Primary cardiomyopathies (CMPs) are genetically heterogeneous disorders with a large number of disease-causing genes. The underlying genetic mechanisms and early pathological events of children with primary CMP are poorly characterized. This work aimed to identify genetic causes of childhood CMP, and to understand the development of early-onset and severe heart muscle disease. Mutation of PR/SET domain 16 (PRDM16) was shown to be associated with two types of CMP, dilated CMP (DCM) and left ventricular non-compaction CMP (LVNC). PRDM16 encodes for a transcriptional regulator with a previously unknown function in the heart. Eighty unrelated index patients with pediatric primary CMP underwent genetic testing with a panel-based next generation sequencing (NGS) approach of 89 genes. Adverse events such as heart transplantation (HTX) and death were higher for individuals affected by DCM and restrictive CMP than for other types of CMP. Patients with a higher number of variants of interest (VOI) had an increased risk to experience an adverse event. At least one pathogenic or likely pathogenic variant was identified in 30/80 (38%) index patients. In all CMP subgroups, patients carried most frequently VOI in sarcomere genes suggesting them as a major contributor in pediatric primary CMP. Protein and transcript level analysis on heart biopsies from individuals with homozygous mutation of troponin I3, cardiac type (TNNI3) revealed that the TNNI3 protein was absent and associated with upregulation of the fetal isoform troponin I1, slow skeletal type (TNNI1). These observations support the clinical importance of sarcomeric mutation in primary CMP. TNNI3 is the third most important disease gene in pediatric CMP. The mutational spectrum of PRDM16 in an extended cohort of 285 patients with different types of heart muscle diseases revealed 16 VOI in total. These alterations occurred in six different cardiac diseases and comprised missense, splice site, frame shift, and stop gain variants. Pathogenic PRDM16 variants were only found in LVNC patients, confirming the important role of PRDM16 in LVNC pathogenesis. By prediction of posttranslational modification sites, structural features and functional interaction sites of the PRDM16 protein were identified. Functional and biochemical characterization of PRDM16 showed different subcellular localization of CMP variants and the influence of CMP variants on the protein stability of PRDM16. Patient specific CMP variants altered the cellular distribution of PRDM16, with condensed signals differing between the cytoplasm and the nucleus. In conclusion, the spectrum and number of genetic alteration in pediatric primary CMP determine clinical outcome. PDRM16 is a frequent CMP gene and translational approaches for potential therapies need to be developed.
Primäre Kardiomyopathien (CMP) sind heterogene, genetisch determinierte Erkrankungen mit einer Vielzahl von krankheitsverursachenden Genen. Die zugrundeliegenden genetischen Mechanismen und früh vorhandenen pathologischen Vorgänge sind bei Kindern mit primärer CMP wenig untersucht. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Identifizierung von genetischen Ursachen der Kardiomyopathie des Kindesalters, insbesondere mit dem Auftreten von früh einsetzenden und schweren Krankheitsverläufen. Genetische Veränderungen von PR/SET domain 16 (PRDM16) führen zu zwei verschiedenen Arten von Kardiomyopathien, der dilatativen CMP (DCM) und der linksventrikulären Noncompaction CMP (LVNC). PRDM16 kodiert für einen transkriptionellen Regulator mit bis dahin unbekannter Funktion im Herzen. Achtzig nicht verwandte Indexpatienten mit pädiatrischer primärer CMP wurden mit einem panel-basierten next generation sequencing (NGS) Ansatz einer genetischen Testung auf Veränderungen in 89 Genen untersucht. Unerwünschte Ereignisse wie Herztransplantation und Tod waren bei Individuen mit DCM und restriktiver CMP höher als bei anderen CMP. Patienten mit einer höheren Anzahl von genetischen Varianten von Interesse (VOI) hatten ein höheres Risiko für ein unerwünschtes Ereignis. Bei 30/80 (38%) Indexpatienten wurde mindestens eine wahrscheinlich pathogene oder pathogene Variante identifiziert. Bei allen CMP Subtypen waren VOI in Sarkomergenen am häufigsten und sind somit für die Entstehung der pädiatrischen primären CMP hauptverantwortlich. Auf Protein- und mRNA Ebene von Herzbiopsien von Individuen mit homozygoter Variante konnte gezeigt werden, dass TNNI3 nicht nachweisbar war und stattdessen eine Hochregulation der fetalen Isoform TNNI1 stattfand. Diese Beobachtungen unterstützen die klinische Bedeutung von genetischen Veränderungen in Sarkomergenen bei primärer CMP. TNNI3 ist das dritthäufigste Krankheitsgen bei pädiatrischer CMP. Das Spektrum der VOI bei PRDM16 in einer erweiterten Kohorte von 285 Patienten mit verschiedenen Herzmuskelerkrankungen ergab insgesamt 16 verschiedene VOI. Diese Veränderungen traten bei sechs verschiedenen Herzerkrankungen auf und umfasste Punkt-Varianten, Spleiß-Varianten, Frameshift-Varianten und Stopp-Varianten. Pathogene PRDM16 Varianten wurden nur bei Patienten mit LVNC gefunden, was die Bedeutung von PRDM16 in der Entstehung der LVNC unterstreicht. Durch die Vorhersage von Stellen für posttranslationale Modifikationen wurden strukturelle Eigenschaften und funktionelle Interaktionsstellen des PRDM16 Proteins identifiziert. Die funktionelle und biochemische Charakterisierung von PRDM16 zeigte unterschiedliche subzelluläre Lokalisationen von CMP Varianten und auch die Stabilität vom PRDM16 wurde unterschiedlich durch die jeweiligen CMP Varianten beeinflusst. Patientenspezifische CMP Varianten veränderten die zelluläre VIII Verteilung von PRDM16 dahingehend, dass kondensierte Signale zwischen Zellkern und Zytoplasma jeweils differierten. Abschließend fanden wir, dass das Spektrum und die Anzahl der genetischen Veränderungen bei pädiatrischer primärer CMP für den klinischen Ausgang verantwortlich sind. PRDM16 ist ein häufiges Krankheitsgen für CMP und translationale Ansätze für mögliche Therapien sollten entwickelt werden.
