We evaluated the role of Cypher/ZASPin the pathogenesis of dilated cardiomyopathy (DCM) with or without isolated non-compaction of the left ventricular myocardium (INLVM). Dilated cardiomyopathy, characterized by left ventricular dilation and systolic dysfunction with signs of heart failure, is genetically transmitted in 30% to 40% of cases. Genetic heterogeneity has been identified with mutations in multiple cytoskeletal and sarcomeric genes causing the phenotype. In addition, INLVM with a hypertrophic dilated left ventricle, ventricular dysfunction, and deep trabeculations, is also inherited, and the genes identified to date differ from those causing DCM. Cypher/ZASPis a newly identified gene encoding a protein that is a component of the Z-line in both skeletal and cardiac muscle. Diagnosis of DCM was performed by echocardiogram, electrocardiogram, and physical examination. In addition, levels of the muscular isoform of creatine kinase were measured to evaluate for skeletal muscle involvement. Cypher/ZASPwas screened by denaturing high performance liquid chromatography (DHPLC) and direct deoxyribonucleic acid sequencing. We identified and screened 100 probands with left ventricular dysfunction. Five mutations in six probands (6% of cases) were identified in patients with familial or sporadic DCM or INLVM. In vitro studies showed cytoskeleton disarray in cells transfected with mutated Cypher/ZASP. These data suggest that mutated Cypher/ZASPcan cause DCM and INLVM and identify a mechanistic basis.

Summary Hypoplastic left heart syndrome (HLHS) is a severe congenital heart defect with 30% mortality from heart failure (HF) in the first year of life, but why only some patients suffer early-HF and its cause remain unknown. Modeling using induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (iPSC-CM) showed early-HF patient iPSC-CM have increased apoptosis, redox stress, and failed antioxidant response. This was associated with mitochondrial permeability transition pore (mPTP) opening, mitochondrial hyperfusion and respiration defects. Whereas iPSC-CM from patients without early-HF had hyper-elevated antioxidant response with increased mitochondrial fission and mitophagy. Single cell transcriptomics showed dichotomization by HF outcome, with mitochondrial dysfunction and endoplasmic reticulum (ER) stress associated with early-HF. Importantly, oxidative stress and apoptosis associated with early HF were rescued by sildenafil inhibition of mPTP opening or TUDCA suppression of ER stress. Together these findings demonstrate a new paradigm for modeling clinical outcome in iPSC-CM, demonstrating uncompensated mitochondrial oxidative stress underlies early HF in HLHS.

Abstract The etiology of congenital heart defects (CHDs), amongst the most common human birth defects, is poorly understood partly because of its complex genetic architecture. Here we show that two genes previously implicated in CHDs, Megf8 and Mgrn1 , interact genetically and biochemically to regulate the strength of Hedgehog signaling in target cells. MEGF8, a single-pass transmembrane protein, and MGRN1, a RING superfamily E3 ligase, assemble to form a transmembrane ubiquitin ligase complex that catalyzes the ubiquitination and degradation of the Hedgehog pathway transducer Smoothened. Homozygous Megf8 and Mgrn1 mutations increased Smoothened abundance and elevated sensitivity to Hedgehog ligands. While mice heterozygous for loss-of-function Megf8 or Mgrn1 mutations were normal, double heterozygous embryos exhibited an incompletely penetrant syndrome of CHDs with heterotaxy. Thus, genetic interactions between components of a receptor-like ubiquitin ligase complex that tunes morphogen signaling strength can cause a birth defect syndrome inherited in an oligogenic pattern.

Abstract Left-right patterning disturbance can cause severe birth defects, but it remains least understood of the three body axes. We uncovered an unexpected role for metabolic regulation in left-right patterning. Analysis of the first spatial transcriptome profile of left-right patterning revealed global activation of glycolysis, accompanied by right-sided expression of Bmp7 and genes regulating insulin growth factor signaling. Cardiomyocyte differentiation was left-biased, which may underlie the specification of heart looping orientation. This is consistent with known Bmp7 stimulation of glycolysis and glycolysis suppression of cardiomyocyte differentiation. Liver/lung laterality may be specified via similar metabolic regulation of endoderm differentiation. Myo1d , found to be left-sided, was shown to regulate gut looping in mice, zebrafish, and human. Together these findings indicate metabolic regulation of left-right patterning. This could underlie high incidence of heterotaxy-related birth defects in maternal diabetes, and the association of PFKP, allosteric enzyme regulating glycolysis, with heterotaxy. This transcriptome dataset will be invaluable for interrogating birth defects involving laterality disturbance.