Skeletal muscle myosin-binding protein C (MyBP-C) is a myosin thick filament-associated protein; localized through its C terminus to distinct regions (C-zones) of the sarcomere. MyBP-C modulates muscle contractility, presumably through its N terminus extending from the thick filament and interacting with either the myosin head region and/or the actin thin filament. Two isoforms of MyBP-C (fast- and slow-type) are expressed in a muscle-type specific manner. Are the expression, localization, and Ca2+-dependent modulatory capacities of these isoforms different in fast-twitch extensor digitorum longus (EDL) and slow-twitch soleus (SOL) muscles derived from Sprague-Dawley rats? By mass spectrometry, four MyBP-C isoforms (one fast-type MyBP-C and three N-terminally spliced slow-type MyBP-C) were expressed in EDL but only the three slow-type MyBP-C isoforms in SOL. Using EDL and SOL native thick filaments in which the MyBP-C stoichiometry and localization are preserved, native thin filament sliding over these thick filaments showed that only in the C-zone, MyBP-C Ca2+-sensitizes the thin filament and slows thin filament velocity. These modulatory properties depended on MyBP-C's N-terminus, as N-terminal proteolysis attenuated MyBP-C's functional capacities. To determine each MyBP-C isoform's contribution to thin filament Ca2+-sensitization and slowing in the C-zone, we used a combination of in vitro motility assays using expressed recombinant N-terminal fragments and in silico mechanistic modeling. Our results suggest that each skeletal MyBP-C isoform's N terminus is functionally distinct and has modulatory capacities that depend on the muscle-type in which they are expressed, providing the potential for molecular tuning of skeletal muscle performance through differential MyBP-C expression.

During heart failure, gene and protein expression profiles undergo extensive compensatory and pathological remodeling. We previously observed that fast skeletal myosin binding protein-C (fMyBP-C) is upregulated in diseased mouse hearts. While fMyBP-C shares significant homology with its cardiac paralog, cardiac myosin binding protein-C (cMyBP-C), there are key differences that may affect cardiac function. However, it is unknown if the expression of fMyBP-C expression in the heart is a pathological or compensatory response. We aim to elucidate the cardiac consequence of either increased or knockout of fMyBP-C expression. To determine the sufficiency of fMyBP-C to cause cardiac dysfunction, we generated cardiac-specific fMyBP-C over-expression mice. These mice were further crossed into a cMyBP-C null model to assess the effect of fMyBP-C in the heart in the complete absence of cMyBP-C. Finally, fMyBP-C null mice underwent transverse aortic constriction (TAC) to define the requirement of fMyBP-C during heart failure development. We confirmed the upregulation of fMyBP-C in several models of cardiac disease, including the use of lineage tracing. Low levels of fMyBP-C caused mild cardiac remodeling and sarcomere dysfunction. Exclusive expression of fMyBP-C in a heart failure model further exacerbated cardiac pathology. Following 8 weeks of TAC, fMyBP-C null mice demonstrated greater protection against heart failure development. Mechanistically, this may be due to the differential regulation of the myosin super-relaxed state. These findings suggest that the elevated expression of fMyBP-C in diseased hearts is a pathological response. Targeted therapies to prevent upregulation of fMyBP-C may prove beneficial in the treatment of heart failure.

Abstract BACKGROUND MYBPC3 , encoding cardiac myosin binding protein-C (cMyBP-C), is the most mutated gene known to cause hypertrophic cardiomyopathy (HCM). However, since little is known about the underlying etiology, additional in vitro studies are crucial to defining the underlying molecular mechanisms. Accordingly, this study aimed to investigate the molecular mechanisms underlying the pathogenesis of HCM associated with a polymorphic variant (D389V) in MYBPC3 by using human-induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived cardiac organoids (hCOs). METHODS The hiPSC-derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs) and hCOs were generated from human subjects to define the molecular, cellular, and functional changes caused by the MYBPC3 D389V variant. This variant is associated with increased fractional shortening and is highly prevalent in South Asian descendants. Recombinant C0-C2, N’-region of cMyBP-C (wildtype and D389V), and myosin S2 proteins were also utilized to perform binding and motility assays in vitro . RESULTS Confocal and electron microscopic analyses of hCOs generated from noncarriers (NC) and carriers of the MYBPC3 D389V variant revealed the presence of highly organized sarcomeres. Furthermore, functional experiments showed hypercontractility with increased contraction velocity, faster calcium cycling, and faster contractile kinetics in hCOs expressing MYBPC3 D389V than NC hCOs. Interestingly, significantly increased cMyBP-C phosphorylation in MYBPC3 D389V hCOs was observed, but without changes in total protein levels, in addition to higher oxidative stress and lower mitochondrial membrane potential (ΔΨm). Next, spatial mapping revealed the presence of endothelial cells, fibroblasts, macrophages, immune cells, and cardiomyocytes in the hCOs. The hypercontractile function was significantly improved after treatment with the myosin inhibitor mavacamten (CAMZYOS®) in MYBPC3 D389V hCOs. Lastly, various in vitro binding assays revealed a significant loss of affinity in the presence of MYBPC3 D389V with myosin S2 region as a likely mechanism for hypercontraction. CONCLUSIONS Conceptually, we showed the feasibility of assessing the functional and molecular mechanisms of HCM using highly translatable hCOs through pragmatic experiments that led to determining the MYBPC3 D389V hypercontractile phenotype, which was rescued by administration of a myosin inhibitor. Novelty and Significance What Is Known? MYBPC3 mutations have been implicated in hypertrophic cardiomyopathy. D389V is a polymorphic variant of MYBPC3 predicted to be present in 53000 US South Asians owing to the founder effect. D389V carriers have shown evidence of hyperdynamic heart, and human-induced pluripotent stem cells (hiPSC)-derived cardiomyocytes with D389V show cellular hypertrophy and irregular calcium transients. The molecular mechanism by which the D389V variant develops pathological cardiac dysfunction remains to be conclusively determined. What New Information Does This Article Contribute ? The authors leveraged a highly translational cardiac organoid model to explore the role of altered cardiac calcium handling and cardiac contractility as a common pathway leading to pathophysiological phenotypes in patients with early HCM. The MYBPC3 D389V -mediated pathological pathway is first studied here by comparing functional properties using three-dimensional cardiac organoids differentiated from hiPSC and determining the presence of hypercontraction. Our data demonstrate that faster sarcomere kinetics resulting from lower binding affinity between D389V-mutated cMyBP-C protein and myosin S2, as evidenced by in vitro studies, could cause hypercontractility which was rescued by administration of mavacamten (CAMZYOS®), a myosin inhibitor. In addition, hypercontractility causes secondary mitochondrial defects such as higher oxidative stress and lower mitochondrial membrane potential (ΔΨm), highlighting a possible early adaptive response to primary sarcomeric changes. Early treatment of MYBPC3 D389V carriers with mavacamten may prevent or reduce early HCM-related pathology. GRAPHICAL ABSTRACT A graphical abstract is available for this article.

SUMMARY Pathogenic variants in alpha kinase 3 ( ALPK3 ) cause cardiomyopathy and musculoskeletal disease. How ALPK3 mutations result in disease remains unclear because little is known about this atypical kinase. Using a suite of engineered human pluripotent stem cells (hPSCs) we show that ALPK3 localizes to the M-Band of the sarcomere. ALPK3 deficiency disrupted sarcomeric organization and calcium kinetics in hPSC-derived cardiomyocytes and reduced force generation in cardiac organoids. Phosphoproteomic profiling identified ALPK3-dependant phospho-peptides that were enriched for sarcomeric components of the M-band and the ubiquitin-binding protein SQSTM1. Analysis of the ALPK3 interactome confirmed binding to M-band proteins including SQSTM1. Importantly, in hPSC-derived cardiomyocytes modeling ALPK3 deficiency and cardiomyopathic ALPK3 mutations, sarcomeric organization and M-band localization ofSQSTM1 were abnormal. These data suggest ALPK3 has an integral role in maintaining sarcomere integrity and proteostasis in striated muscle. We propose this mechanism may underly disease pathogenesis in patients with ALPK3 variants.

, encoding cardiac myosin binding protein-C (cMyBP-C), is the most mutated gene known to cause hypertrophic cardiomyopathy (HCM). However, since little is known about the underlying etiology, additional in vitro studies are crucial to defining the underlying molecular mechanisms. Accordingly, this study aimed to investigate the molecular mechanisms underlying the pathogenesis of HCM associated with a polymorphic variant (D389V) in