Molecular genetic elucidation of a novel neurocutaneous syndrome

Abstract

Hintergrund: Die Diagnostik seltener Erkrankungen ist oft eine Herausforderung. In 30% der Fälle bleibt die genetische Ursache ungeklärt. In dieser Studie untersuchten wir zwei polnische, nicht miteinander verwandte Kinder, erkrankt an einem unbekannten, kongenitalen Syndrom mit Beeinträchtigung von Haut und zentralem Nervensystem. Ziel der Arbeit war die Auffindung und Evaluation der diesem neurokutanen Syndrom zugrundeliegenden genetischen Variante. Methoden: Mittels Gesamtexomsequenzierung fanden wir eine pathogene Variante im ELOVL1-Gen. Die familiäre Segregation dieser Variante untersuchten wir mittels Sanger-Sequenzierung sowie spezifischen Restriktionsenzymverdau. Die enzymatischen Aktivitäten der ELOVL1-Proteine (Wildtyp versus Variante) wurden mittels Enzymassays bestimmt. Aus Fibroblasten und Hautproben extrahierte Lipide wurden durch Flüssigchromatographie mit gekoppelter Massenspektrometrie quantifiziert. Die subzelluläre Lokalisation der ELOVL1-Proteine wurde mittels Immunfluoreszenz dargestellt. Die mRNA-Expression von Elovl1 untersuchten wir im Mausgewebe mittels in-situ Hybridisierung sowie quantitativer Echtzeit-PCR nach reverser Transkription. Die globale Genexpression analysierten wir mittels RNA-Sequenzierung in Patienten- und Kontrollfibroblasten. Als in-vitro Therapieversuch behandelten wir Fibroblasten mit überlangkettigen Fettsäuren (VLCFAs). Ergebnisse: In beiden Patienten identifizierten wir die gleiche heterozygote de-novo Variante im ELOVL1-Gen (ELOVL fatty acid elongase 1, c.494C>T, p.S165F). ELOVL1 codiert für eine Fettsäuren-Elongase, welche die körpereigene Synthese (einfach un)gesättigter VLCFAs mit 24-26 Kohlenstoffatomen katalysiert. Die Erkrankung beider Patienten manifestierte sich in den ersten Lebensjahren mit ähnlichem Phänotyp: Ichthyosis, zerebrale Hypomyelinisierung mit progressiver Spastik insbesondere der unteren Extremität, Nystagmus, Dysarthrie, Hochtonschwerhörigkeit, Optikusatrophie mit peripheren Gesichtsfeldeinschränkungen und reduziertem Visus. Die Variante führte zum Verlust der ELOVL1-Enzymaktivität, wie wir im Enzymassay zeigten. Patientenfibroblasten enthielten signifikant niedrigere Konzentrationen enzymatischer ELOVL1-Produkte (Sphingolipide mit VLCFAs-Komponenten bestehend aus 24 oder 26 Kohlenstoffatomen). Subzellulär waren beide ELOVL1-Proteine (Wildtyp und Variante) im endoplasmatischen Retikulum lokalisiert, wodurch wir eine mutationsbedingte Fehllokalisation ausschließen konnten. Im Mausgewebe detektierten wir eine hohe Expression der Elovl1-mRNA in von der Erkrankung besonders betroffenen Organen: Haut, Auge und zentrale weiße Substanz. Eine globale Genexpressionsanalyse mittels RNA-Sequenzierung ergab eine Hochregulation von Genen der Hautentwicklung und Keratinozytendifferenzierung in Patientenfibroblasten. Einige für die Gehirnentwicklung, Myelinisierung und synaptische Funktion wichtige Gene waren in Patientenfibroblasten schwächer exprimiert als in Kontrollen. Die Behandlung von Patientenzellen mit VLCFAs erlaubte ein teilweises Überwinden des enzymatischen Blocks, allerdings wurde der therapeutische Effekt wahrscheinlich durch Kompetition um die enzymatische Bindungsstelle zwischen gesättigten und einfach ungesättigten VLCFAs abgeschwächt. Schlussfolgerung: Die heterozygote ELOVL1-Variante verursacht ein schweres neurokutanes Syndrom. ELOVL1-synthetisierte VLCFAs sind wichtig für Myelinisierung, Gehirnentwicklung, Hör-, Seh- und Hautbarrierefunktion. Weitergehende Untersuchungen zum Effekt des VLCFA-Mangels auf die Genexpression sind erforderlich. Außerdem benötigen wir systematische Studien zur Behandlung mit VLCFAs unterschiedlicher Länge in Zellkultur und Tierversuch.

Background: Diagnosis of rare diseases is often challenging. The genetic etiology of at least one-third of rare diseases is unknown. We investigated two unrelated Polish children with a novel congenital syndrome affecting skin and central nervous system. We aimed to discover and evaluate the genomic sequence variant causing this neurocutaneous syndrome. Methods: Using whole-exome sequencing we identified the pathogenic variant in the ELOVL1 gene. Familial segregation was examined using Sanger sequencing and restriction length polymorphism analysis. We determined variant and wildtype ELOVL1 activities by enzymatic assays. Lipid concentrations from fibroblasts and skin samples were measured by liquid chromatography-tandem mass spectrometry. Subcellular localization of wildtype and mutant ELOVL1 was examined by immunofluorescence. Elovl1 tissue expression was studied in mice by in situ hybridization and by quantitative real-time PCR combined with reverse transcription. Global gene expression was analyzed by RNA-sequencing of patient and control fibroblasts. As potential treatment option, we tested loading of fibroblasts in vitro with very long-chain fatty acids (VLCFAs) of various lengths. Results: We identified the novel heterozygous de novo variant of the ELOVL fatty acid elongase 1 (ELOVL1) gene (c.494C>T, p.S165F) in both patients. ELOVL1 encodes a VLCFA elongase, synthesizing (monoun)saturated VLCFAs with 24-26 carbons. Both patients presented the same phenotype from infancy including ichthyosis, central hypomyelination with progressive spasticity mainly of the lower limbs, nystagmus, dysarthria, high frequency hearing deficit, optic nerve atrophy with peripheral visual field restriction, and reduced visual acuity. The genomic sequence alteration abrogated ELOVL1 enzymatic activity, which we verified (i) by enzymatic assay, and (ii) by demonstrating a reduction of ELOVL1 catalytic products (sphingolipids carrying C24- or C26-VLCFAs) in patient fibroblasts. Variant and wildtype ELOVL1 proteins colocalized in the endoplasmatic reticulum, thereby excluding mistargeting of the variant protein. Elovl1 mRNA was highly expressed in affected tissues, mainly cerebral white matter, eye, and skin. Transcriptome analysis of patient and control fibroblasts revealed upregulation of genes responsible for epidermal development and keratinization in patient cells. Genes important for neurodevelopment, myelination, and synaptic function were down-regulated. VLCFA-loading partly overcame the biochemical defect in patient fibroblasts, though competitive inhibition between saturated and monounsaturated VLCFAs blunted the desired effects.