The β-galactosidase reporter gene, either free or complexed with various cationic vectors, was microinjected into mammalian cells. Cationic lipids but not polyethylenimine or polylysine prevent transgene expression when complexes are injected in the nucleus. Polyethylenimine and to a lesser extent polylysine, but not cationic lipids, enhance transgene expression when complexes are injected into the cytoplasm. This latter effect was independent of the polymer vector/cDNA ionic charge ratio, suggesting that nucleic acid compaction rather than surface charge was critical for efficient nuclear trafficking. Cell division was not required for nuclear entry. Finally, comparative transfection and microinjection experiments with various cell lines confirm that barriers to gene transfer vary with cell type. We conclude that polymers but not cationic lipids promote gene delivery from the cytoplasm to the nucleus and that transgene expression in the nucleus is prevented by complexation with cationic lipids but not with cationic polymers.

The various cardiac regions have specific action potential properties appropriate to their electrical specialization, resulting from a specific pattern of ion-channel functional expression. The present study addressed regionally defined differential ion-channel expression in the non-diseased human heart with a genomic approach. High-throughput real-time RT-PCR was used to quantify the expression patterns of 79 ion-channel subunit transcripts and related genes in atria, ventricular epicardium and endocardium, and Purkinje fibres isolated from 15 non-diseased human donor hearts. Two-way non-directed hierarchical clustering separated atria, Purkinje fibre and ventricular compartments, but did not show specific patterns for epicardium versus endocardium, nor left- versus right-sided chambers. Genes that characterized the atria (versus ventricles) included Cx40, Kv1.5 and Kir3.1 as expected, but also Cav1.3, Cav3.1, Cav alpha2 delta2, Nav beta1, TWIK1, TASK1 and HCN4. Only Kir2.1, RyR2, phospholamban and Kv1.4 showed higher expression in the ventricles. The Purkinje fibre expression-portrait (versus ventricle) included stronger expression of Cx40, Kv4.3, Kir3.1, TWIK1, HCN4, ClC6 and CALM1, along with weaker expression of mRNA encoding Cx43, Kir2.1, KChIP2, the pumps/exchangers Na(+),K(+)-ATPase, NCX1, SERCA2, and the Ca(2+)-handling proteins RYR2 and CASQ2. Transcripts that were more strongly expressed in epicardium (versus endocardium) included Cav1.2, KChIP2, SERCA2, CALM3 and calcineurin-alpha. Nav1.5 and Nav beta1 were more strongly expressed in the endocardium. For selected genes, RT-PCR data were confirmed at the protein level. This is the first report of the global portrait of regional ion-channel subunit-gene expression in the non-diseased human heart. Our data point to significant regionally determined ion-channel expression differences, with potentially important implications for understanding regional electrophysiology, arrhythmia mechanisms, and responses to ion-channel blocking drugs. Concordance with previous functional studies suggests that regional regulation of cardiac ion-current expression may be primarily transcriptional.

Brugada syndrome is a genetic disease associated with sudden cardiac death that is characterized by ventricular fibrillation and right precordial ST segment elevation on ECG. Loss-of-function mutations in SCN5A, which encodes the predominant cardiac sodium channel α subunit NaV1.5, can cause Brugada syndrome and cardiac conduction disease. However, SCN5A mutations are not detected in the majority of patients with these syndromes, suggesting that other genes can cause or modify presentation of these disorders. Here, we investigated SCN1B, which encodes the function-modifying sodium channel β1 subunit, in 282 probands with Brugada syndrome and in 44 patients with conduction disease, none of whom had SCN5A mutations. We identified 3 mutations segregating with arrhythmia in 3 kindreds. Two of these mutations were located in a newly described alternately processed transcript, β1B. Both the canonical and alternately processed transcripts were expressed in the human heart and were expressed to a greater degree in Purkinje fibers than in heart muscle, consistent with the clinical presentation of conduction disease. Sodium current was lower when NaV1.5 was coexpressed with mutant β1 or β1B subunits than when it was coexpressed with WT subunits. These findings implicate SCN1B as a disease gene for human arrhythmia susceptibility.

Circadian rhythmicity of cardiac ion-channel expression and of an index of myocardial repolarization is under the control of Klf15, a clock-dependent oscillator that is required for generating transient outward potassium current, and deficiencies or excesses of which cause loss of rhythmic variation in myocardial and abnormal repolarization, and an enhanced susceptibility to ventricular arrhythmias. Several physiological parameters in the cardiovascular system show diurnal variation. Mukesh Jain and colleagues now provide a link between circadian rhythms and arrhythmogenesis in mice. They show that the transcription factor Klf15 is regulated by components of the circadian clock, and Klf15 in turn regulates expression of the ion channel KChIP2. In gain- and loss-of-function experiments, the authors show that Klf15 regulates temporal variation in cardiac repolarization and susceptibility to arrhythmias. The findings raise the possibility that circadian factors contribute to the diurnal variation seen in occurrence of sudden cardiac death. Sudden cardiac death exhibits diurnal variation in both acquired and hereditary forms of heart disease1,2, but the molecular basis of this variation is unknown. A common mechanism that underlies susceptibility to ventricular arrhythmias is abnormalities in the duration (for example, short or long QT syndromes and heart failure)3,4,5 or pattern (for example, Brugada’s syndrome)6 of myocardial repolarization. Here we provide molecular evidence that links circadian rhythms to vulnerability in ventricular arrhythmias in mice. Specifically, we show that cardiac ion-channel expression and QT-interval duration (an index of myocardial repolarization) exhibit endogenous circadian rhythmicity under the control of a clock-dependent oscillator, krüppel-like factor 15 (Klf15). Klf15 transcriptionally controls rhythmic expression of Kv channel-interacting protein 2 (KChIP2), a critical subunit required for generating the transient outward potassium current7. Deficiency or excess of Klf15 causes loss of rhythmic QT variation, abnormal repolarization and enhanced susceptibility to ventricular arrhythmias. These findings identify circadian transcription of ion channels as a mechanism for cardiac arrhythmogenesis.

The mechanically activated non-selective cation channel Piezo1 is a determinant of vascular architecture during early development. Piezo1-deficient embryos die at midgestation with disorganized blood vessels. However, the role of stretch-activated ion channels (SACs) in arterial smooth muscle cells in the adult remains unknown. Here, we show that Piezo1 is highly expressed in myocytes of small-diameter arteries and that smooth-muscle-specific Piezo1 deletion fully impairs SAC activity. While Piezo1 is dispensable for the arterial myogenic tone, it is involved in the structural remodeling of small arteries. Increased Piezo1 opening has a trophic effect on resistance arteries, influencing both diameter and wall thickness in hypertension. Piezo1 mediates a rise in cytosolic calcium and stimulates activity of transglutaminases, cross-linking enzymes required for the remodeling of small arteries. In conclusion, we have established the connection between an early mechanosensitive process, involving Piezo1 in smooth muscle cells, and a clinically relevant arterial remodeling.