Background: Restrictive cardiomyopathy (RCM) is a rare heart disease associated with mutations in sarcomeric genes and with phenotypic overlap with hypertrophic cardiomyopathy. There is no approved therapy. Here, we explore the potential of an interfering RNA (RNAi) therapeutic for a human sarcomeric mutation in MYL2 causative of restrictive cardiomyopathy in a mouse model. Methods: AAV9-M7.8L shRNA was selected from a pool of RNAi oligonucleotides containing the SNV in different positions to specifically target the mutated allele causative of RCM by FACS screening. Two groups of RLC-N47K transgenic mice were injected with a single dose of AAV9-M7.8L shRNA at 3 days of age and at 60 days of age. Mice were subjected to treadmill exercise and echocardiography after treatment to determine VO2max and left ventricular mass. At the end of treatment, heart, lung, liver and kidney tissue was harvested to determine viral tropism and for transcriptome and proteomic analysis. Cardiomyocytes were isolated for single cell studies. Results: One time injection of AAV9-M7.8L RNAi in 3-day-old humanized RLC mutant transgenic mice silenced the mutated allele (RLC-47K) with minimal effects on the normal allele (RLC-47N) assayed 16 weeks post-injection. AAV9-M7.8L RNAi suppressed the expression of hypertrophic biomarkers, reduced heart weight and attenuated a pathological increase in left ventricular mass (LVM). Single adult cardiac myocytes from mice treated with AAV9-M7.8L showed partial restoration of the maximal contraction velocity with marked reduction in hypercontractility as well as relaxation kinetics and improved time to maximal calcium reuptake velocity. In addition, cardiac stress protein biomarkers, such as calmodulin-dependent protein kinase II (CAMKII) and the transcription activator Brg1 were reduced suggesting recovery towards a healthy myocardium. Transcriptome analyses further revealed no significant changes of argonaute (AGO1, AGO2) and endoribonuclease dicer (DICER1) transcripts while endogenous microRNAs were preserved suggesting the RNAi pathway was not saturated. Conclusions: Our results show the feasibility, efficacy, and safety of RNAi therapeutics directed at human restrictive cardiomyopathy. This is a promising step towards targeted therapy for a prevalent human disease.

Allele-specific RNA silencing has been shown to be an effective therapeutic treatment in a number of diseases, including neurodegenerative disorders. Studies of allele-specific silencing in hypertrophic cardiomyopathy to date have focused on mouse models of disease. Here, we investigate two methods of allele-specific silencing, short hairpin RNA (shRNA) and antisense oligonucleotide (ASO) silencing, using a human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocyte (hiPSC-CM) model of disease. We used cellular micropatterning devices with traction force microscopy and automated video analysis to examine each strategy's effects on contractile defects underlying disease. We find that shRNA silencing ameliorates contractile phenotypes of disease, reducing disease-associated increases in cardiomyocyte velocity, force, and power. We find that ASO silencing, while better able to target and knockdown a specific disease-associated allele, showed more modest improvements in contractile phenotypes. We find a dissociation between allelic-specificity and functional improvements between the two tested therapeutic strategies, suggesting a more complex method of allelic control underlying HCM-associated transcripts.

Background: Clinical sequencing has traditionally focused on genomic DNA through the use of targeted panels and exome sequencing, rather than investigating the potential transcriptomic consequences of disease-associated variants. RNA sequencing has recently been shown to be an effective additional tool for identifying disease-causing variants. We here use targeted long-read genome and transcriptome sequencing to efficiently and economically identify molecular consequences of a rare, disease-associated variant in hypertrophic cardiomyopathy (HCM). Methods and Results: Our study, which employed both Pacific Biosciences SMRT sequencing and Oxford Nanopore Technologies MinION sequencing, as well as two RNA targeting strategies, identified alternatively-spliced isoforms that resulted from a splice-site variant containing allele in HCM. These included a predicted in-frame exon-skipping event, as well as an abundance of additional isoforms with unexpected intron-inclusion, exon-extension, and pseudo-exon events. The use of long-read RNA sequencing allowed us to not only investigate full length alternatively-spliced transcripts but also to phase them back to the variant-containing allele. Conclusions: We suggest that targeted, long-read RNA sequencing in conjunction with genome sequencing may provide additional molecular evidence of disease for rare or de novo variants in cardiovascular disease, as well as providing new information about the consequence of these variants on downstream RNA and protein expression.

Abstract Rationale Cell-cell interactions are crucial for the development and function of the organs. Endothelial cells act as essential regulators of tissue growth and regeneration. In the heart, endothelial cells engage in delicate bidirectional communication with cardiomyocytes. The mechanisms and mediators of this crosstalk are still poorly known. Furthermore, endothelial cells in vivo are exposed to blood flow and their phenotype is greatly affected by shear stress. Objective We aimed to elucidate how cardiomyocytes regulate the development of organotypic phenotype in endothelial cells. In addition, the effects of flow-induced shear stress on endothelial cell phenotype were studied. Methods and results Human induced pluripotent stem cell (hiPSC) -derived cardiomyocytes and endothelial cells were grown either as a monoculture or as a coculture. hiPS-endothelial cells were exposed to flow using the Ibidi-pump system. Single-cell RNA sequencing was performed to define cell populations and to uncover the effects on their transcriptomic phenotypes. The hiPS-cardiomyocyte differentiation resulted in two distinct populations; atrial and ventricular. Coculture had a more pronounced effect on hiPS-endothelial cells compared to hiPS-cardiomyocytes. Coculture increased hiPS-endothelial cell expression of transcripts related to vascular development and maturation, cardiac development, and the expression of cardiac endothelial cell -specific genes. Exposure to flow significantly reprogrammed the hiPS-endothelial cell transcriptome, and surprisingly, promoted the appearance of both venous and arterial clusters. Conclusions Single-cell RNA sequencing revealed distinct atrial and ventricular cell populations in hiPS-cardiomyocytes, and arterial and venous-like cell populations in flow exposed hiPS-endothelial cells. hiPS-endothelial cells acquired cardiac endothelial cell identity in coculture. Our study demonstrated that hiPS-cardiomoycytes and hiPS-endothelial cells readily adapt to coculture and flow in a consistent and relevant manner, indicating that the methods used represent improved physiological cell culturing conditions that potentially are more relevant in disease modelling. In addition, novel cardiomyocyte-endothelial cell crosstalk mediators were revealed.