[en] Arrhythmias and sudden cardiac death (SCD) are a major public health problem. SCD accounts for almost 20% of total mortality in Europe, which means that 1 in 5 individuals will die suddenly, and the majority of individuals who experience a sudden cardiac arrest will not survive. SCD in the young remains a particularly daunting problem. While relatively uncommon, SCD in a previously healthy child or young adult is always an unexpected tragedy that may have a devastating impact on the families and the community. Yet the mechanisms are unknown, and the only effective treatment is the urgent application of an electric shock. Genetic (inheritable) cardiac diseases encompass a large proportion of SCD cases aged 40 years or younger. These include primary arrhythmogenic disorders, known as ion channel diseases (also known as channelopathies) such as long QT syndromes, catecholaminergic polymorphic ventricular tachycardia, Andersen-Tawil Syndrome and Brugada Syndrome; as well as inherited cardiomyopathies, such as hypertrophic cardiomyopathy, Duchene's muscular Dystrophy, and arrhythmogenic cardiomyopathy, all of which can lead to arrhythmias and SCD by mechanisms yet unknown. The objective of this PhD Thesis in Physiology is to understand the emerging role of macromolecular ion channel complexes in the mechanisms of arrhythmias and sudden death in hereditary diseases of young individuals. Our recent identification of the interaction at the molecular level of the main sodium channel (NaV1.5) with the strong inward rectifying potassium channel (Kir2.1) in the control of cardiac excitability has led us to propose a new paradigm to establish the molecular bases of sudden cardiac death. Evidence indicates that these two ion channels form "channelosomes" in which they physically interact with common partners including adapter, scaffolding regulatory proteins. Both channels have direct links to hereditary human diseases. For example, certain mutations in the KCNJ2 gene encoding the Kir2.1 protein impede ion channel traffic to the membrane and result in Andersen-Tawil syndrome type 1 (also known as long QT syndrome type 7). Similarly, trafficking-deficient mutations in the gene encoding the NaV1.5 protein (SCN5A) result in Brugada syndrome. On the other hand, defects in the dystrophin gene (DMD) also lead to ion channel dysfunction and sudden cardiac death in Duchenne Muscular Dystrophy, further highlighting the relevance of macromolecular protein complexes in heart disease. By using mutant proteins that interrupt Kir2.1 or NaV1.5 trafficking from the sarcoplasmic reticulum or the Golgi apparatus, we have recently discovered that NaV1.5 and Kir2.1 can traffic together to their eventual membrane microdomains. Therefore, we proposed two working hypotheses: 1) the expression of a traffic-deficient Kir2.1 mutant protein will disrupt the traffic and functional expression of the associated NaV1.5 channels, and vice versa, thereby altering cellular excitability and establishing the substrate for arrhythmogenesis in genetically modified mouse models to reproduce Andersen-Tawil syndrome or Brugada syndrome. 2) In the case of Duchenne muscular dystrophy, by interfering with the dystrophin protein complex, the mutations that lead to a truncation of the Dp427 dystrophin isoform, alter the functional expression of the channelosome formed by NaV1.5 and Kir2.1, which controls cardiac excitability and conduction velocity causing arrhythmias and sudden cardiac death. We have used adeno-associated virus mediated gene transfer in mice and human cardiomyocytes derived from induced pluripotent stem cells (hiPSC-CMs) to define for the first time the mechanistic framework for interactions between NaV1.5 and Kir2.1 in human cells in vitro and the heart in vivo, and how deregulation of the NaV1.5-Kir2.1 channelosome caused by inherited mutations can result in arrhythmias and sudden death in three different cardiac diseases.

[es] Las arritmias y la muerte súbita de origen cardiaco son un problema importante de salud pública. La muerte súbita cardiaca (MSC) representa casi el 20% de la mortalidad total en Europa, lo que significa que 1 de cada 5 personas morirá repentinamente y la mayoría de las personas que experimentan un paro cardíaco repentino no sobrevivirán. La MSC en los jóvenes sigue siendo un problema particularmente abrumador. Si bien es relativamente poco común, la muerte súbita en un niño o adulto joven previamente sano es siempre una tragedia inesperada que puede tener un impacto devastador en las familias y la comunidad. Sin embargo, se desconocen los mecanismos y el único tratamiento eficaz es la aplicación urgente de un choque eléctrico transtorácico o intracardiaco. Las enfermedades cardíacas genéticas (heredables) abarcan una gran proporción de casos de MSC de 40 años o menos. Estos incluyen trastornos arritmogénicos primarios, conocidos como enfermedades de los canales iónicos (también conocidas como canalopatías) como síndromes de QT largo, taquicardia ventricular polimórfica catecolaminérgica, síndrome de Brugada y síndrome de Andersen-Tawil; así como miocardiopatías hereditarias, como la miocardiopatía hipertrófica, la Distrofia muscular de Duchene y la miocardiopatía arritmogénica, todas ellas pueden conducir a arritmias y MSC por mecanismos aún desconocidos. El objetivo de esta Tesis Doctoral en Fisiología es el de comprender el papel emergente de los complejos de canales iónicos macromoleculares en los mecanismos de las arritmias y de la muerte súbita en enfermedades hereditarias de individuos jóvenes. Nuestra reciente identificación de la interacción a nivel molecular del principal canal de sodio (NaV1.5) con el canal rectificador potasio (Kir2.1) en el control de la excitabilidad del músculo cardíaco nos ha llevado a proponer un nuevo paradigma para establecer las bases moleculares de la muerte súbita de origen cardiaco. La evidencia indica que estos dos canales iónicos forman "canalosomas" en los que interactúan físicamente con socios comunes que incluyen proteínas adaptadoras, así como proteínas de andamiaje y proteínas reguladoras. Ambos canales tienen vínculos directos con enfermedades hereditarias en humanos. Por ejemplo, ciertas mutaciones en el gen KCNJ2 que codifica la proteína Kir2.1 impiden el tráfico del canal iónico a la membrana y resultan en el síndrome de Andersen-Tawil (también conocido como síndrome de QT largo tipo 7). De forma similar, mutaciones tráfico-deficientes en el gen que codifica la proteína NaV1.5 (SCN5A) dan como resultado el síndrome de Brugada. Por otro lado, los defectos en el gen de la distrofina (DMD) también conducen a la disfunción de canales iónicos y a la muerte súbita de origen cardiaco en la distrofia muscular de Duchenne, lo que destaca aún más la relevancia de los complejos macromoleculares de proteínas en las enfermedades cardíacas. Mediante el uso de proteínas mutantes que interrumpen el tráfico de Kir2.1 o NaV1.5 desde el aparato de Golgi, hemos descubierto recientemente que NaV1.5 y Kir2.1 pueden traficar juntos a sus eventuales microdominios de membrana. Por lo tanto, propusimos dos hipótesis de trabajo: 1) la expresión de una proteína mutante Kir2.1 deficiente en el tráfico perturbará el tráfico y la expresión funcional de los canales de NaV1.5 asociados, y viceversa, alterando en consecuencia la excitabilidad celular y estableciendo el sustrato para la arritmogénesis en modelos de ratones genéticamente modificados para reproducir el síndrome de Andersen-Tawil o del síndrome de Brugada. 2) En el caso de la distrofia muscular de Duchenne, al interferir con el complejo proteínico de la distrofina las mutaciones que conducen a un truncamiento de la isoforma de la distrofina Dp427, alteran la expresión funcional del canalosoma formado por NaV1.5 y Kir2.1 y que controla la excitabilidad cardíaca y la velocidad de conducción produciendo arritmias y muerte súbita de origen cardíaco. Hemos utilizado la transferencia de genes mediada por virus adeno-asociados en ratones y cardiomiocitos humanos derivados de células madre pluripotentes inducidas (hiPSC-CMs) para definir por primera vez el marco mecanicista para las interacciones entre NaV1. 5 y Kir2.1 en células humanas y en el corazón de ratón in vivo, y cómo la desregulación del canalosoma NaV1. 5-Kir2.1 provocada por mutaciones heredadas puede resultar en arritmias y muerte súbita en tres enfermedades distintas.