Alternative splicing affects the function of many cardiac proteins, including that of the sarcomeric protein titin. Wei Guo et al. now show that the gene RBM20, previously identified as mutated in some individuals with dilated cardiomyopathy, is a splicing factor that regulates the alternative splicing of the gene encoding titin and many other key cardiac genes. Alternative splicing has a major role in cardiac adaptive responses, as exemplified by the isoform switch of the sarcomeric protein titin, which adjusts ventricular filling. By positional cloning using a previously characterized rat strain with altered titin mRNA splicing, we identified a loss-of-function mutation in the gene encoding RNA binding motif protein 20 (Rbm20) as the underlying cause of pathological titin isoform expression. The phenotype of Rbm20-deficient rats resembled the pathology seen in individuals with dilated cardiomyopathy caused by RBM20 mutations. Deep sequencing of the human and rat cardiac transcriptome revealed an RBM20-dependent regulation of alternative splicing. In addition to titin (TTN), we identified a set of 30 genes with conserved splicing regulation between humans and rats. This network is enriched for genes that have previously been linked to cardiomyopathy, ion homeostasis and sarcomere biology. Our studies emphasize the key role of post-transcriptional regulation in cardiac function and provide mechanistic insights into the pathogenesis of human heart failure.

Androgens and estrogens are transported bound to the sex hormone binding globulin (SHBG). SHBG is believed to keep sex steroids inactive and to control the amount of free hormones that enter cells by passive diffusion. Contrary to the free hormone hypothesis, we demonstrate that megalin, an endocytic receptor in reproductive tissues, acts as a pathway for cellular uptake of biologically active androgens and estrogens bound to SHBG. In line with this function, lack of receptor expression in megalin knockout mice results in impaired descent of the testes into the scrotum in males and blockade of vagina opening in females. Both processes are critically dependent on sex-steroid signaling, and similar defects are seen in animals treated with androgen- or estrogen-receptor antagonists. Thus, our findings uncover the existence of endocytic pathways for protein bound androgens and estrogens and their crucial role in development of the reproductive organs.

Analyzing contractile force, the most important and best understood function of cardiomyocytes in vivo is not established in human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hiPSC-CM). This study describes the generation of 3D, strip-format, force-generating engineered heart tissues (EHT) from hiPSC-CM and their physiological and pharmacological properties. CM were differentiated from hiPSC by a growth factor-based three-stage protocol. EHTs were generated and analyzed histologically and functionally. HiPSC-CM in EHTs showed well-developed sarcomeric organization and alignment, and frequent mitochondria. Systematic contractility analysis (26 concentration-response curves) reveals that EHTs replicated canonical response to physiological and pharmacological regulators of inotropy, membrane- and calcium-clock mediators of pacemaking, modulators of ion-channel currents, and proarrhythmic compounds with unprecedented precision. The analysis demonstrates a high degree of similarity between hiPSC-CM in EHT format and native human heart tissue, indicating that human EHTs are useful for preclinical drug testing and disease modeling.

Abstract

 Spontaneously beating engineered heart tissue (EHT) represents an advanced in vitro model for drug testing and disease modeling, but cardiomyocytes in EHTs are less mature and generate lower forces than in the adult heart. We devised a novel pacing system integrated in a setup for videooptical recording of EHT contractile function over time and investigated whether sustained electrical field stimulation improved EHT properties. EHTs were generated from neonatal rat heart cells (rEHT, n=96) or human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived cardiomyocytes (hEHT, n=19). Pacing with biphasic pulses was initiated on day 4 of culture. REHT continuously paced for 16–18 days at 0.5Hz developed 2.2× higher forces than nonstimulated rEHT. This was reflected by higher cardiomyocyte density in the center of EHTs, increased connexin-43 abundance as investigated by two-photon microscopy and remarkably improved sarcomere ultrastructure including regular M-bands. Further signs of tissue maturation include a rightward shift (to more physiological values) of the Ca²⁺-response curve, increased force response to isoprenaline and decreased spontaneous beating activity. Human EHTs stimulated at 2Hz in the first week and 1.5Hz thereafter developed 1.5× higher forces than nonstimulated hEHT on day 14, an ameliorated muscular network of longitudinally oriented cardiomyocytes and a higher cytoplasm-to-nucleus ratio. Taken together, continuous pacing improved structural and functional properties of rEHTs and hEHTs to an unprecedented level. Electrical stimulation appears to be an important step toward the generation of fully mature EHT.

SummaryPluripotent embryonic stem cells (ESCs) maintain self-renewal while ensuring a rapid response to differentiation cues. The identification of genes maintaining ESC identity is important to develop these cells for their potential therapeutic use. Here we report a genome-scale RNAi screen for a global survey of genes affecting ESC identity via alteration of Oct4 expression. Factors with the strongest effect on Oct4 expression included components of the Paf1 complex, a protein complex associated with RNA polymerase II. Using a combination of proteomics, expression profiling, and chromatin immunoprecipitation, we demonstrate that the Paf1C binds to promoters of key pluripotency genes, where it is required to maintain a transcriptionally active chromatin structure. The Paf1C is developmentally regulated and blocks ESC differentiation upon overexpression, and the knockdown in ESCs causes expression changes similar to Oct4 or Nanog depletions. We propose that the Paf1C plays an important role in maintaining ESC identity.

Abstract Precise genome editing in combination with viral delivery systems provides a valuable tool for neuroscience research. Traditionally, the role of genes in neuronal circuits has been addressed by overexpression or knock-out/knock-down systems. However, those techniques do not manipulate the endogenous loci and therefore have limitations. Those constraints include that many genes exhibit extensive alternative splicing, which can be regulated by neuronal activity. This complexity cannot be easily reproduced by overexpression of one protein variant. The CRISPR activation and interference/inhibition systems (CRISPRa/i) directed to promoter sequences can modulate the expression of selected target genes in a highly specific manner. This strategy could be particularly useful for the overexpression of large proteins and for alternatively spliced genes, e.g. for studying large ion channels known to be affected in ion channelopathies in a variety of neurological diseases. Here, we demonstrate the feasibility of a newly developed CRISPRa/i toolbox to manipulate the promoter activity of the Cacna1h gene. Impaired, function of the low-voltage-activated T-Type calcium channel Ca V 3.2 is involved in genetic/mutational as well as acquired/transcriptional channelopathies that emerge with epileptic seizures. We show CRISPR-induced activation and inhibition of the Cacna1h locus in NS20Y cells and primary cortical neurons, as well as activation in mouse organotypic slice cultures. In future applications, the system offers the intriguing perspective to study functional effects of gain-of-function or loss-of-function variations in the Cacna1h gene in more detail. A better understanding of Ca V 3.2 channelopathies might result in a major advancement in the pharmacotherapy of Ca V 3.2 channelopathy diseases.