Rationale: Phosphodiesterase Type 5 (PDE5) inhibition represents a novel strategy for the treatment of pulmonary hypertension. Objectives: Our aim was to establish the distribution of PDE5 in the pulmonary vasculature and effects of PDE5 inhibition on pulmonary artery smooth muscle cells (PASMCs). Methods and Measurements: PDE5 expression was examined by immunohistochemistry and Western blotting, in both normal and hypertensive lung tissues. DNA synthesis, proliferation, PDE activity, and apoptosis were measured in distal human PASMCs treated with soluble guanylyl cyclase activators (nitric oxide donors and BAY41–2272) and sildenafil. Main Results: Cells containing PDE5 and α-smooth muscle actin occurred throughout the pulmonary vasculature, including obstructive intimal lesions. Three molecular forms of PDE5 were identified and protein expression was greater in hypertensive than control lung tissue. Most cyclic guanosine monophosphate hydrolysis (about 80%) in cultured cells was attributed to PDE5. Sildenafil induced a greater elevation of intracellular cyclic guanosine monophosphate levels compared with nitric oxide donors and BAY41–2272 (about 10-fold versus about 2-fold) and cotreatment had a synergistic effect, increasing cyclic nucleotide levels up to 50-fold. Dual stimulation of soluble guanylyl cyclase and inhibition of PDE5 activities also had significant downstream effects, increasing phosphorylation of vasodilator-stimulated phosphoprotein, reducing DNA synthesis and cell proliferation, and stimulating apoptosis, and these effects were mimicked by cyclic guanosine monophosphate analogs. Conclusions: Phosphodiesterase Type 5 is the main factor regulating cyclic guanosine monophosphate hydrolysis and downstream signaling in human PASMCs. The antiproliferative effects of this signaling pathway may be significant in the chronic treatment of pulmonary hypertension with PDE5 inhibitors such as sildenafil.

Background: Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a rare disorder leading to premature death. Rare genetic variants contribute to disease etiology but the contribution of common genetic variation to disease risk and outcome remains poorly characterized. Methods: We performed two separate genome-wide association studies of PAH using data across 11,744 European-ancestry individuals (including 2,085 patients), one with genotypes from 5,895 whole genome sequences and another with genotyping array data from 5,849 further samples. Cross-validation of loci reaching genome-wide significance was sought by meta-analysis. We functionally annotated associated variants and tested associations with duration of survival. Findings: A locus at HLA-DPA1/DPB1 within the class II major histocompatibility (MHC) region and a second near SOX17 were significantly associated with PAH. The SOX17 locus contained two independent signals associated with PAH. Functional and epigenomic data indicate that the risk variants near SOX17 alter gene regulation via an enhancer active in endothelial cells. PAH risk variants determined haplotype-specific enhancer activity and CRISPR-inhibition of the enhancer reduced SOX17 expression. Analysis of median survival showed that PAH patients with two copies of the HLA-DPA1/DPB1 risk variant had a two-fold difference (>16 years versus 8 years), compared to patients homozygous for the alternative allele. Interpretation: We have found that common genetic variation at loci in HLA-DPA1/DPB1 and an enhancer near SOX17 are associated with PAH. Impairment of Sox17 function may be more common in PAH than suggested by rare mutations in SOX17. Allelic variation at HLA-DPB1 stratifies PAH patients for survival following diagnosis, with implications for future therapeutic trial design. Funding: UK NIHR, BHF, UK MRC, Dinosaur Trust, NIH/NHLBI, ERS, EMBO, Wellcome Trust, EU, AHA, ACClinPharm, Netherlands CVRI, Dutch Heart Foundation, Dutch Federation of UMC, Netherlands OHRD and RNAS, German DFG, German BMBF, APH Paris, Inserm, Universite Paris-Sud, and French ANR.

Abstract Aims Potential loss-of-function variants of ATP13A3 , the gene encoding a P5B-type transport ATPase of undefined function, were recently identified in pulmonary arterial hypertension (PAH) patients. ATP13A3 is implicated in polyamine transport but its function has not been fully elucidated. Here, we sought to determine the biological function of ATP13A3 in vascular endothelial cells and how PAH-associated mutations may contribute to disease pathogenesis. We also generated mice harbouring an Atp13a3 variant analogous to a human disease-associated variant to establish whether these mice develop PAH. Methods and Results We studied the impact of ATP13A3 deficiency and overexpression in endothelial cell (EC) models (human pulmonary ECs, blood outgrowth ECs (BOECs) and HMEC-1 cells), including a PAH patient-derived BOEC line harbouring an ATP13A3 variant (LK726X). ATP13A3 localised to the recycling endosomes of human ECs. Knockdown of ATP13A3 in ECs generally reduced the basal polyamine content, consistently reduced putrescine uptake, and altered the expression of enzymes involved in polyamine metabolism. Conversely, overexpression of wild-type ATP13A3 increased polyamine uptake, with an overall preference of putrescine > spermidine > spermine. Functionally, loss of ATP13A3 was associated with reduced EC proliferation, increased apoptosis in serum starvation and increased monolayer permeability to thrombin. Assessment of five PAH-associated missense ATP13A3 variants (L675V, M850I, V855M, R858H, L956P) confirmed loss-of-function phenotypes represented by impaired polyamine transport and dysregulated EC function. Furthermore, mice carrying a heterozygous germ-line Atp13a3 frameshift variant representing a human mutation spontaneously developed a PAH phenotype, with increased pulmonary pressures, right ventricular remodelling and muscularisation of pulmonary vessels. Conclusion We identify ATP13A3 as a polyamine transporter, deficiency of which leads to EC dysfunction and predisposes to PAH. This suggests a need for targeted therapies to alleviate the imbalances in polyamine homeostasis and EC dysfunction in PAH. Translational perspective Rare missense ATP13A3 disease-associated variants have been identified in patients with pulmonary arterial hypertension (PAH), though their pathogenicity has not been confirmed as the function of ATP13A3 is not known. We have identified ATP13A3 as a polyamine transporter, showing that ATP13A3 deficiency impaired polyamine homeostasis and uptake, and drove endothelial dysfunction. Conversely, overexpression increased polyamine uptake and rescued the proapoptotic phenotype of cells harbouring a disease-associate variant. Mice heterozygous for a disease-associated Atp13a3 mutation spontaneously develop PAH. These findings support the rationale for exploring dysregulated polyamine homeostasis in PAH and suggest a potential for therapeutic targeting of polyamine pathways in PAH.

Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a rare disorder with a poor prognosis. Deleterious variation within components of the transforming growth factor-β pathway, particularly the bone morphogenetic protein type 2 receptor (BMPR2), underlie most heritable forms of PAH. Since the missing heritability likely involves genetic variation confined to small numbers of cases, we performed whole genome sequencing in 1038 PAH index cases and 6385 PAH-negative control subjects. Case-control analyses revealed significant overrepresentation of rare variants in novel genes, namely ATP13A3, AQP1 and SOX17, and provided independent validation of a critical role for GDF2 in PAH. We provide evidence for familial segregation of mutations in SOX17 and AQP1 with PAH. Mutations in GDF2, encoding a BMPR2 ligand, led to reduced secretion from transfected cells. In addition, we identified pathogenic mutations in the majority of previously reported PAH genes, and provide evidence for further putative genes. Taken together these findings provide new insights into the molecular basis of PAH and indicate unexplored pathways for therapeutic intervention.

Background: Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a rare disorder leading to premature death. Rare genetic variants contribute to disease etiology but the contribution of common genetic variation to disease risk and outcome remains poorly characterized. Methods: We performed two separate genome-wide association studies of PAH using data across 11,744 European-ancestry individuals (including 2,085 patients), one with genotypes from 5,895 whole genome sequences and another with genotyping array data from 5,849 further samples. Cross-validation of loci reaching genome-wide significance was sought by meta-analysis. We functionally annotated associated variants and tested associations with duration of survival. Findings: A locus at HLA-DPA1/DPB1 within the class II major histocompatibility (MHC) region and a second near SOX17 were significantly associated with PAH. The SOX17 locus contained two independent signals associated with PAH. Functional and epigenomic data indicate that the risk variants near SOX17 alter gene regulation via an enhancer active in endothelial cells. PAH risk variants determined haplotype-specific enhancer activity and CRISPR-inhibition of the enhancer reduced SOX17 expression. Analysis of median survival showed that PAH patients with two copies of the HLA-DPA1/DPB1 risk variant had a two-fold difference (>16 years versus 8 years), compared to patients homozygous for the alternative allele. Interpretation: We have found that common genetic variation at loci in HLA-DPA1/DPB1 and an enhancer near SOX17 are associated with PAH. Impairment of Sox17 function may be more common in PAH than suggested by rare mutations in SOX17. Allelic variation at HLA-DPB1 stratifies PAH patients for survival following diagnosis, with implications for future therapeutic trial design. Funding: UK NIHR, BHF, UK MRC, Dinosaur Trust, NIH/NHLBI, ERS, EMBO, Wellcome Trust, EU, AHA, ACClinPharm, Netherlands CVRI, Dutch Heart Foundation, Dutch Federation of UMC, Netherlands OHRD and RNAS, German DFG, German BMBF, APH Paris, Inserm, Universite Paris-Sud, and French ANR.

Background To date, approximately 25% of patients with pulmonary arterial hypertension (PAH) have been found to harbour rare mutations in disease-causing genes. Given the small number of patients affected by mutations in most PAH genes, the identification of the missing heritability in PAH is challenging. We hypothesised that integrating deep phenotyping data with whole-genome sequencing data will reveal additional disease variants that are extremely rare and/or have a unique phenotypic signature.Methods We analysed whole-genome sequencing data from 13,037 participants enrolled in the NIHR BioResource - Rare Diseases (NIHRBR-RD) study, of which 1148 were recruited to the PAH domain. To test for genetic associations between genes and selected phenotypes of pulmonary hypertension (PH), we used the Bayesian rare-variant association method BeviMed. We defined the groups for comparison by assigning labels (‘tags’) inferred from the current diagnostic classification of PAH, stratification by age at diagnosis and transfer coefficient of carbon monoxide (KCO).Results Protein truncating variants (PTV) in KDR were strongly associated with the lower KCO tertile (posterior probability (PP)=0.989) and the higher age tertile (PP=0.912) groups. On computed tomographic imaging of the lungs, a range of parenchymal abnormalities were observed in the patients harbouring PTV in KDR . KCO stratification also highlighted an association between Isocitrate Dehydrogenase (NAD(+)) 3 Non-Catalytic Subunit Gamma ( IDH3G ) and moderately reduced KCO in patients with pulmonary hypertension (PP=0.920). The US PAH Biobank was used to independently validate these findings and identified four additional PAH cases with PTV in KDR and two in IDH3G . We confirmed associations between previously established genes and PAH.Conclusions PTVs in KDR , the gene encoding vascular endothelial growth factor receptor 2 (VEGFR2), are significantly associated with two specific phenotypes of PAH, reduced KCO and later age of onset, highlighting a role for VEGF signalling in the pathogenesis of human PAH. We also report IDH3G as a new PAH risk gene. Moreover, we demonstrate that the use of deep clinical phenotyping data advances the identification of novel causative rare variants.