ABSTRACT Ca 2+ is a fundamental determinant of survival in living cells. Excessive intracellular Ca 2+ causes cellular toxicity and death but the genetic pathways contributing to Ca 2+ induced cell death are incompletely understood. Here, we performed genome-wide CRISPR knock-out screening in human cells challenged with the Ca 2+ ionophore ionomycin and identified genes and pathways essential for cell death after Ca 2+ overload. We discovered 115 protective gene knockouts, 82 of which are non-essential genes and 21 of which belong to the druggable genome. Notably, members of store operated Ca 2+ entry (SOCE), very long-chain fatty acid synthesis, and SWItch/Sucrose Non-Fermentable (SWI/SNF) pathways provided marked protection against Ca 2+ toxicity. These results reveal pathways previously unknown to mediate Ca 2+ -induced cell death and provide a resource for the development of pharmacotherapies against the sequelae of Ca 2+ overload in disease.

Reactive oxygen species (ROS) contribute to health and disease. CaMKII is a widely expressed enzyme whose activation by oxidation of regulatory domain methionines (ox-CaMKII) contributes to cardiovascular disease, asthma, and cancer. Here we integrate comparative genomic and experimental data to show that CaMKII activation by ROS arose more than half-a-billion years ago on the vertebrate stem lineage where it constituted a bridge between ROS and increased intracellular Ca2+ release, exercise responsive gene transcription, and improved performance in skeletal muscle. These enhancements to fight-or-flight physiology were likely key in facilitating a well-evidenced shift in the behavioural ecology of our immediate chordate ancestors, and, in turn, the evolutionary success of vertebrates. Still, the ox-CaMKII innovation for augmenting performance must be considered a critical evolutionary trade-off, as it rendered us more susceptible to common and often fatal diseases linked to excessive ROS.

Diabetes mellitus and atrial fibrillation (AF) are major unsolved public health problems, and diabetes is an independent risk factor for AF in patients. However, the mechanism(s) underlying this clinical association is unknown. Elevated protein O -GlcNAcylation (OGN) and reactive oxygen species (ROS) are increased in diabetic hearts, and calmodulin kinase II (CaMKII) is a proarrhythmic signal that may be activated by OGN (OGN-CaMKII) and ROS (ox-CaMKII). We induced type 1 (T1D) and type 2 diabetes (T2D) in a portfolio of genetic mouse models capable of dissecting the role of OGN and ROS at CaMKII and the type 2 ryanodine receptor (RyR2), an intracellular Ca2+ channel implicated as an important downstream mechanism of CaMKII-mediated arrhythmias. Here we show that T1D and T2D significantly increased AF, similar to observations in patients, and this increase required CaMKII. While T1D and T2D both require ox-CaMKII, they respond differently to loss of OGN-CaMKII. Collectively, our data affirm CaMKII as a critical proarrhythmic signal in diabetic AF, and suggest ROS primarily promotes AF by ox-CaMKII, while OGN promotes AF by diverse mechanisms and targets, including RyR2. However, the proarrhythmic consequences of OGN- and ox-CaMKII differ between T1D and T2D. These results provide new and unanticipated insights into the mechanisms for increased AF in diabetes mellitus, and suggest successful future therapies will need to be different for AF in T1D and T2D.* AF : Atrial fibrillation CaMKII : Calcium and calmodulin-dependent protein kinase II DM : Diabetes mellitus DON : Diazo-5-oxonorleucine MsrA : Methionine sulfoxide reductase A OGA : O -GlcNAcase OGN : O -GlcNAcylation (OGT) : O -GlcNAc transferase OGN-CaMKII : O -GlcNAcylated CaMKII ox-CaMKII : Oxidized CaMKII STZ : Streptozocin T1D : Type 1 diabetes mellitus T2D : Type 2 diabetes mellitus RyR2 : Type 2 ryanodine receptors

Abstract Ca 2+ /Calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) hyperactivity causes heart injury and arrhythmias—two major sources of mortality worldwide. Despite proven benefits of CaMKII inhibition in numerous preclinical models of heart disease, translation of CaMKII antagonists into humans has been stymied by low potency, toxicity, and an enduring concern for adverse effects on cognition due to an established role of CaMKII in learning and memory. To address these challenges, we asked if any clinically approved drugs, developed for other purposes, were potent CaMKII inhibitors. For this, we engineered a novel fluorescent biosensor, CaMKAR (CaMKII Activity Reporter), which features superior sensitivity, kinetics, and tractability for high throughput screening. Using this tool, we carried a drug repurposing screen (4,475 compounds in clinical use) in human cells expressing autonomously active CaMKII. This yielded five previously unrecognized CaMKII inhibitors with clinically relevant potency: ruxolitinib, baricitinib, silmitasertib, crenolanib, and abemaciclib. Standout among these, ruxolitinib, an orally bioavailable and U.S Food and Drug Administration (FDA)-approved medication, inhibited CaMKII in cultured cardiomyocytes and in mice at concentrations equivalent to human doses. 10-minute treatment in mice was sufficient to prevent atrial fibrillation— the most common clinical arrhythmia. At cardioprotective doses, ruxolitinib-treated mice behaved normally in established cognitive assays. Our results suggest that human CaMKII inhibition is feasible and safe, and support prompt clinical investigation of ruxolitinib for cardiac indications. One Sentence Summary We developed a CaMKII biosensor suitable for high throughput screening and identified ruxolitinib as a CaMKII inhibitor capable of rescuing cardiac arrhythmia.

Despite the clear association between myocardial injury, heart failure and depressed myocardial energetics, little is known about upstream signals responsible for remodeling myocardial metabolism after pathological stress. We found increased mitochondrial calmodulin kinase II (CaMKII) activation and left ventricular dilation in mice one week after myocardial infarction (MI) surgery. In contrast, mice with genetic mitochondrial CaMKII inhibition were protected from left ventricular dilation and dysfunction after MI. Mice with myocardial and mitochondrial CaMKII over-expression (mtCaMKII) had severe dilated cardiomyopathy and decreased ATP that caused elevated cytoplasmic resting (diastolic) Ca2+ concentration and reduced mechanical performance. We mapped a metabolic pathway that allowed us to rescue disease phenotypes in mtCaMKII mice, providing new insights into physiological and pathological metabolic consequences of CaMKII signaling in mitochondria. Our findings suggest myocardial dilation, a disease phenotype lacking specific therapies, can be prevented by targeted replacement of mitochondrial creatine kinase, or mitochondrial-targeted CaMKII inhibition.

Background: Heart failure is a leading cause of death worldwide and is associated with the rising prevalence of obesity, hypertension and diabetes. O-GlcNAcylation, a post-translational modification of intracellular proteins, serves as a potent transducer of cellular stress. Failing myocardium is marked by increased O-GlcNAcylation, but it is unknown if excessive O-GlcNAcylation contributes to cardiomyopathy and heart failure. The total levels of O-GlcNAcylation are determined by nutrient and metabolic flux, in addition to the net activity of two enzymes, O-GlcNAc transferase (OGT) and O-GlcNAcase (OGA). Methods: We developed two new transgenic mouse models with myocardial overexpression of OGT and OGA to control O-GlcNAclyation independent of pathological stress. Results: We found that OGT transgenic hearts showed increased O-GlcNAcylation, and developed severe dilated cardiomyopathy, ventricular arrhythmias and premature death. In contrast, OGA transgenic hearts had O-GlcNAcylation and cardiac function similar to wild type littermate controls. However, OGA trangenic hearts were resistant to pathological stress induced by pressure overload and had attenuated myocardial O-GlcNAcylation levels, decreased pathological hypertrophy and improved systolic function. Interbreeding OGT with OGA transgenic mice rescued cardiomyopathy and premature death despite persistant elevation of myocardial OGT. Transcriptomic and functional studies revealed disrupted mitochondrial energetics with impairment of complex I activity in hearts from OGT transgenic mice. Complex I activity was rescued by OGA transgenic interbreeding, suggesting an important role for mitochondrial complex I in O-GlcNAc mediated cardiac pathology. Conclusions: Our data provide evidence that excessive O-GlcNAcylation causes cardiomyopathy, at least in part, due to defective energetics. Enhanced OGA activity is well tolerated and attenuation of O-GlcNAcylation is an effective therapy against pressure overload induced heart failure. Attenuation of excessive O-GlcNAcylation may represent a novel therapeutic approach for cardiomyopathy.

ABSTRACT Rationale Cyclic adenosine monophosphate (cAMP) activation of protein kinase A (PKA) stimulates excitation-contraction coupling, increasing cardiac contractility. This is clinically leveraged by beta-adrenergic stimulation (β-ARs) or phosphodiesterase-3 inhibition (PDE3i), though both approaches are limited by arrhythmia and chronic myocardial toxicity. Phosphodiesterase-1 inhibition (PDE1i) also augments cAMP and was recently shown in rabbit cardiomyocytes to augment contraction independent of β-AR stimulation or blockade, and with less intracellular calcium rise than β-ARs or PDE3i. Early testing of PDE1 inhibition in humans with neuro-degenerative disease and dilated heart failure has commenced. Yet, the molecular mechanisms for PDE1i inotropic effects remain largely unknown. Objective Define the mechanism(s) whereby PDE1i increases contractility. Methods and Results Primary guinea pig myocytes which express the cAMP-hydrolyzing PDE1C isoform found in larger mammals and humans were studied. The potent, selective PDE1i (ITI-214) did not alter cell shortening or Ca 2+ transients under resting conditions whereas both increased with β-ARs or PDE3i. However, PDE1i enhanced shortening with less Ca 2+ rise in a PKA-dependent manner when combined with low-dose adenylate cyclase stimulation (Forskolin). Unlike PDE3i, PDE1i did not augment β-AR responses. Whereas β-ARs reduced myofilament Ca 2+ sensitivity and increased sarcoplasmic reticular Ca 2+ content in conjunction with greater phosphorylation of troponin I, myosin binding protein C, and phospholamban, PDE1i did none of this. However, PDE1i increased Ca v 1.2 channel conductance similar to PDE3i in a PKA-dependent manner. Myocyte shortening and peak Ca 2+ transients were more sensitive to Ca v 1.2 blockade with nitrendipine combined with PDE1i versus PDE3i. Lastly, PDE1i was found to be far less arrythmogenic than PDE3i. Conclusions PDE1i enhances contractility by a PKA-dependent increase in Ca v 1.2 conductance without concomitant myofilament desensitization. The result is less rise in intracellular Ca 2+ and arrhythmia compared to β-ARs and/or PDE3i. PDE1i could be a novel positive inotrope for failing hearts without the toxicities of β-ARs and PDE3i.