Aufklärung der genetischen Ursache von Glykosylphosphatidylinositol (GPI)-Ankerstörungen mittels Hochdurchsatz-Sequenzierung

Abstract

Bis 2010 war die paroxysmale nächtliche Hämoglobinurie, PNH, die einzige bekannte GPI-Ankerstörung. Molekulargenetisch konnten die meisten dieser Fälle durch somatische Nullmutationen im X-chromosomalen Gen PIGA in Blutstammzellen erklärt werden. Bei PIGA handelt es sich um eines von aktuell 29 bekannten Genen, das an der GPI-Ankersynthese beteiligt ist. Uns gelang es vor fünf Jahren erstmals auch eine angeborenen GPI-Ankerstörung aufzuklären: In Patienten mit mentaler Retardierung und Hyperphosphatasie, HPMRS, konnten wir funktionseinschränkende Mutationen in PIGV, einem weiteren Gen der GPI- Ankersynthese, mittels Hochdurchsatz-Sequenzierung identifizieren. Dies hat unser klinisches Bild von GPI-Ankerstörungen grundlegend verändert. Die in dieser Habilitationsschrift zusammengefassten Arbeiten lieferten zum einen Beiträge zum bioinformatischen Methodenspektrum, welches bei der Analyse von umfangreichen DNA Sequenzdaten zum Einsatz kommt. Die entwickelten Algorithmen dienen ganz allgemein der Identifikation pathogener Mutationen bei Patienten mit seltenen genetischen Erkrankungen, die mittels Hochdurchsatz- Sequenzierverfahren untersucht werden. Die Verfahren der DNA Anreicherung und parallelen Sequenzierung von Gen-Panels haben sich in der Diagnostik heterogener Erkrankungen bewährt und stellen nun oftmals die erste Stufe der molekulargenetischen Untersuchung dar. Wir haben speziell für die GPI- Ankerstörungen ein diagnostisches Gen-Panel etabliert, mit dem krankheitsverursachende Mutationen in allen bekannten Genen der GPI- Ankersynthese gefunden werden können. Wir wiesen erstmals pathogene Mutationen in den Genen PIGO, PGAP2 und PGAP3 bei Patienten mit angeborenen GPIAnkerstörungen nach und trugen damit zu einem besseren molekulargenetischen Verständnis dieser neuen Untergruppe angeborener Glykosylierungstörungen bei. Mit der Identifikation von somatischen Mutationen im Gen PIGT in zwei Patienten mit PNH konnten wir zudem belegen, dass es sich auch bei einem erworbenen GPI-Ankerverlust um eine heterogene Erkrankung handelt. Durch einen Defekt in der GPI-Ankersynthese fehlen auf den Oberflächen der betroffenen Blutzellen die GPI-verankerten Proteine CD55 und CD59, die vor einem Angriff des körpereigenen Komplementsystems schützen. Im Gegensatz zur PNH sind die Pathomechanismen bei den angeborenen GPI-Ankerstörungen jedoch noch weitestgehend unklar. Es gibt erste Hinweise darauf, dass ebenfalls eine Fehlregulation des Komplementsystems an der Entstehung von Epilepsien, die gehäuft bei Patienten mit angeborenen GPI-Ankerstörungen auftreten, beteiligt sein könnte. Bei den weiteren klinischen Auffälligkeiten, die bei GPI- Ankerstörungen beobachtet werden, muss aber auch die Auswirkung pathogener Mutationen auf weitere GPI-verankerte Proteine untersucht werden. Da circa jedes zehnte Membranprotein GPI-verankert ist, stellt dies eine immense Herausforderung dar. In meiner zukünftigen Arbeit möchte ich daher auch Verfahren der Proteomanalyse anwenden, um diese Wechselwirkungen systematisch zu erfassen. Zudem möchte ich die identifizierten pathogenen Mutationen im Tiermodell charakterisieren und damit auch die Voraussetzungen zur Austestung möglicher therapeutischer Ansätze schaffen.

In all eukaryotes there is a complex in the plasma membrane with the key task of anchoring glycoproteins on the cell surface. This complex is the glycosylphosphatidylinositol anchor (GPI-anchor). GPI-anchored proteins (GPI- APs) play a central role in signal transduction, cell adhesion, and antigen presentation. Defects in the synthesis and maturation of the GPI-anchor and their consequences for GPI-APs represent a class of congenital disorders of glycosylation (CDG) that can cause congenital as well as acquired disorders. Currently about 30 genes are known to play a role in the GPI-anchor synthesis and maturation. This work describes next-generation sequencing based screening and filtering approaches that were used to identify pathogenic mutations in this molecular pathway.