Molecular characterization of human induced pluripotent stem cells with overexpression and inactivation of the PDK4 gene in the context of cardiomyogenesis

Choroba niedokrwienna serca stanowi główną przyczynę śmierci na świecie. Niedokrwienie mięśnia sercowego prowadzi do jego niedotlenienia i finalnie obumierania kardiomiocytów (CM). Znikoma zdolność kardiomiocytów do regeneracji jest niewystarczająca, by przywrócić funkcjonalność serca, a obecnie dostępne terapie także nie są w stanie jej zapewnić. Przyszłość kardiologii mogą stanowić CM zróżnicowane z indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPSC) (iPSC-CM). iPSC-CM różnią się jednak od kardiomiocytów występujących w sercu dorosłego człowieka, co stoi na przeszkodzie ich klinicznego stosowania. Różnice te przejawiają się szczególnie w niedojrzałości metabolicznej iPSC-CM. Jednym z istotnych enzymów w metabolizmie kardiomiocytów jest kinaza PDK4, która reguluje aktywność ścieżki glikolitycznej. W dojrzałych metabolicznie kardiomiocytach wykazano podwyższoną aktywność tego enzymu. Celem tej pracy była charakterystyka molekularna indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPSC) z nadekspresją lub inaktywacją genu PDK4 w kontekście kardiomiogenezy oraz otrzymanie iPSC-CM w procesie różnicowania. Badanie poziomu ekspresji PDK4 wykazało, iż osiągnięto zamierzone efekty modyfikacji linii iPSC. W iPSC-CM otrzymanych w wyniku różnicowania uzyskano wysoką ekspresję genów markerowych kardiomiocytów, jak również genu PDK4, co świadczy o pomyślnym przebiegu procesu i sugeruje istotną rolę kinazy PDK4 w metabolizmie kardiomiocytów. Po różnicowaniu, iPSC-CM hodowano w medium selekcyjnym mającym na celu zwiększyć czystość kultury kardiomiocytów, co poskutkowało śmiercią nie-kardiomiocytów. Określenie roli kinazy PDK4 w kardiomiogenezie iPSC-CM wymaga jednak dalszych badań.

Ischemic heart disease is the leading cause of death worldwide. Myocardial ischemia leads to myocardial hypoxia and finally death of cardiomyocytes (CM). The negligible ability of cardiomyocytes to regenerate is insufficient to restore the functionality of the heart, and currently available therapies are also unable to provide it. Cardiomyocytes derived from induced pluripotent stem cells (iPSC) (iPSC-CMs) may be the future of cardiology. However, iPSC-CMs differ from cardiomyocytes found in the adult human heart, which prevents their clinical use. These differences are particularly apparent in the metabolic immaturity of iPSC-CMs. One of the enzymes essential in the metabolism of cardiomyocytes is PDK4 kinase, which regulates activity of the glycolytic pathway. Increased activity of this enzyme has been demonstrated in metabolically mature cardiomyocytes. The aim of this study was the molecular characterization of iPSCs with overexpression and inactivation of the PDK4 gene in the context of cardiomyogenesis and obtaining iPSC-CMs in the process of differentiation. Examination of the level of PDK4 expression showed that the intended effects of modification of the iPSC lines were achieved. In iPSC-CMs obtained as a result of differentiation, a high expression of marker genes of cardiomyocytes, as well as the PDK4 gene, has been demonstrated, which proves that the process was successful and suggests that PDK4 kinase is indeed an important factor in cardiomyocyte metabolism. After the differentiation process, iPSC-CMs were cultured in a selection medium designed to increase the purity of the cardiomyocyte culture, which resulted in death of non-cardiomyocytes. Determining the role of PDK4 kinase in iPSC-CM cardiomyogenesis, however, requires further research.