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