-
De genetische basis van primair elektrische aandoeningen
(hartritmestoornissen) Vanwelkenhuyzen Jan UA; 1032FBDBMW:
Bachelorproef; academiejaar 2014-2015 Primaire elektrische
aandoeningen, ook wel hartritmestoornissen genoemd, vormen een
belangrijke oorzaak van plotse cardiale dood. En van de primaire
elektrische aandoeningen is het lange QT syndroom (LQTS). LQTS kan
leiden tot atriale- en ventriculaire fibrillaties die uiteindelijk
kunnen leiden tot Torsade de pointes en plotse cardiale dood. LQTS
types 1 tot 3 zijn verantwoordelijk voor 90% van de gekende
gevallen. Mutaties vinden vooral plaats in genen die coderen voor
(onderdelen van) kalium en natrium kanalen. Hierdoor verlengt de
duur van de actiepotentiaal in het hartspierweefsel. Ook zijn er
types gekend waarbij mutaties worden gedentificeerd in genen die
coderen voor protenen die instaan voor de verankering van het
kanaal of voor de gating kinetiek van het kanaal. Momenteel zijn er
15 verschillende types gekend van het LQTS. Onderzoek naar de
mechanismen van deze primaire elektrische aandoening is
hoogstnoodzakelijk om gepaste behandelingen te kunnen vinden voor
de patinten. Inleiding De geleiding van de actiepotentiaal staat in
voor het normale hartritme. De actiepotentiaal ontstaat in de
sinoatriale knoop en zal verder propageren langs de atrioventrale
knoop naar de HisPurkinje vezels. Dit zal leiden tot de contractie
en de relaxatie in de verschillende delen van het hart.
Ionenkanalen zijn zeer belangrijke structuren voor het in stand
houden van de actiepotentiaal. Mutaties in verschillende genen
kunnen zorgen voor een verstoring van het hartritme. Hier omtrent
zijn er veel verschillende ziekten gekend. Deze bachelor proef zal
zich op 1 syndroom toespitsen, het lang QT syndroom. Eerst zal de
normale elektrofysiologie kort herhaald worden waarna de 15
momenteel gekende subtypes van het syndroom besproken zullen
worden. De normale elektrofysiologie van het hart De
actiepotentiaal (AP) ontstaat in het rechter atrium van het hart
door een groep van gespecialiseerde cellen, de sinoatriale knoop
(SA). De spontane depolarisatie van deze cellen, de intrinsieke
pacemakeractiviteit genoemd, heeft het regelmatig afvuren van
actiepotentialen tot gevolg. De AP verplaatst zich van de SA knoop
naar de atrioventriculaire knoop (AV), via de myocardiale cellen
van het rechter atrium naar het linker atrium. Vervolgens begeeft
de impuls zich richting de ventrikels via het HisPurkinje vezel
systeem. Dat systeem zal dan het signaal verder doorgeven naar
beide ventrikels en zo leiden tot contracties in het hart. Het
verplaatsen van de AP via naburige myocardiale cellen is mogelijk
door gap junctions die elektrische synapsen vormen tussen 2
aangrenzende myocardiale cellen (Boron en Boulpaep, 2012). De AP
verplaatst zich doorheen de verschillende cellagen van het
ventrikel. De verschillende cellagen kunnen ingedeeld worden in
endo-, mid- (M-cellen) en epicardiale cellen. Elke cellaag heeft
karakteristieke elektrische eigenschappen en verschillende
populaties van ion kanalen (Saenen en Vrints, 2008). De AP in de
verschillende delen van het hart bestaat maximum uit 5
karakteristieke fasen en verschillende stromen (zie figuur 1). De
belangrijkste ionen die nodig zijn voor de propagatie van de AP
zijn Na+, K+ en Ca2+. De ionen kunnen zich transmembranair
verplaatsen door gespecialiseerde eiwitcomplexen, die kanalen
vormen. Deze kanalen bestaan uit -subeenheden, die de porie vormen,
en -subeenheden die instaan voor de regulatie (Dumotier, 2014). De
kanalen zijn spanningsgevoelig: ze activeren/deactiveren als
antwoord op een stroom. De densiteit, aanwezigheid en kinetiek van
de kanalen variren voor de verschillende structuren van het hart.
Fase 0 is het stijgende deel van de AP, ook wel de depolarisatie
van de cel genoemd. Deze wordt gerealiseerd door zowel ICa als INa.
Indien alleen ICa een rol speelt zoals bij de SA knoop dan is de
depolarisatie traag. Vindt de depolarisatie plaats door beide
stromen dan zal deze veel sneller zijn threshold bereiken
(Dumotier, 2014). Fase 1, die niet plaats vindt bij de SA knoop, is
de snelle repolarisatiefase die in de hand wordt gespeeld door de
inactivatie van INa en ICa. Fase 2 is de plateaufase die in stand
wordt gehouden doordat Ca2+ en Na+-ionen nog steeds in de cel
kunnen stromen via hun respectievelijke kanalen. Fase 3 is de
repolarisatie. Hierbij speelt IK de belangrijkste rol. Dat is een
buitenwaarts gerichte K+-stroom die bestaat uit verschillende
stromen, onder andere een snelle stroom IKr en een trage stroom
IKs. Beide stromen lopen door hun respectievelijke kanalen (Boron
en Boulpaep, 2012). Fase 4, ook wel de diastolische potentiaal
genoemd, zal zorgen voor de intrinsieke pacemakeractiviteit in de
SA- en AV-knoop. In de spieren van de ventrikels en de atria zijn
er geen stroomveranderingen zichtbaar tijdens deze fase.
-
De som van al deze heterogene extracellulaire AP zorgt voor de
karakteristieke vorm van het oppervlakte elektrocardiogram (EKG)
(zie figuur 2) (Boron en Boulpaep, 2012). De P-golf in het EKG
stelt de depolarisatie voor van de spieren van zowel het linker als
het rechter atrium. Het QRS-complex stelt de depolarisatie van de
ventrikels voor en de T-golf de repolarisatie. Veranderingen in het
normale patroon van het EKG zijn een belangrijk middel voor het
opsporen van erfelijke hartritmestoornissen in symptomatische
patinten. Een 12 lead EKG is de eerste klinische test die
uitgevoerd wordt wanneer verdachte symptomen optreden die kunnen
wijzen op een hartritmestoornis (Zareba en Cygankiewicz, 2008).
Fig. 1 De verschillende fasen van de AP in de SA knoop en in de
ventriculaire spier. (Boron en Boulpaep, 2012)
Fig. 2 De theoretische voorstelling van een EKG opname. (Boron
en Boulpaep, 2012) Het lange QT syndroom (LQTS) Mutaties in de
genen die de kanalen vormen kunnen oorzaken zijn van erfelijke
hartritmestoornissen (Splawski et al., 2000). Het lange QT-syndroom
(LQTS) is een van de gekende erfelijke hartritmestoornissen. Er
zijn 2 vormen van het LQTS, namelijk het aLQTS of acquired
(verworven) LQT-syndroom en het cLQTS ofwel congenitaal (erfelijk)
LQT-syndroom (Bhuiyan et al., 2013). In deze bachelor proef zal
geen aandacht gegeven worden aan de verworven vorm. LQTS wordt
gekarakteriseerd door een verlenging van het QT-interval (QTc >
480ms), een vertraagde repolarisatie, syncopes, plotse cardiale
dood (sudden cardiac death: SCD) in gezonde jonge individuen, een
verhoogd risico op de ontwikkeling van torsade de pointes (TdP) of
een polymorfe ventriculaire tachycardie die kan ontaarden in
ventriculaire fibrillatie (Tester en Ackerman, 2014; Zareba en
Cygankiewicz, 2008). Momenteel zijn er 15 genen bekend die LQTS
veroorzaken, LQT1 tot en met LQT15 (Tester en Ackerman, 2014). De
meest voorkomende vormen zijn LQT1 en LQT2 die samen
-
tussen 80 en 90% van de LQTS-gevallen verklaren. LQT3 wordt
gedentificeerd in ongeveer 5 tot 8%. De resterende LQTS-types zijn
dus uiterst zeldzaam (Zareba en Cygankiewicz, 2008). Het LQTS wordt
meestal veroorzaakt door mutaties in genen die coderen voor K+- en
Na+-kanalen waardoor een positieve overlading van myocardiale
cellen ontstaat en vervolgens een verlenging van de actiepotentiaal
duur (APD) plaatsvindt (Goldenberg en Moss, 2008; Zareba en
Cygankiewicz, 2008). De verlenging van de APD gebeurt vooral
tijdens de repolarisatiefase van de ventriculaire AP of tijdens de
plateaufase. De elektrische instabiliteit die ontstaat door de
lange APD is de oorsprong van de pathologie die kan eindigen met
ventriculaire hartritmestoornissen. De pathogene AP verplaatst zich
transmuraal door de verschillende cellagen van de ventriculaire
spier en zal zich uiten op het EKG als een brede en vreemde T-golf.
Het QT-interval zal ook beduidend langer zijn (Saenen en Vrints,
2008). Als gevolg van de mutaties in de genen ontstaan er kanalen
die niet optimaal functioneren. Er kan een loss-of-function
(verlies van functie) optreden of een gain-of-function (winst aan
functie). Het verlies van functie kan ontstaan door verschillende
genetische mechanismen die ingedeeld worden in vier verschillende
klassen. Klasse 1 omvat abnormaliteiten tijdens de synthese van het
protene (bv tijdens de transcriptie), terwijl verkeerd transport
naar het celmembraan ten gevolge van posttranslationele
eiwitverwerking tot klasse 2 behoort (bv. opvouwing van het
protene, trafficking). Slechte gating van het ionenkanaal en
slechte permeatie (ionselectiviteit) zijn respectievelijk klasse 3
en 4. Door een gain-of-function mutatie zal het kanaal meer
functioneren dan normaal (Saenen en Vrints, 2008). Bij LQTS betreft
het vooral verlies-van-functie-mutaties van K+-kanalen of winst aan
functie mutaties van Na+- of Ca2+-kanalen . Verschillende kanalen
in het hart bestaan uit meerdere subeenheden. De manier waarop
mutante en gezonde subeenheden met elkaar interageren is een
belangrijk gegeven voor het fenotype van het LQTS. Omdat bepaalde
typen van LQTS als een autosomaal dominant kenmerk doorgegeven
worden, betekent dit dat een patint in het bezit is van zowel een
gezond als een ziek allel. De mutaties in de kanalen kunnen
haplo-insufficint of dominant-negatief zijn (January et al., 2000).
Indien een reductie van 50% in het aantal functionerende kanalen
ontstaat omdat de mutante subeenheden niet goed gencorporeerd
kunnen worden in het celmembraan spreekt men van
haplo-insufficintie (Moss et al., 2007). Indien de mutante en
gezonde subeenheden kunnen interageren met elkaar, maar de mutante
subeenheden de werking van de gezonde subeenheden tegengaan,
verkrijgt men een reductie van het aantal werkende kanalen in het
celmembraan >50%. Men spreekt van een dominant-negatief effect.
Het is overduidelijk dat een dominant-negatief effect een langere
QTC golf zal geven op het EKG dan een haplo-insufficint effect
(January et al., 2000; Moss et al., 2007) (Delisle et al., 2004;
Goldenberg en Moss, 2008; Saenen en Vrints, 2008). LQTS1 Het
LQTS-type-1 is een autosomaal dominante erfelijke ziekte. Een
mutatie in het KCNQ1 (KVLQT1) gen, gelegen op chromosoom 11p15
(Saenen en Vrints, 2008), dat codeert voor de -subeenheid van het
K+-kanaal veroorzaakt het LQTS type-1. Dit kanaal staat in voor de
trage component van de rapidly activating, delayed rectifier
stroom, IKs. Een functioneel kanaal bestaande uit 4 subeenheden.
Elke subeenheid bestaat uit een carboxyl (C)-terminaal en een amino
(N)-terminaal uiteinde. Tussen beide uiteinden bevinden zich 6
transmembranaire domeinen (S1S6). De porie regio is gelegen tussen
S5-S6. Het is deze regio van de 4 subeenheden die samen de
selectiviteit bepalen van het kanaal (Moss et al., 2007). Mutaties
kunnen voorkomen in de 3 gebieden. De meest voorkomende mutaties
zijn missense mutaties, vooral gelokaliseerd in het
transmembranaire gebied. Door de vertraagde repolarisatie ten
gevolge van een loss-of-function ziet men op het EKG de
karakteristieke T-golf gecorreleerd met LQTS1 (Figuur 4). De T-golf
bevat een zeer brede basis (Farwell en Gollob, 2007). LQTS2 Het
LQTS-type-2 wordt gekenmerkt door mutaties in het KCNH2 gen
(Bhuiyan et al., 2013), gelegen op chromosoom 7q35-36 (Curran et
al., 1995), dat het human-ether-a-go-go-related protein (HERG)
codeert. Vier HERG -subeenheden vormen samen met MiRPI het IKr
kanaal (Splawski et al., 2000). Dit kanaal staat in voor de rapidly
activating, delayed rectifier kaliumstroom (Gong et al., 2007; Moss
et al., 2002). Elke HERG subeenheid bestaat uit 6 membraan
overspannende domeinen (S1S6) geflankeerd door zowel een carboxyl
(C)- als een amino (N)regio. De porie regio is gelegen tussen S5-S6
(Moss et al., 2002). De gating eigenschappen van het IKr kanaal
zijn zeer opmerkelijk. Tijdens de depolarisatie zullen de kanalen
openen tot de stroom een maximum amplitude behaalt tussen de -10mV
en 0 mV. Dan volgt
-
een snelle inactivatie. De kanalen zijn dus niet lang open
waardoor er maar een gelimiteerd aantal K+ ionen door de kanalen
kunnen vloeien. In tegenstelling tot de depolarisatie, zullen de
kanalen tijdens de repolarisatie snel overgaan naar een actieve
staat en heel traag sluiten of overgaan naar een inactieve staat.
Bijgevolg blijven de kanalen veel langer open tijdens de
repolarisatie . Uit onderzoek is gebleken dat de IKr stroom zijn
maximum amplitude behaald tijdens fase 2 en 3 van de
actiepotentiaal (January et al., 2000; Sanguinetti et al., 1995).
Hieruit kan afgeleid worden dat de IKr stroom belangrijk is voor
het in stand houden van de plateaufase. Het LQTS-type-2 is een
autosomaal dominante ziekte. Dit betekent dat er 1 mutant allel
aanwezig is dat werd doorgegeven aan de patint (of dat er een de
novo mutatie heeft plaatsgevonden). De mutaties in het KCNH2 gen
zorgen voor een verlaging van de IKr stroom (verlies aan functie).
De mutatie in het HERG protene kan plaatsvinden in de porie regio,
carboxyl-terminale- of amino-terminale-regio. De mutatie kan een
missense, nonsense, splice site of frameshift veroorzaken. Een lage
T-amplitude en een gebifurceerde configuratie is duidelijk te zien
op het EKG van een type-2 patint (zie figuur 4) (Farwell en Gollob,
2007). LQTS3 Het derde type van het LQTS wordt gekenmerkt op het
EKG door een lang ST-segment en een T-golf met een lage amplitude
(Farwell en Gollob, 2007; Song en Shou, 2012). SCN5A codeert voor
de -subeenheid van het Na+-kanaal in het hart. Het gen is gelegen
op chromosoom 3p21-24 (Wang et al., 1995). De spanningsgevoelige
Na+-kanalen zijn hoogst noodzakelijk voor de initiatie van de
depolarisatie en dus voor de verdere propagatie van de AP doorheen
het gehele hart. Het kanaal bestaat uit een - en een -subeenheid.
De -subeenheid bestaat uit 4 homologe domeinen die allemaal 6
transmembranaire segmenten omvatten, namelijk S1S6. De linker regio
is aanwezig tussen segment 5 en 6 van elk domein en zal zorgen voor
het ontstaan van de porie. De S4 fragmenten bevatten positief
geladen aminozuren die fungeren als spanningssensoren. Dit is de
reden waardoor de kanalen zo snel kunnen reageren op een
verandering in stroom. In tegenstelling tot de vorige twee types is
het LQTS type-3 een voorbeeld van een gain-of-function. Na de
depolarisatie zal het Na+-kanaal vertraagd sluiten, waardoor een
instroom van Na+ aanwezig blijft tijdens de AP. Dit is de oorzaak
voor de verlenging van het QT-interval. De verlenging van de
plateaufase door de late INa stroom zal er voor zorgen dat de
repolarisatie later zal plaatsvinden met als uiteindelijk gevolg,
kans op ontwikkeling van hartritmestoornissen (Song en Shou, 2012).
Opmerkelijk is wel dat er families onderzocht zijn met een mutatie
in SCN5A die zowel tekenen geven van het lang LQTS type-3 als het
Brugada syndroom (Bezzina et al., 1999). Het Brugada syndroom is
ook een primaire elektrische aandoening en wordt gekenmerkt door de
verhoging van het ST-segment in minstens 1 van de rechter
precordiale geleiders. Mutaties in verschillende genen zijn de
oorzaak van het Brugada syndroom. Het grootste deel van de mutaties
zijn gelegen in het SCN5A gen. Dat is hetzelfde gen waarin een
mutatie kan leiden tot type 3 van het LQTS (Nielsen et al.,
2013).
Fig. 4 Karakteristieke kenmerken van de T golf bij LQTS1-3.
(Farwell en Gollob, 2007) LQTS4 Het gen ANK2, gelegen op chromosoom
4q25-27 (Schott et al., 1995), codeert voor een protene dat behoort
tot een groep van adapter protenen, meer specifiek Ankyrin, die
geassocieerd zijn met membraankanalen. Ankyrin speelt een rol bij
het verankeren van protenen aan membraandomeinen.
-
Mutaties kunnen leiden tot verkeerde of slechte lokalisatie van
de protenen of een verlaagde activiteit van de ionenkanalen. Het
LQTS-type-4 is hierdoor het eerste type dat niet direct kanaal
gerelateerd is (Saenen en Vrints, 2008). Een mutatie in ANK2 leidt
tot een verhoogde intracellulaire Ca2+-concentratie in de
cardiomyociet (Bhuiyan et al., 2013). De gevolgen van het
LQTS-type-4 zijn behalve een lang QT segment ook nog bradycardie,
sinus arrhythmia en ventriculaire fibrillatie (Saenen en Vrints,
2008). LQTS5 De slowly activating delayed rectifier K+-stroom
bestaat niet enkel uit het protene gecodeerd door KCNQ1 maar ook
uit het minK protene gecodeerd door het KCNE1 gen. MinK is de
-subeenheid van het IKs kanaal. De transmembranaire protenen
gevormd door het KNCE1 gen hebben een belangrijke rol in het
moduleren van verschillende K+ stromen. Uit onderzoek is gebleken
dat mutaties in het KNCE1 gen verschillende fenotypes tot gevolg
kunnen hebben. Deze zijn: dominante suppressie of verandering in
gating van IKs of een niet dominant trafficking defect van het minK
protene. (Krumerman et al., 2004). Met behulp van
immunofluorescentie werd aangetoond dat mutaties ervoor zorgen dat
het ionenkanaal tegengehouden wordt in het endoplasmatisch
reticulum (ER) terwijl wild-type (wt) minK protene wel tot
uitdrukking kwam. Om de verandering van lokalisatie van KvLQT1 aan
te tonen werd een soort gelijke techniek gebruikt. KvLQT1 komt tot
expressie. Er was geen expressie van het KvLQT1 ter hoogte van het
celmembraan als het tot co-expressie kwam met een mutant. Er was
wel een intracellulaire expressie aanwezig, met een ligging
gelijkend op het ER. Om het effect op de IKs te bepalen werden er
ook patch clamp technieken gebruikt. Indien de cellen enkel KvQTL1
vertoonde, vond er zowel een snelle activatie als een snelle
inactivatie plaats. Als het in combinatie was met de wild-type minK
protene verhoogde de amplitude van de stroom immens en vond er een
verandering van de kanaal kinetiek plaats. De karakteristieken van
de IKs stroom vertoonde zich. De mutante minK protene zorgde voor
een enorme reductie in de amplitude van de stroom (~91% reductie in
vergelijking met het wt-minK protene) (Krumerman et al., 2004).
Fig.5 analyse van de patch clamp techniek. LQTS6 Mutaties in het
protene Mink-gerelateerd peptide 1 (MiRP1) zijn verantwoordelijke
voor het LQTS-type 6. Het MiRP1 protene wordt gecodeerd door het
KCNE2 gen. Het gen is gelegen op chromosoom 21q22.1. KCNE2 heeft
34% homologie met KCNE1 en beide genen hebben dezelfde
exonstructuur. Dit
-
suggereert dat MiRP1 en MinK gerelateerd zijn door gen
duplicatie als divergente evolutie (Abbott et al., 1999) Het MiRP1
bestaat uit 123 aminozuren en omvat n transmembranair segment. Het
segment bestaat uit twee amino gelinkte glycosylatie sites, het
transmembranaire deel en uiteindelijk twee protene kinase C
gemedieerde fosforylatie sites. De membraantopologie van MiRP1 is
gelijkend op de MinK topologie. MiRP1 co-assembleert met HERG dat
instaat voor de porievormende eenheid voor de rapidly activating,
delayed rectifier K+-stroom. Het MiRP1/HERG complex benadert de IKr
stroom veel dichter dan de HERG subeenheden alleen. De kinetiek van
de deactivatie, de spanningsafhankelijke activatie, farmacologie,
gevoeligheid van externe K+ en de geleiding van MiRP1/HERG
complexen is meer gelijkend op de IKr stroom (Abbott et al., 1999).
LQTS7 LQTS-type 7 staat ook bekend als Andersen syndroom (AS). Het
AS is een zeer zeldzame ziekte, hoewel het autosomaal dominant
doorgegeven wordt, met een enorme variabele penetrantie gaande van
niet-penetrante gendragers tot patinten die ernstig zijn aangetast
met verschillende symptomen. De oorzaken van de verschillen in
expressie kunnen o.a. de genetische achtergrond of
omgevingsfactoren zijn. De klinische kenmerken gaan van de typische
hartritme stoornissen bij LQTS tot fysische kenmerken zoals een
klein gestalte, hypertelorisme, breed voorhoofd, periodische
paralyse etc. (Plaster et al., 2001). Mutaties in het KCNJ2 gen dat
codeert voor het inward rectifier K+ kanaal Kir2.1 leiden tot LQTS7
(Tristani-Firouzi et al., 2002). Het gen is gelegen op chromosoom
17q23. Het Kir2.1 bestaat uit een intracellulair gelegen
amino-terminaal uiteinde, twee transmembranaire segmenten en een
carboxyl-terminaal uiteinde dat ook intracellulair gelegen is.
Onderzoekers denken dat de Kir kanalen homo- of heterotetrameren
vormen met een porie gelegen tussen de transmembranaire segmenten.
Het kanaal komt zowel voor in het hart- en hersenweefsel als in het
spierweefsel. In het hart is dit kanaal verantwoordelijk voor de
inward rectifier, dit betekent dat het kanaal verlies van K+
tijdens de plateaufase verhindert. Bij potentialen van =< -40mV
kan er een extracellulair gerichte K+ stroom lopen doorheen de Kir
kanalen. Deze potentialen worden bereikt tijdens de repolarisatie
en de diastolische fase van de AP in het hart (Plaster et al.,
2001). Onderzoek heeft aangetoond dat een reductie in Kir 2.1 leidt
tot een prolongatie van de terminale fase van de AP in het hart.
(Tristani-Firouzi et al., 2002). De mutatie in het KCNJ2 gen
bestaan uit deleties, substituties of de novo mutaties met een
dominant negatief effect als gevolg. Er is een significante
gelijkenis tussen de omvang van het dominant negatief effect en
tussen het fenotype (Tristani-Firouzi et al., 2002). LQTS7 is in
verschillende opzichten anders dan de andere subtypes. Het Kir2.1
kanaal komt voor zowel in hartspierweefsel als dwarsgestreept
spierweefsel wat leidt tot een verschillend fenotype in beide
weefsels. LQTS7 is hiermee het eerste type dat ook ander weefsel
aantast dan hartspierweefsel. Sommige patinten leiden hierdoor aan
periodische paralyse. Dit is het gevolg van hyperexcitabiliteit van
het spierweefsel dat kan overgaan in inexcitabiliteit van het
spierweefsel. Dit kan ook voorkomen in het hartweefsel en leidt tot
ernstige gevolgen (Tristani-Firouzi et al., 2002). LQTS8 Ook wel
gekend als het Timothy syndroom (TS). Het syndroom tast
verschillende organen aan zoals de hersenen, het hart, vingers etc.
De mutaties in het 8 exon in het gen CACNA1C1 coderend voor het
L-type Ca2+-kanaal (van het hart) leiden tot een afwezigheid van
inactivatie van het spannings-gevoelige kanaal. De gevonden
mutaties zijn telkens de novo gain-of-function mutaties. De
mutaties vinden steeds plaats in zeer geconserveerde sequenties ter
hoogte van het carboxyl-uiteinde van het zesde transmembranaire
segment van het eerste domein. Als gevolg verkrijgt men een
toenemende intracellulaire concentratie van Ca2+ dat zal leiden tot
een verlenging van depolarisatie (Splawski et al., 2005). LQTS9
Mutaties in het CAV3 gen liggen aan de basis van LQTS-type 9. CAV3
codeert voor het caveolin-3 protene dat zowel aanwezig is in het
skelet- als hartspierweefsel. Caveolae spelen een rol in
intracellulaire signaaltransductie pathways en vesiculaire
trafficking (Vatta et al., 2006). Caveolin-3 bestaat uit 151
aminozuren ingedeeld in vier domeinen. Het protene bestaat uit een
transmembranair deel, een carboxyl-terminaal uiteinde, een
amino-terminaal uiteinde en een steiger gedeelte. Het amino- 1
http://www.omim.org/entry/601005?search=Long%20QT%20syndroom%208&highlight=8%20syndroom%20qt%20long
-
terminaal uiteinde bevat het kenmerkende FEDVIAEP domein, het
transmembranair gedeelte vormt een extracellulaire lus. Dat
betekent dat zowel het carboxyl- als het amino-terminaal uiteinde
intracellulair gelegen zijn. Verschillende caveolin-3 protenen
vormen complexen om vervolgens te fuseren met het lipide membraan
om zo uiteindelijk de caveolae te vormen (Hedley et al., 2013;
Vaidyanathan et al., 2013). Bepaalde ionenkanalen zijn geassocieerd
met caveolin-3. Voorbeelden van deze kanalen zijn het
spanningsgevoelige Na+-kanaal (gecodeerd door SCN5A, LQTS3), de
-subeenheid van het spanningsgevoelige K+-kanaal (gecodeerd door
KCNH2, LQTS2), de Na+/Ca2+-transporter en het L-type Ca2+-kanaal.
Bepaalde signaalmoleculen bevinden zich in de caveolae zoals de
2-adrenerge receptor. Door deze kenmerken staan de caveolae in voor
de functie van de ionenkanalen, het signaleren van bepaalde
pathways en het compartimenteren van de cel (Hedley et al., 2013;
Vatta et al., 2006). Hiermee is caveolin-3 het tweede protene dat
kan leiden tot LQTS dat niet direct een deel is van een
ionenkanaal. Omdat de caveolae geassocieerd zijn met verschillende
ionenkanalen kan dit type van LQTS verschillende effecten vertonen
op verschillende ionenstromen. De missense mutaties die effect
hebben op de Na+-stroom komen voor in elk van de vier domeinen (zie
figuur 6). Onderzoek heeft aangetoond dat caveolin-3 en het
Na+-kanaal co-lokaliseren in het hart en dus deel kunnen zijn van
hetzelfde protenecomplex. Mutaties leiden tot een verhoging van de
late Na+ -stroom. De ernst van het effect is afhankelijk van de
aard van de mutatie. Met behulp van immunoprecipitatie werd
aangetoond dat de verhoging niet te wijten is aan een slechtere
werking tussen beiden componenten. Deze mutaties hebben dus een
duidelijk gain-of-function effect (Vatta et al., 2006). Mutaties in
caveolin-3 kunnen ook effect hebben op de IKr stroom in het
hartspierweefsel. De mutaties leiden tot een verlaging van de K+
stroom. Met immunoprecipitatie en fluorescense resonance energy
transfer (FRET) heeft men vastgesteld dat caveolae en het K+-kanaal
co-lokaliseren ter hoogte van het lipide membraan. Sommige mutaties
brengen ook een U-golf tot stand op het EKG. Dit is te wijten aan
het functieverlies van deze bepaalde K+-stroom. De mutaties in CAV3
zorgen voor een verlaging van expressie van het K+-kanaal ter
hoogte van het lipide membraan. Een mutatie is ontdekt die zorgt
voor een accumulatie van CAV3 en de protenen van het K+-kanaal.
(Vaidyanathan et al., 2013).
Fig. 6 Mutatie en domein map van caveolin-3 (Hedley et al.,
2013) LQTS10 SCN5A codeert voor de -subeenheid van het Na+1.5
kanaal in het hartspierweefsel. Het kanaal bestaat niet alleen uit
de porievormende -subeenheid maar ook uit enkele hulp subeenheden,
de -subeenheden. SCN4B is het gen dat codeert voor de 4-subeenheid.
Deze -subeenheden bevatten een type-I topologie. Dit houdt in dat
het protene bestaat uit een extracelullair amino-terminale regio,
een transmembranair segment en een carboxyl-terminaal uiteinde dat
intracellulair gelegen is. Deze -subeenheden spelen een rol in
verschillende processen zoals signaaltransductie, celadhesie,
kanaalexpressie etc. Mutaties in het SCN4B gen leiden tot een
gain-of-function in de late Na+-stroom. Dit is de oorzaak van het
lange ST-segment met een laat gevormde T-golf op het EKG. Dit is te
vergelijken met het EKG van LQTS3 patinten. De penetrantie van dit
gen is geen 100% en de expressie van het fenotype hangt niet enkel
en alleen af van de mutatie in het SCN5B gen ook modificerende
genen zouden een rol spelen (Medeiros-Domingo et al., 2007). LQTS11
Mutaties in het gen AKAP9 (Yotiao) leiden tot LQTS-type 11.
A-kinase anchoring protenen (AKAP) zijn eiwitten die noodzakelijk
zijn voor de lokalisatie van enzymen van verschillende pathways.
Zoals bijvoorbeeld protene kinase A, fosfatasen en andere kinasen.
AKAPs zijn eiwitcomplexen die instaan
-
voor de fosforylering van verschillende ionenkanalen in het
hart. Deze kanalen zijn de ryanodinereceptor (intracellulair
calcium-release kanaal), het L-type Ca2+ kanaal en het slowly
activating delayed rectifier IKs kalium kanaal. Zoals figuur 7
duidelijk weergeeft is er een interactie aanwezig tussen Yotiao en
KCNQ1. Deze interactie is gebaseerd op een verbinding met 3
componenten, het distale carboxyl-terminale uiteinde van KCNQ1 en
zowel het amino- als het carboxyl-terminale uiteinde van Yotiao.
Mutaties in het AKAP9 gen leiden tot een verlaagde protene kinase A
fosforylatie van KCNQ1, een slechtere binding tussen KCNQ1 en
Yotiao, vernietigt het antwoord van KCNQ1 op cyclisch
adenosinemonofosfaat (cAMP). De mutaties hebben in een
computermodel van een ventriculaire myociet ook een verlenging van
de APD tot gevolg (Chen et al., 2007).
Fig. 7 Het bindingsmechanisme tussen Yotiao en KCNQ1 (Chen et
al., 2007). LQTS12 Het gen SNTA1 codeert voor het syntrophin-1
protene. Dat is een protene van het cytoskelet waarvan aangetoond
is dat het kan interageren met het Na+-kanaal in het
hartspierweefsel. Bijgevolg kunnen mutaties in het SNTA1 gen de
functie van het Na+ kanaal aantasten . Dit is bewezen met een
co-immunoprecipitatie assay van het hNav1.5 kanaal met SNTA1. De
verschillende isovormen van syntrophin zijn al gevonden in zowel
spier- als hartspierweefsel als zenuwweefsel. Syntrophins zijn
componenten van het dystrophin-associated protein complex. Mutaties
in SNTA1 zorgen voor een gain-of-function door een linkse shift in
de activatiecurve zonder een shift in de inactivatiecurve. Hierdoor
blijven de kanalen langer open en ontstaat er een T-golf met een
laat begin op het EKG. Patinten met een mutatie in het SNTA1 gen
hadden ook een mutatie in het KCNQ1 gen (IVS7+5G>A). M.b.v.
computervoorspellingen bekwam men de vorming van een cryptic splice
site die leidt tot een insertie in een van de twee allelen van het
KCNQ1 gen (Wu et al., 2008). LQTS13 Het KCNJ5 gen codeert voor de
G-protene gekoppelde, inwardly rectifying K+ kanaal subeenheid
Kir3.4. De stroom IKAch staat in voor het parasympatisch effect op
het hart (ritmevertraging) en voor de repolarisatie van de AP in de
atria. De stroom wordt gevormd door kanalen die gevormd worden door
homo- of heteromultimere complexen bestaande uit Kir3.1 en Kir3.4
subeenheden. De parasympaticus stelt presynaptisch acetylcholine
(Ach) vrij, wat leidt tot de activatie van de muscarine M2
receptor. Dat proces leidt vervolgens tot de activatie van de
heteromultimere complexen door de subeenheden van het G-protene.
Onderzoek heeft aangetoond dat mutaties in dit gen leiden tot een
loss-of-function. Mutaties in het protene Kir3.4 hebben als gevolg
dat er geen gezonde heteromere complexen gevormd kunnen worden.
Hierdoor hebben de patinten amper kanaalactiviteit en een minimale
reactie op Ach (Yang et al., 2010). LQTS 14 & 15 Het veertiende
subtype van het LQTS is gecorreleerd met mutaties in genen die
coderen voor het protene calmoduline. De drie genen die coderen
voor het calmoduline zijn gelegen op chromosoom 14 (CALM1), 2
(CALM2) en 19 (CALM3). Calmoduline gebruikt Ca2+-ionen om invloed
uit te oefenen op bepaalde kinasen, ionenkanalen en andere target
protenen. Calmoduline bevat 4 EF hand domeinen, elk domein bestaat
uit 2 -helices waar zich een lus tussen bevindt. De binding
calmoduline-Ca2+ bevindt zich daar. De gekende mutaties die leiden
tot LQTS14 vinden plaats op het CALM1 gen (Crotti et al., 2013).
Mutaties in de sequentie van het CALM2 gen leiden tot LQTS15
(Makita et al., 2014). De lagere hoeveelheid werkende calmoduline
zal een effect vertonen op verschillende processen in het
-
hartspierweefsel. Calmoduline speelt o.a. een rol als
Ca2+-sensor nodig voor de inactivatie van het L-type
spannings-gevoelig calcium kanaal (Crotti et al., 2013). Conclusie
Mutaties in genen die instaan voor de aanmaak van ionenkanalen
leiden tot een verlenging van het QT-segment in het EKG en hebben
pathologische gevolgen voor het ritme in het hart. Dit zijn
conclusies die bekomen zijn na de eerste onderzoeken omtrent LQTS.
Onderzoeken hier op volgend waren meer gericht naar moleculen die
een bepaalde rol hebben in pathways die verschillende effecten
kunnen uitoefenen op de ionenkanalen. Ik denk dat de kans bestaat
dat er nog nieuwe subtypes ontdekt gaan worden de volgende jaren
omdat onderzoekers zich nu meer op moleculen zoals de laatst
genoemde gaan richten. Bedankwoord Graag wil ik Prof. Dr. Lut Van
Laer bedanken voor al haar hulp en steun. Samenvattende tabel
Subtype Gen Benvloed kanaal/moleculen LQTS1 KCNQ1 IKs
LQTS2 KCNH2 IKr
LQTS3 SCN5A INa
LQTS4 ANK2 Ankyrin
LQTS5 KCNE1 MinK
LQTS6 KCNE2 MiRP1
LQTS7 KCNJ2 Kir2.1
LQTS8 CACNA1C L-type Ca2+ kanaal
LQTS9 CAV3 Caveolin-3
LQTS10 SCN4B -subeenheid INa
LQTS11 AKAP9 A-kinase anchoring protene
LQTS12 SNTA1 syntrophin-1 protene
LQTS13 KCNJ5 Kir3.4
LQTS14 CALM1 Calmoduline
LQTS15 CALM2 Calmoduline Tabel 1 Referenties Abbott GW, Sesti F,
Splawski I, Buck ME, Lehmann MH, Timothy KW, Keating MT, Goldstein
SA: MiRP1 forms IKr potassium channels with HERG and is associated
with cardiac arrhythmia. Cell 97, 175-187, 1999 Bezzina C, Veldkamp
MW, van Den Berg MP, Postma AV, Rook MB, Viersma JW, van Langen IM,
Tan-Sindhunata G, Bink-Boelkens MT, van Der Hout AH, Mannens MM,
Wilde AA: A single Na(+) channel mutation causing both long-QT and
Brugada syndromes. Circulation research 85, 1206-1213, 1999 Bhuiyan
ZA, Al-Shahrani S, Al-Aama J, Wilde AA, Momenah TS: Congenital Long
QT Syndrome: An Update and Present Perspective in Saudi Arabia.
Frontiers in pediatrics 1, 39, 2013 Boron WF, Boulpaep EL: MEDICAL
PHYSIOLOGY: A CELLULAR AND MOLECULAR APPROACH (Philadelphia, PA
19103 - 2899: Saunders), 2012
-
Chen L, Marquardt ML, Tester DJ, Sampson KJ, Ackerman MJ, Kass
RS: Mutation of an A-kinase-anchoring protein causes long-QT
syndrome. Proceedings of the National Academy of Sciences of the
United States of America 104, 20990-20995, 2007 Crotti L, Johnson
CN, Graf E, De Ferrari GM, Cuneo BF, Ovadia M, Papagiannis J,
Feldkamp MD, Rathi SG, Kunic JD, Pedrazzini M, Wieland T, Lichtner
P, Beckmann BM, Clark T, Shaffer C, Benson DW, Kaab S, Meitinger T,
Strom TM, Chazin WJ, Schwartz PJ, George AL, Jr.: Calmodulin
mutations associated with recurrent cardiac arrest in infants. 127,
1009-1017, 2013 Curran ME, Splawski I, Timothy KW, Vincent GM,
Green ED, Keating MT: A molecular basis for cardiac arrhythmia:
HERG mutations cause long QT syndrome. Cell 80, 795-803, 1995
Delisle BP, Anson BD, Rajamani S, January CT: Biology of cardiac
arrhythmias: ion channel protein trafficking. Circulation research
94, 1418-1428, 2004 Dumotier BM: A straightforward guide to the
basic science behind arrhythmogenesis. Heart 100, 1907-1915, 2014
Farwell D, Gollob MH: Electrical heart disease: Genetic and
molecular basis of cardiac arrhythmias in normal structural hearts.
The Canadian journal of cardiology 23 Suppl A, 16A-22A, 2007
Goldenberg I, Moss AJ: Long QT syndrome. Journal of the American
College of Cardiology 51, 2291-2300, 2008 Gong Q, Zhang L, Vincent
GM, Horne BD, Zhou Z: Nonsense mutations in hERG cause a decrease
in mutant mRNA transcripts by nonsense-mediated mRNA decay in human
long-QT syndrome. Circulation 116, 17-24, 2007 Hedley PL, Kanters
JK, Dembic M, Jespersen T, Skibsbye L, Aidt FH, Eschen O, Graff C,
Behr ER, Schlamowitz S, Corfield V, McKenna WJ, Christiansen M: The
role of CAV3 in long-QT syndrome: clinical and functional
assessment of a caveolin-3/Kv11.1 double heterozygote versus
caveolin-3 single heterozygote. Circulation. Cardiovascular
genetics 6, 452-461, 2013 January CT, Gong Q, Zhou Z: Long QT
syndrome: cellular basis and arrhythmia mechanism in LQT2. Journal
of cardiovascular electrophysiology 11, 1413-1418, 2000 Krumerman
A, Gao X, Bian JS, Melman YF, Kagan A, McDonald TV: An LQT mutant
minK alters KvLQT1 trafficking. American journal of physiology.
Cell physiology 286, C1453-1463, 2004 Makita N, Yagihara N, Crotti
L, Johnson CN, Beckmann BM, Roh MS, Shigemizu D, Lichtner P,
Ishikawa T, Aiba T, Homfray T, Behr ER, Klug D, Denjoy I,
Mastantuono E, Theisen D, Tsunoda T, Satake W, Toda T, Nakagawa H,
Tsuji Y, Tsuchiya T, Yamamoto H, Miyamoto Y, Endo N, Kimura A,
Ozaki K, Motomura H, Suda K, Tanaka T, Schwartz PJ, Meitinger T,
Kaab S, Guicheney P, Shimizu W, Bhuiyan ZA, Watanabe H, Chazin WJ,
George AL, Jr.: Novel calmodulin mutations associated with
congenital arrhythmia susceptibility. 7, 466-474, 2014
Medeiros-Domingo A, Kaku T, Tester DJ, Iturralde-Torres P, Itty A,
Ye B, Valdivia C, Ueda K, Canizales-Quinteros S, Tusie-Luna MT,
Makielski JC, Ackerman MJ: SCN4B-encoded sodium channel beta4
subunit in congenital long-QT syndrome. Circulation 116, 134-142,
2007 Moss AJ, Shimizu W, Wilde AA, Towbin JA, Zareba W, Robinson
JL, Qi M, Vincent GM, Ackerman MJ, Kaufman ES, Hofman N, Seth R,
Kamakura S, Miyamoto Y, Goldenberg I, Andrews ML, McNitt S:
Clinical aspects of type-1 long-QT syndrome by location, coding
type, and biophysical function of mutations involving the KCNQ1
gene. Circulation 115, 2481-2489, 2007 Moss AJ, Zareba W, Kaufman
ES, Gartman E, Peterson DR, Benhorin J, Towbin JA, Keating MT,
Priori SG, Schwartz PJ, Vincent GM, Robinson JL, Andrews ML, Feng
C, Hall WJ, Medina A, Zhang L, Wang Z: Increased risk of arrhythmic
events in long-QT syndrome with mutations in the pore region of the
human ether-a-go-go-related gene potassium channel. Circulation
105, 794-799, 2002 Nielsen MW, Holst AG, Olesen SP, Olesen MS: The
genetic component of Brugada syndrome. Frontiers in physiology 4,
179, 2013 Plaster NM, Tawil R, Tristani-Firouzi M, Canun S,
Bendahhou S, Tsunoda A, Donaldson MR, Iannaccone ST, Brunt E,
Barohn R, Clark J, Deymeer F, George AL, Jr., Fish FA, Hahn A, Nitu
A,
-
Ozdemir C, Serdaroglu P, Subramony SH, Wolfe G, Fu YH, Ptacek
LJ: Mutations in Kir2.1 cause the developmental and episodic
electrical phenotypes of Andersen's syndrome. Cell 105, 511-519,
2001 Saenen JB, Vrints CJ: Molecular aspects of the congenital and
acquired Long QT Syndrome: clinical implications. Journal of
molecular and cellular cardiology 44, 633-646, 2008 Sanguinetti MC,
Jiang C, Curran ME, Keating MT: A mechanistic link between an
inherited and an acquired cardiac arrhythmia: HERG encodes the IKr
potassium channel. Cell 81, 299-307, 1995 Schott JJ, Charpentier F,
Peltier S, Foley P, Drouin E, Bouhour JB, Donnelly P, Vergnaud G,
Bachner L, Moisan JP, et al.: Mapping of a gene for long QT
syndrome to chromosome 4q25-27. American journal of human genetics
57, 1114-1122, 1995 Song W, Shou W: Cardiac sodium channel Nav1.5
mutations and cardiac arrhythmia. Pediatric cardiology 33, 943-949,
2012 Splawski I, Shen J, Timothy KW, Lehmann MH, Priori S, Robinson
JL, Moss AJ, Schwartz PJ, Towbin JA, Vincent GM, Keating MT:
Spectrum of mutations in long-QT syndrome genes. KVLQT1, HERG,
SCN5A, KCNE1, and KCNE2. Circulation 102, 1178-1185, 2000 Splawski
I, Timothy KW, Decher N, Kumar P, Sachse FB, Beggs AH, Sanguinetti
MC, Keating MT: Severe arrhythmia disorder caused by cardiac L-type
calcium channel mutations. 102, 8089-8096; discussion 8086-8088,
2005 Tester DJ, Ackerman MJ: Genetics of long QT syndrome.
Methodist DeBakey cardiovascular journal 10, 29-33, 2014
Tristani-Firouzi M, Jensen JL, Donaldson MR, Sansone V, Meola G,
Hahn A, Bendahhou S, Kwiecinski H, Fidzianska A, Plaster N, Fu YH,
Ptacek LJ, Tawil R: Functional and clinical characterization of
KCNJ2 mutations associated with LQT7 (Andersen syndrome). The
Journal of clinical investigation 110, 381-388, 2002 Vaidyanathan
R, Vega AL, Song C, Zhou Q, Tan BH, Berger S, Makielski JC,
Eckhardt LL: The interaction of caveolin 3 protein with the
potassium inward rectifier channel Kir2.1: physiology and pathology
related to long qt syndrome 9 (LQT9). The Journal of biological
chemistry 288, 17472-17480, 2013 Vatta M, Ackerman MJ, Ye B,
Makielski JC, Ughanze EE, Taylor EW, Tester DJ, Balijepalli RC,
Foell JD, Li Z, Kamp TJ, Towbin JA: Mutant caveolin-3 induces
persistent late sodium current and is associated with long-QT
syndrome. Circulation 114, 2104-2112, 2006 Wang Q, Shen J, Splawski
I, Atkinson D, Li Z, Robinson JL, Moss AJ, Towbin JA, Keating MT:
SCN5A mutations associated with an inherited cardiac arrhythmia,
long QT syndrome. Cell 80, 805-811, 1995 Wu G, Ai T, Kim JJ,
Mohapatra B, Xi Y, Li Z, Abbasi S, Purevjav E, Samani K, Ackerman
MJ, Qi M, Moss AJ, Shimizu W, Towbin JA, Cheng J, Vatta M:
alpha-1-syntrophin mutation and the long-QT syndrome: a disease of
sodium channel disruption. Circulation. Arrhythmia and
electrophysiology 1, 193-201, 2008 Yang Y, Yang Y, Liang B, Liu J,
Li J, Grunnet M, Olesen SP, Rasmussen HB, Ellinor PT, Gao L, Lin X,
Li L, Wang L, Xiao J, Liu Y, Liu Y, Zhang S, Liang D, Peng L,
Jespersen T, Chen YH: Identification of a Kir3.4 mutation in
congenital long QT syndrome. American journal of human genetics 86,
872-880, 2010 Zareba W, Cygankiewicz I: Long QT syndrome and short
QT syndrome. Progress in cardiovascular diseases 51, 264-278,
2008