Functional defects and molecular mechanisms of Left Ventricular NonCompaction (LVNC) in Nkx2.5 mutant mice
Défauts fonctionnels et mécanismes moléculaires associés à la Non Compaction du Ventricule Gauche (LVNC) chez des souris mutantes pour Nkx2.5
Résumé
The heart is the first organ that forms and functions in the developing vertebrate embryo.
It functions as a pump leading to blood circulation throughout the whole body. The cardiac
conduction system is a group of specialized cardiomyocytes that initiate and propagate electrical
impulses in order to coordinate heart contractions. The transcription factor Nkx2.5 is present
early in the embryonic heart (at around E7.5) and is still expressed throughout the developing
and adult heart. It also plays a role in maintaining the normal function of the cardiac conduction
system. Conditional deletions of Nkx2.5 gene cause disturbance in heart development and
cardiomyopathy in the mouse. Furthermore Nkx2.5 mutations have been found in patients with
left ventricular non-compaction (LVNC).
LVNC is a rare cardiomyopathy, characterized by hypertrabeculation and deep trabecular
recesses in the left ventricle. This genetic disorder, associated with several mutations, exhibits
clinical, morphological and functional heterogeneity. The main complications are heart failure,
systemic embolic events and malignant arrhythmias. It is still unclear whether LVNC results
from a defect occurring during cardiac development. One hypothesis to consider is that the
severity of LVNC depends on which embryonic stage the arrest of myocardial compaction
occurs.
Our aim was to study the pathological evolution of LVNC by characterizing functional
defects and identifying molecular mechanisms in mouse models with abnormal ventricular
trabeculae development.
To establish a LVNC mouse model, we generated specific Nkx2.5 conditional knockout
by applying the Flox/loxP system inducible by tamoxifen injection to activate Cre
recombination. This leads to the deletion of Nkx2.5 allele in atria and trabecular derived
cardiomyocytes at embryonic stages when trabeculae arise (at around E10), or start to compact
(at around E14), or at neonatal stages (after birth) when the heart is almost finish compaction
step.
To quantify the degree of non–compaction and the subendocardial and interstitial
fibrosis, we carried out immunofluorescence analyses on left ventricular sections. Functional analyses show defects in ECG recordings with increased PR and QRS durations. This phenotype
worsens with age with bundle branch blocks and a diminution in the ejection fraction at 6 months
following deletion at E10.5/11.5 but not E13.5/14.5, consistent with a more pronounced
phenotype after deletion at the earlier developmental stage.
Microarray comparison of the transcriptomes of 6 month-old mice with different LVNC
levels induced by Nkx2.5 deletion at the two timepoints, revealed differences in ventricular gene
expression between the two groups, predominantly in pathways involved in calcium signaling,
blood vessel development and immune or inflammatory processes. Deregulated expression of
numerous genes playing a crucial role in cardiac cell activity or cardiomyocyte differentiation
correlates with the different phenotypes observed in these mutant mice.
To sum up, we were successful in generating several LVNC mouse models by the
conditional deletion of Nkx2.5 transcription factor in atria and trabecular derived
cardiomyocytes. These mouse models are suitable for studying LVNC pathology. We also
confirmed the hypothesis that the severity of LVNC depends on stages when disturbances in the
trabecular development occur. Hypertrabeculation, cardiac conduction defects, decreased
ejection fraction, and existence of fibrosis are robustly observed following deletion at E10.5/11.5
meaning that the deletion at early stage of trabecular development causes the most severe
pathological phenotype of LVNC. There had been just a few publications showing inflammation
in LVNC heart, which could be a very good finding for future researches.
Le cœur est le premier organe à se former et à fonctionner lors du développement
embryonnaire. Il s'agit d'une pompe qui permet au sang de circuler dans tout l'organisme. Le
système de conduction cardiaque est constitué d'un groupe de cardiomyocytes spécialisés qui
initie et propage les impulsions électriques afin de coordonner les contractions cardiaques. Le
facteur de transcription Nkx2.5 est présent dans le cœur dès E7.5 et reste exprimé durant tout le
développement et dans le cœur adulte. Il joue également un rôle dans le maintien de la fonction
du système de conduction cardiaque. Des délétions conditionnelles du gène Nkx2.5 induisent des
perturbations durant le développement du cœur et des cardiomyopathies chez la souris. De plus,
des mutations de Nkx2.5 ont été trouvées chez des patients atteints de LVNC (left ventricular
non-compaction).
La LVNC est une cardiomyopathie rare, caractérisée par une hypertrabéculation et de
profonds replis du ventricule gauche. Cette maladie génétique, associée à de nombreuses
mutations, présente une hétérogénéité fonctionnelle, morphologique et clinique. Les principales
complications sont la défaillance cardiaque, l'embolie systémique et des arythmies sévères. A ce
jour, nous ne savons toujours pas si la LVNC résulte d'un défaut se produisant durant le
développement cardiaque et si sa gravité dépend du stade embryonnaire auquel l'arrêt de la
compaction se produit.
Notre objectif a été d'étudier l'évolution pathologique de la LVNC en caractérisant les
défauts fonctionnels et en identifiant les mécanismes moléculaires dans des modèles de souris
présentant un développement anormal des trabécules ventriculaires.
Pour établir un modèle de LVNC, nous avons généré des souris KO conditionnel pour
Nkx2.5 grâce au système Flox/loxP inductible par injection de tamoxifène qui active la
recombinaison Cre. Nous avons ainsi supprimé l'allèle Nkx2.5 dans l'oreillette et les
cardiomyocytes dérivant des trabécules. Nous avons choisi de sipprimé Nkx2.5 au stade
embryonnaire E10 quand le trabécule s'accroît, au stade E14 quand il se compacte, ou juste après
la naissance quand le cœur a terminé son processus de compaction.
Afin de quantifier le degré de non-compaction et la fibrose interstitielle et
subendocardique, nous avons analysé des sections ventriculaires gauches par
immunofluorescence. Au niveau fonctionnel, les ECG montrent une augmentation des intervalles
PR et QRS qui conduisent avec l'âge à des blocs de branches, accompagnés à 6 mois d'une
diminution de la fraction d'éjection observable uniquement après la délétion à E10.
En comparant les transcriptomes réalisés sur des souris âgées de 6 mois dans lesquelles la
délétion de Nkx2.5 a été réalisée à E10 et à E13, nous avons révélé des différences importantes
de l'expression des gènes ventriculaires, particulièrement dans les voies impliquées dans la
signalisation calcique, le développement des vaisseaux sanguins, et les processus immunitaires et
inflammatoires. L'expression modifiée de gènes jouant un rôle crucial dans l'activité des cellules
cardiaques ou la différenciation des cardiomyocytes est parfaitement corrélée avec les différents
phénotypes observés dans ces souris mutantes.
En résumé, nous avons réussi à générer différents modèles de LVNC, dans lesquelles
nous avons pu étudier cette pathologie, en supprimant le facteur de transcription Nkx2.5 dans les
oreillettes et les cardiomyocytes dérivés des trabécules. Nous avons également confirmé que la
sévérité de la LVNC dépend du stade de développement du trabécule auquel le défaut se produit.
Peu de publications décrivent à ce jour les mécanismes responsables de l'état inflammatoire
observé dans la LVNC, nos résultats sont donc prometteurs pour de futures recherches dans cette
voie.
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