselijke cel omvat ongeveer 30.000 genen, met elk een eigen functie. Genen zijn erfelijk en kunnen dus doorgegeven worden aan het nageslacht. die betrokken zijn bij de vorming van desmosomen. Dit zijn complexe eiwitstructuren die als het ware een ‘brug’ vormen tussen individuele hartspierellen. Door deze bruggen kunnen de hartspiercellen op een gecontroleerde manier samentrekken. Verreweg de meeste mutaties in desmosomale genen die leiden tot ACM zijn te vinden in het gen plakpohilin-2. Desondanks is er heel weinig bekend over hoe mutaties in dit gen leiden tot de ziekte. Om dit te veranderen bestudeerde het Van Rooij lab eerst de harten van ACM patiënten met een mutatie in het plakophilin-2 gen. “We zagen lagere niveaus van alle desmosomale eiwitten en ongeorganiseerde desmosomale eiwitten in stukken van ACM harten met littekenweefsel,” vertelt Jenny (Hoyee) Tsui, eerste auteur op de paper. Tsui: “Gekweekt 3D hartweefsel afkomstig van een patiënt met een plakophilin-2 mutatie slaagde er bovendien niet in om op hoger tempo samen te trekken. Dit vertoont sterke gelijkenissen met de hartritmestoornissen die we zien in de kliniek.”

ACM in muizen

De onderzoekers gebruikten daarna de genetische techniek CRISPR/Cas9Een techniek waarmee onderzoekers op een specifieke plek in het DNA kunnen knippen, om daar een verandering in aan te brengen. Op die manier kunnen onderzoekers bestuderen wat het effect is van een specifieke verandering van het DNA. om de menselijke plakophilin-2 mutatie in te brengen in muizen. Op deze manier konden de onderzoekers het verloop van ACM veroorzaakt door deze mutatie in detail bestuderen. Ze zagen dat oude muizen met de mutatie net als ACM patiënten minder desmosomale eiwitten hadden. Bovendien hadden de harten van deze muizen moeite met ontspannen. Opvallend genoeg ontdekten de onderzoekers dat de mutatie zelfs in jonge muizen die nog gezond waren, leidde tot een afname in de hoeveelheid desmosomale eiwitten. Hieruit concludeerden ze dat het verlies van deze eiwitten mogelijk verklaart hoe een mutatie in plakophilin-2 leidt tot het ontstaan van ACM.

Afbraak van eiwitten

De onderzoekers verklaarden vervolgens het verlies van de desmosomale eiwitten. Hiervoor onderzochten ze zowel RNA- als eiwitniveaus in de ACM muizen. “De niveaus van desmosomale eiwitten waren lager in onze ACM muizen vergeleken met gezonde muizen. Daarentegen waren de RNA-niveaus van deze genen ongewijzigd. We kwamen erachter dat dit verassende verschil het resultaat is van verhoogde eiwitafbraak in ACM harten,” verklaart Sebastiaan van Kampen, de andere co-eerste auteur van de studie. Tsui voegt hieraan toe: “Toen we onze ACM muizen behandelden met een medicijn dat eiwitafbraak voorkomt, zagen we dat de niveaus van desmosomale eiwitten zich herstelden. Belangrijker nog is dat het herstel ertoe leidde dat de hartspiercellen hun calciumhuishouding, die belangrijk is voor normaal functioneren van de cel, verbeterden”.

Toekomstige therapieën

De resultaten van deze studie, gepubliceerd in Science Translational Medicine, leiden tot nieuwe inzichten over de ontwikkeling van ACM en wijzen erop dat eiwitafbraak een interessant doelwit kan zijn voor toekomstige therapieën. “Eiwitafbraak komt voor in elke cel van ons lichaam en is cruciaal voor het functioneren van deze cellen. Om te voorkomen dat toekomstige therapieën leiden tot bijwerkingen is het daarom heel belangrijk dat we medicijnen ontwikkelen die specifiek de afbraak van desmosomale eiwitten in hartspiercellen voorkomen,” legt Eva van Rooij, groepsleider bij het Hubrecht Instituut en laatste auteur van de studie, uit. Meer onderzoek is nodig om dit te realiseren. In de toekomst kunnen deze nieuwe, gerichte medicijnen mogelijk gebruikt worden om het ontstaan van ACM te voorkomen en verergering van de ziekte tegen te gaan.

Publicatie

Desmosomal protein degradation as an underlying cause of arrhythmogenic cardiomyopathy. Hoyee Tsui^#, Sebastiaan J. van Kampen^#, Su Ji Han, Viviana Meraviglia, Willem B. van Ham, Simona Casini, Petra van der Kraak, Aryan Vink, Xiaoke Yin, Manuel Mayr, Alexandre Bossu, Gerard A. Marchal, Jantine Monshouwer-Kloots, Joep Eding, Danielle Versteeg, Hesther de Ruiter, Karel Bezstarosti, Judith Groeneweg, Sjoerd J. Klaasen, Linda W. van Laake, Jeroen A.A. Demmers, Geert J.P.L. Kops, Christine L. Mummery, Toon A.B. van Veen, Carol Ann Remme, Milena Bellin, Eva van Rooij. Science Translational Medicine, 2023.

# = Deze auteurs hebben evenveel bijgedragen.

Deze publicatie is het resultaat van een samenwerking tussen de groep van Eva van Rooij (Hubrecht Instituut) en groepen uit het LUMC, UMC Utrecht, UMC Amsterdam, King’s College London en het Erasmus MC. De studie is tot stand gekomen met behulp van de Dutch CardioVascular Alliance en financiering van de Nederlandse Hartstichting.

Eva van Rooij is groepsleider bij het Hubrecht Instituut en hoogleraar Moleculaire Cardiologie bij het UMC Utrecht.