ABSTRACT Heart failure is a major source of mortality in Duchenne muscular dystrophy (DMD). DMD arises from mutations that ablate expression of the protein dystrophin, which render the plasma membrane unusually fragile and prone to disruption. In DMD patients, repeated mechanical stress leads to membrane damage and cardiomyocyte loss. Induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (iPSC-CMs) offer the opportunity to study specific mutations in the context of a human cell, but these models can be improved by adding physiologic stressors. We modeled the primary defect underlying DMD by applying equibiaxial mechanical strain to DMD iPSC-CMs. DMD iPSC-CMs demonstrated an increased susceptibility to equibiaxial strain after 2 hours at 10% strain relative to healthy control cells, measured as increased lactate dehydrogenase (LDH) release. After 24 hours, both DMD and healthy control iPSC-CMs showed evidence of injury with release of LDH and cardiac troponin T. We exposed iPSC-CMs to recombinant annexin A6, a protein resealing agent, and found reduced LDH and troponin release in DMD and control iPSC-CMs that had been subjected to 24 hour strain at 10%. We used aptamer protein profiling of media collected from DMD and control iPSC-CMs and compared these results to serum protein profiling from DMD patients. We found a strong correlation between the proteins in DMD patient serum and media from DMD iPSC-CMs subjected to mechanical stress. By developing an injury assay that specifically targets an underlying mechanism of injury seen in DMD-related cardiomyopathy, we demonstrated the potential therapeutic efficacy of the protein membrane resealer, recombinant annexin A6, for the treatment of DMD-related cardiomyopathy and general cardiac injury.

Over 500 genetic loci have been associated with risk of cardiovascular diseases (CVDs), however most loci are located in gene-distal non-coding regions and their target genes are not known. Here, we generated high-resolution promoter capture Hi-C (PCHi-C) maps in human induced pluripotent stem cells (iPSCs) and iPSC-derived cardiomyocytes (CMs) to provide a resource for identifying and prioritizing the functional targets of CVD associations. We validate these maps by demonstrating that promoters preferentially contact distal sequences enriched for tissue-specific transcription factor motifs and are enriched for chromatin marks that correlate with dynamic changes in gene expression. Using the CM PCHi-C map, we linked 1,999 CVD-associated SNPs to 347 target genes. Remarkably, more than 90% of SNP-target gene interactions did not involve the nearest gene, while 40% of SNPs interacted with at least two genes, demonstrating the importance of considering long-range chromatin interactions when interpreting functional targets of disease loci.

The failed heart is characterized by re-expression of a fetal gene program, which contributes to adaptation and maladaptation in heart failure. To define genomewide enhancer and promoter use in heart failure, Cap Analysis of Gene Expression (CAGE-seq) was applied to healthy and failed human left ventricles to define short RNAs associated with both promoters and enhancers. Integration of CAGE-seq data with RNA sequencing identified a combined ~17,000 promoters and ~1,500 enhancers active in healthy and failed human left ventricles. Comparing promoter usage between healthy and failed hearts highlighted promoter shifts which altered amino-terminal protein sequences. Comparing enhancer usage between healthy and failed hearts revealed a majority of differentially utilized heart failure enhancers were intronic and primarily localized within the first intron, identifying this position as a common feature associated with tissue-specific gene expression changes in the heart. This dataset defines the dynamic genomic regulatory landscape underlying heart failure and serves as an important resource for understanding genetic contributions to cardiac dysfunction.

Background: Genome sequencing coupled with electronic heath record data can uncover medically important genetic variation. Interpretation of rare genetic variation and its role in mediating cardiovascular phenotypes is confounded by variants of uncertain significance. Methods and Results: We analyzed the whole genome sequence of 900 racially and ethnically diverse biobank participants selected from a single US center. Participants were equally divided among European, African, Hispanic, and mixed race/ethnicities. We evaluated the American College of Medical Genetics and Genomics medically actionable list of 59 genes focusing on the cardiac genes. Variation was interpreted using the most recent reports in ClinVar, a database of medically relevant human variation. We identified 19 individuals with pathogenic/likely pathogenic variants in cardiac actionable genes (2%) and found evidence for clinical correlates in the electronic health record. African ancestry participants had more variants of uncertain significance in the medically actionable genes including the 30 cardiac actionable genes (p<0.05), even when normalized to total variant count per person. Longitudinal measures of left ventricle size, corrected for body surface area, from approximately 400 biobank participants (1,723 patient years) correlated with genetic findings. The presence of one or more uncertain variants in the actionable cardiac genes and a cardiomyopathy diagnosis correlated with increased left ventricular internal diameter in diastole (p<0.05) and in systole (p<0.01). In particular, MYBPC3 was identified as a gene with excess variants of uncertain significance. Conclusions: These data indicate a subset of uncertain variants may confer risk and should not be considered benign.

ABSTRACT Approximately 6 million adults in the US have heart failure (HF). HF progression is variable due in part to differences in sex, age, and genetic ancestry. Previous population-based genetic studies have largely focused on cross-sectional data related to HF, a disease known to change over time. Utilizing longitudinal data trajectory probabilities as a continuous trait may increase the likelihood of finding significant, biologically relevant associations in a genome-wide association (GWA) analysis. We analyzed data from the electronic health record in a medical biobank from a single, metropolitan US center to gather clinically pertinent data for analyses. We evaluated whole genome sequencing of 896 unrelated biobank participants, including 494 with at least 1 electrocardiogram and 324 who had more than 1 echocardiogram (∼3 observations per person). A censored normal distribution multivariable mixture model was used to cluster phenotype measures for genome-wide analyses. GWA analysis on the trajectory probability of the corrected QT measurement (QTc) taken from electrocardiograms identified significant associations with variants in regulatory regions proximal to the WLS gene, which encodes the Wnt ligand secretion mediator, Wntless. WLS was previously associated with QT length using of approximately 16,000 participants supporting the utility of this method to uncover significant genetic associations in small datasets. GWA analysis on the trajectory probability of left ventricular diameter as taken from echocardiograms identified novel significant associations with variants in regulatory regions near MYO10 , which encodes the unconventional Myosin-10. We found that trajectory probabilities improved the ability to discover significant and relevant genetic associations. This novel approach increased yield from smaller, well-phenotyped cohorts with longitudinal data from a medical biobank. AUTHOR SUMMARY Approximately 6 million adults in the US have heart failure, a disease known to change over time. In a hospital based electronic health record, electrocardiograms and echocardiograms, used to evaluate heart failure, can be tracked over time. We utilized these data to create a novel trait that can be applied to genetic analyses. We analyzed genome sequence of 896 biobank participants from diverse racial/ethnic backgrounds. Genome-wide association (GWA) analyses were performed on a subset of these individuals for heart failure outcomes. A statistical model that incorporates cardiac data that are tracked over time was used to cluster these data using a probabilistic approach. These probabilities were used for a GWA analysis for corrected QT measurement (QTc) and left ventricular diameter (LVID). The QTc interval analysis identified significant correlations with variants in regulatory regions near the WLS gene which encodes the Wnt ligand secretion mediator, Wntless. Analysis of LVID identified significant associations with variants in regulatory regions near the MYO10 gene which encodes the unconventional Myosin-10. Through these analyses, we found that using the trajectory probabilities can facilitate the discovery of novel significant, biologically relevant associations. This method reduces the need for larger cohorts, and increases yield from smaller, well-phenotyped cohorts.

Abstract The LMNA gene encodes the nuclear envelope proteins Lamins A and C, which comprise a major part of the nuclear lamina, provide mechanical support to the nucleus, and participate in diverse intracellular signaling. LMNA mutations give rise to a collection of diseases called laminopathies, including dilated cardiomyopathy ( LMNA -DCM) and muscular dystrophies. Although nuclear deformities are a hallmark of LMNA -DCM, the role of nuclear abnormalities in the pathogenesis of LMNA -DCM remains incompletely understood. Using induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (iPSC-CMs) from LMNA mutant patients and healthy controls, we show that LMNA mutant iPSC-CM nuclei have altered shape or increased size compared to healthy control iPSC-CM nuclei. The LMNA mutation exhibiting the most severe nuclear deformities, R249Q, additionally caused reduced nuclear stiffness and increased nuclear fragility. Importantly, for all cell lines, the degree of nuclear abnormalities corresponded to the degree of Lamin A/C and Lamin B1 mislocalization from the nuclear envelope. The mislocalization was likely due to altered assembly of Lamin A/C. Collectively, these results point to the importance of correct lamin assembly at the nuclear envelope in providing mechanical stability to the nucleus and suggest that defects in nuclear lamina organization may contribute to the nuclear and cellular dysfunction in LMNA -DCM.