Molecular insights on arrhythmogenic cardiomyopathy: assessment of premature termination codons in desmosomal genes and variants reclassification

Abstract

Arrhythmogenic cardiomyopathy (ACM) is an entity that groups different clinical forms of hereditable cardiac diseases that are associated to ventricular arrhythmia and sudden cardiac death. The main cases are characterized by the substitution of cardiomyocytes with fibro-fatty tissue. Rare genetic variants in desmosomal genes are the principal genetic cause, but some non-desmosomal genes are also associated with ACM. The family history is an important parameter for the diagnosis of the disease, so many studies are increasingly focused on describing the role of genetic variants and its associated molecular alterations. However, there are still uncertainties to be answered on that direction.

The present thesis has the aim to describe the molecular mechanisms and functional consequences triggered by premature termination codons (PTC) in desmosomal genes using a CRISPR edited cellular line as an ACM model. Moreover, it also aims to determine how updated data of genetic ACM-associated variants impacts its classification.

Our results on the cellular model showed that a PTC in 5’ region of DSP and JUP triggers reinitation of translation due to an optimal genomic context of alternative ATG in-frame while PTC in 5’ located in PKP2, DSG2 and DSC2 activates nonsense-mediated decay causing the absence of the protein expression associated to a more deleterious effect. Functionally, the absence of the studied desmosomal genes triggered alterations in calcium handling. Specifically, the loss of PKP2, DSG2 or DSC2 causes a higher amplitude of the calcium peak while DSP loss triggers a quicker calcium uptake with a shorter amplitude of the peak. Finally, this thesis also described that new data of genetic variants associated to ACM, such as updated global frequencies, contribute to reduce the uncertainty in terms of variant classification.

In summary, although ACM physiopathology is complex and there are still lots of questions to be solved, the present thesis elucidated some of the key molecular pathophysiological mechanisms underlying the disease pointing into some directions worth to be explored in future ACM studies

La cardiomiopatia arritmogència (CA) és una entitat que agrupa diverses formes clíniques de malalties cardíaques hereditàries associades a arrítmies ventriculars i mort sobtada cardíaca. La majoria de casos estan caracteritzats per la substitució dels cardiomiòcits per teixit fibro-adipós. Les variants genètiques rares en gens desmosomals són la principal causa genètica, tot i que altres gens no-desmosomals també estan associats a la CA. La història familiar és un paràmetre important alhora de diagnosticar la malaltia, per la qual cosa hi ha cada vegada més estudis centrats en descriure el paper de les variants genètiques i les alteracions moleculars associades a aquestes. Tot i això, encara queden incerteses per resoldre en aquesta direcció.

La tesi té l’objectiu de descriure els mecanismes moleculars i les conseqüències funcionals desencadenades pels codons stop prematurs (CSP) en gens desmosomals utilitzant una línia cel·lular editada per CRISPR com a model de la CA. A més a més, també es pretén determinar quin impacte tenen les dades actualitzades sobre les variants genètiques associades a la CA en la seva classificació.

Els nostres resultats en el model cel·lular mostren que els CSP a la regió 5’ de DSP i JUP desencadenen el reinici de la traducció gràcies al context genòmic d’ATGs alternatius dins del marc de lectura mentre que els CSP situats a la regió 5’ de PKP2, DSG2 i DSC2 activen el “nonsense-mediated decay” causant l’absència de l’expressió proteica associada a un efecte més patogènic. Funcionalment, l’absència dels gens desmosomals estudiats desencadena alteracions en el cicle de calci. Específicament, la pèrdua de PKP2, DSG2 i DSC2 causa una major amplitud del pic de calci mentre que la pèrdua de DSP desencadena una recaptació del calci més ràpida amb una menor amplitud del pic. Finalment, aquesta tesi també descriu com les noves dades generades sobre les variants genètiques associades a CA, com ara les freqüències globals actualitzades, contribueixen a reduir la incertesa en termes de classificació de variants.

En resum, tot i que la fisiopatologia de la CA sigui complexa i hi hagi encara forces qüestions per resoldre, la present tesi desemmascara alguns mecanismes moleculars patofisiològics claus de la malaltia assenyalant noves direccions que valen la pena ser explorades en futurs estudis de CA