Positional Cloning of New Disease Genes for Kallmann Syndrome and Potocki- Shaffer Syndrome

Abstract

We took advantage of the unique opportunity to locate genes of developmental importance provided by apparently balanced chromosomal rearrangements associated with phenotypic abnormalities. By positional cloning at or near the breakpoints, we aimed to identify the crucial disease genes whose functions were disrupted or dysregulated by chromosomal rearrangement. This thesis describes the positional cloning of disease genes for Kallmann and Potocki- Shaffer syndromes from the breakpoint mapping to the genomic, bioinformatics, molecular and functional analyses, supporting the conclusions that FGFR1 and WDR11 cause Kallmann syndrome and PHF21A causes intellectual disability (ID) and craniofacial anomalies (CFA) in Potocki-Shaffer syndrome. Additionally, a candidate gene approach identified CHD7 as a new Kallmann syndrome gene. Specifically, we show that FGFR1 is truncated by a translocation breakpoint at 8p11.2 and that haploinsufficiency is the likely underlying mechanism of Kallmann syndrome in this patient with 46,XY,t(7;8)(p12.3;p11.2)dn. By defining the chromosomal breakpoint of t(10;12)(q26.12;q13.11)dn from a subject with Kallmann syndrome and scanning genes in its vicinity in unrelated hypogonadal subjects, we have identified WDR11 at 10q26.12 as another gene involved in human puberty. We discovered that WDR11 interacts with EMX1, a homeodomain transcription factor involved in the development of olfactory neurons, and that missense mutations reduce or abolish this interaction. By candidate gene approach, we show that CHD7 is mutated in patients with Kallmann syndrome, which represents a milder allelic variant of CHARGE syndrome. Finally, through the characterization of two independent subjects with balanced translocations involving 11p11.2 and supportive comparative deletion mapping of Potocki-Shaffer syndrome patients with different phenotypes, we have discovered that the ID and CFA phenotypes of Potocki- Shaffer syndrome are both caused by haploinsufficiency of a single gene, PHF21A, at 11p11.2. The research presented in this thesis underscores the instrumental role of constitutional balanced chromosomal translocations in the identification of monogenic disease genes by breakpoint mapping.

Die systematische Untersuchung von Patienten mit balancierten Chromosomenveränderungen ist eine erfolgversprechende Strategie zur Identifizierung neuer, bisher unbekannter Krankheitsgene. Die hier vorliegende Arbeit beschreibt die Positionsklonierung von Genen für das Kallmann- und das Potocki-Shaffer-Syndrom durch Kartierung der Bruchpunkte und anschliessende genomische, bioinformatische, molekulare und funktionelle Analysen. Diese Untersuchungen haben Mutationen in den Genen FGFR1 und WDR11 als molekulare Ursachen des Kallmann-Syndroms wahrscheinlich gemacht und CHD7 als neues Gen für das Kallmann-Syndrom identifiziert. Darüberhinaus konnten wir nachweisen, dass Mutationen im PHF21A-Gen zur geistigen Behinderung mit kraniofazialen Auffälligkeiten führen, die für das Potocki-Shaffer-Syndrom charakteristisch sind. Bei einem Träger einer de novo-Translokation zwischen den Chromosomen 7 und 8 (46,XY,t(7;8)(p12.3;p11.2)) konnten wir nachweisen, dass das FGFR1-Gen durch den Bruchpunkt im kurzen Arm von Chromosom 8 durchtrennt wird. Dies spricht dafür, dass eine Form des Kallmann-Syndroms durch Haploinsuffizienz von FGFR1 verursacht wird. Durch Untersuchung einer anderen, ebenfalls mit Kallmann-Syndrom assoziierten de novo-Translokation mit Bruchpunkten in den langen Armen der Chromosomen 10 und 12 (t(10;12)(q26.12;q13.11) und anschliessende Suche nach Mutationen im Bereich 10q26.12 bei nicht verwandten Patienten haben wir WDR11 als ein weiteres Gen für Kallmann-Syndrom identifiziert. Wir konnten zeigen, dass das WDR11-Protein mit dem Homeobox- Transkriptionsfaktor EMX1 interagiert. Missense- Mutationen im WDR11-Gen können diese Interaktion schwächen oder sogar zu einem vollständigen Verlust der Interaktion führen. EMX1 spielt eine wichtige Rolle in der Entwicklung von olfaktorischen Neuronen. Durch gezielte Suche nach Mutationen in aussichtsreichen Kandidatengenen gelang es uns ausserdem, Defekte des CHD7-Gens als weitere Ursache des Kallmann-Syndroms ausfindig zu machen. Im Rahmen dieser Doktorarbeit haben wir schliesslich auch die molekulare Ursache des Potocki-Shaffer-Syndroms aufgeklärt. Durch Kartierung von Translokationsbruchpunkten im kurzen Arm von Chromosom 11 (11p11.2) bei zwei nicht verwandten Patienten konnten wir zeigen, dass dieses Syndrom durch Inaktivierung des PHF21A-Gens verursacht wird, und dass die für dieses Syndrom charakteristische geistige Behinderung mit kraniofazialen Auffälligkeiten durch Haploinsuffizienz des PHF21A-Gens erklärt werden kann. Die im Rahmen dieser Arbeit erzielten Ergebnisse sind ein weiterer Beleg für die Bedeutung von krankheitsassoziierten balanzierten Translokationen als sichtbare Brücke zwischen Genotyp und Phänotyp und als Schlüssel für die molekulare Aufklärung monogener Krankheiten.