Implicación del hallazgo de mutaciones en GATA5 y HCN4 en el seno de una familia con fibrilación auricular familiar

Abstract

Introducción: La fibrilación auricular (FA) es la arritmia sostenida más frecuente en la población y consTtuye un importante problema de salud pública debido a su elevada prevalencia y a su asociación con complicaciones. Su incidencia conTnúa en ascenso, favorecida por el envejecimiento poblacional, la mayor supervivencia de los pacientes con enfermedades cardiovasculares y la acumulación de factores de riesgo. La suscepTbilidad a la FA es mulTfactorial y responde a la interacción entre mecanismos eléctricos, estructurales, neurohormonales, genéTcos y ambientales. Aunque se han descrito mutaciones de gran efecto en familias con agregación de casos, la mayor parte de la heredabilidad permanece sin explicar. En la presente Tesis Doctoral se analizó una familia española extensa en la que varios miembros presentaban FA de inicio precoz y sin cardiopaba estructural significaTva. El objeTvo era de idenTficar los condicionantes genéTcos subyacentes para relacionarlos con el fenoTpo de los portadores y realizar un estudio funcional de las variantes idenTficadas para describir el mecanismo por el cual se aumentaba el riesgo arrítmico. Métodos: Tras la idenTficación de los cuatro casos índice, se realizó un estudio clínico y genéTco en cascada que incluyó a 47 familiares que firmaron los correspondientes consenTmientos informados. Se recogieron variables demográficas, antecedentes clínicos y de la exploración esica, ECG de 12 derivaciones, ecocardiograma y monitorización Holter de larga duración mediante disposiTvos texTles portáTles. En el ámbito molecular, se llevó a cabo secuenciación masiva del exoma completo, con un análisis bioinformáTco centrado en 110 genes relacionados con la aparición de arritmias. Las variantes candidatas se filtraron según frecuencia poblacional y criterios de patogenicidad, y se confirmaron mediante secuenciación de Sanger y estudio de segregación familiar. Además, se aplicaron predictores in silico y análisis de dominios topológicos de asociación para valorar el posible impacto. Posteriormente se realizó un análisis funcional de las variantes seleccionadas. El análisis estadísTco incluyó pruebas univariantes y mulTvariantes, modelos de regresión logísTca para explorar la asociación entre variantes y FA, y cálculos de Lod Score para evaluar ligamiento genéTco. Resultados: Se idenTficaron dos variantes raras en heterocigosis comparTdas por los casos índice: una variante en el gen HCN4 que codifica los canales Hcn4 p.P1163H y otra en la región intrónica (c.914-16C>T) del gen GATA5 que codifica el factor de transcripción GATA5. Según los repositorios públicos la frecuencia poblacional de ambas es muy baja. El estudio de segregación reveló la existencia en la familia de portadores aislados de cada una de ellas y de nueve individuos portadores de ambas de forma simultánea. Este úlTmo grupo presentó una prevalencia significaTvamente mayor de FA (56 % frente a 0 % en los no portadores), incluso tras ajustar por edad, hipertensión y obesidad, con una odds raTo de 32.7. El gen HCN4 codifica el canal (Hcn4) responsable de la corriente If, fundamental para la generación espontánea (acTvidad automáTca) de potenciales de acción en el nodo sinusal. GATA5, por su parte, es un factor de transcripción esencial en el desarrollo cardíaco y en la regulación de genes implicados en la conducción y excitabilidad auricular, así como de microRNA críTcos como miR-1. Desde el punto de vista clínico, los portadores de ambas variantes mostraron mayor frecuencia de extrasístoles auriculares, taquicardias auriculares no sostenidas y extrasístoles ventriculares, además de una frecuencia cardiaca mínima algo inferior. En el ecocardiograma, se observaron signos discretos de remodelado auricular, mayor espesor septal y parámetros de función diastólica más desfavorables, si bien dentro de la normalidad y probablemente influidos por la edad y las comorbilidades. Los estudios funcionalesrealizados mediante la técnica del parche de membrana (patch clamp) demostraron que los canales formados por homotetrámeros de proteínas p.P1163H Hcn4 no eran capaces de generar corriente (IHcn4). Por tanto, la variante produce la pérdida de función de los canales. Sin embargo, la combinación de proteínas Hcn4 naTvas (WT) y p.P1163H (heterotetrámeros) generaba una IHcn4 idénTca a la generada por los canales formados por homotetrámeros de proteínas WT. Estos sorprendentes resultados implican que la variante p.P1163H Hcn4 no produce un efecto dominante negaTvo. La variante intrónica de GATA5 se localiza en una región reguladora con potencial para modular la expresión de genes diana y microRNA, incluido miR-1, lo que podría contribuir a un sustrato eléctrico más vulnerable. Conclusiones: Este trabajo describe por primera vez que la asociación entre dos variantes raras en los genes HCN4 y GATA5 produce un incremento significaTvo del riesgo de sufrir FA aislada en una familia española. Los hallazgos clínicos, electrocardiográficos y funcionales sugieren que la asociación de las variantes da lugar a un fenoTpo predominantemente eléctrico, sin evidencia de cardiopaba estructural primaria, pero con mayor acTvidad ectópica y remodelado auricular incipiente en los portadores de ambas variantes de forma simultánea. Sin embargo, los resultados no han permiTdo idenTficar el mecanismo úlTmo por el cual se favorece la aparición de la arritmia. Pese a las limitaciones inherentes a un tamaño muestral reducido y al uso de modelos celulares heterólogos, los resultados se alinean con un modelo acumulaTvo y mulTfactorial de riesgo genéTco. En dicho modelo, variantes raras, comunes y de riesgo intermedio, en interacción con factores clínicos y ambientales, superan de forma conjunta el umbral de suscepTbilidad lo que precipita la FA.

Introduction: Atrial fibrillaTon (AF) is the most common sustained arrhythmia in the general populaTon and represents a major public health concern due to its high prevalence and associaTon with severe complicaTons. Its incidence conTnues to rise, driven by populaTon aging, increased survival of paTents with cardiovascular disease, and the accumulaTon of risk factors. SuscepTbility to AF is mulTfactorial, resulTng from the interacTon between electrical, structural, neurohormonal, geneTc, and environmental mechanisms. Although rare, high-impact mutaTons have been reported in families with aggregaTon of AF cases, most of the heritability remains unexplained. This Doctoral Thesis invesTgated an extended Spanish family in which several members presented early-onset AF without significant structural heart disease. The aim was to idenTfy the underlying geneTc determinants, to correlate them with the carrier’s phenotype, and to perform a funcTonal analysis of the idenTfied variants to elucidate the mechanisms conferring arrhythmic risk. Methods: Aser idenTfying four index cases, a cascade clinical and geneTc study was conducted, including 47 relaTves who provided informed consent. Demographic, clinical, and physical examinaTon data were collected, along with 12-lead ECGs, echocardiography, and long-term Holter monitoring using wearable texTle devices. Whole-exome sequencing was performed, and bioinformaTc analysis focused on 110 genes previously associated with arrhythmogenic disorders. Candidate variants were filtered according to populaTon frequency and pathogenicity criteria, and confirmed by Sanger sequencing and family segregaTon studies. In silico predictors and topological domain analyses were applied to assess the potenTal impact of each variant. FuncTonal studies were subsequently conducted on the selected variants. StaTsTcal analysis included univariate and mulTvariate tesTng, logisTc regression models to explore the associaTon between variants and AF, and Lod Score calculaTons to evaluate geneTc linkage. Results: Two rare heterozygous variants were idenTfied and shared among the index cases: one in the HCN4 gene (p.P1163H), encoding the Hcn4 channel, and another intronic variant (c.914-16C>T) in GATA5, encoding the transcripTon factor GATA5. Both variants showed extremely low populaTon frequencies in public databases. Family segregaTon analysis revealed isolated carriers of each variant and nine individuals carrying both simultaneously. The later group displayed a significantly higher prevalence of AF (56% vs. 0% in non-carriers), even aser adjustment for age, hypertension, and obesity, with an odds raTo of 32.7. The HCN4 gene encodes the Hcn4 channel responsible for the “funny current” (If), essenTal for spontaneous pacemaker acTvity in the sinoatrial node. GATA5 is a key transcripTon factor in cardiac development and in the regulaTon of genes involved in atrial conducTon and excitability, as well as microRNAs such as miR-1. Clinically, carriers of both variants showed a higher frequency of atrial premature contracTons, nonsustained atrial tachycardias, and ventricular extrasystoles, together with slightly lower minimal heart rates. Echocardiography revealed subtle signs of atrial remodeling, increased septal thickness, and mildly impaired diastolic parameters; findings sTll within normal limits and likely influenced by age and comorbidiTes. Patch-clamp funcTonal studies demonstrated that homotetrameric channels composed of p.P1163H Hcn4 subunits were unable to generate current (IHcn4), indicaTng loss of channel funcTon. However, heterotetramers composed of WT and mutant subunits produced normal IHcn4 currents, suggesTng that the p.P1163H Hcn4 variant does not exert a dominant-negaTve effect. The intronic GATA5 variant lies within a regulatory region with potenTal to modulate the expression of target genes and microRNAs, including miR-1, possibly contribuTng to increased electrical vulnerability. Conclusions: This study is the first to describe that the coexistence of two rare variants in HCN4 and GATA5 significantly increases the risk of isolated AF in a Spanish family. The clinical, electrocardiographic, and funcTonal findings suggest that this associaTon leads to a predominantly electrical phenotype, without evidence of primary structural heart disease, but with increased ectopic acTvity and early atrial remodeling in double carriers. The precise mechanism underlying arrhythmia suscepTbility, however, remains to be fully elucidated. Despite the limitaTons of a small sample size and the use of heterologous cellular models, the results support a cumulaTve and mulTfactorial model of geneTc risk, in which rare, common, and intermediate-risk variants, in combinaTon with clinical and environmental factors, jointly surpass the threshold of suscepTbility and trigger AF.