Identifizierung neuer Krankheitsgene als Ursache für Skelettfehlbildungen und syndromale geistige Behinderung

Abstract

Die Stellung einer Diagnose, welche häufig nur durch Identifizierung der ursächlichen genetischen Veränderung möglich ist, hat für die genetische Beratung und klinische Betreuung von Patienten mit genetisch bedingten Erkrankungen einen hohen Stellenwert. Die molekulare Grundlage etwa der Hälfte aller bekannten monogenen Erkrankungen ist bisher unbekannt Seit Verfügbarkeit der Hochdurchsatzsequenzierung konnten die Diagnoserate und Anzahl an bekannten Krankheitsgenen deutlich erhöht werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden mittels Hochdurchsatzsequenzierung, vorwiegend Exomsequenzierung, Blutproben von Patienten mit Skelettfehlbildungssyndromen und syndromaler geistiger Behinderung untersucht. Über internationale Kooperationen konnten Kohorten von Patienten mit neuen Krankheitsgenen bzw. neuen Krankheitsentitäten gebildet werden. Der pathogene Effekt mehrerer der identifizierten Genveränderungen wurde in funktionellen In-vitro-Studien untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die genetischen Ursachen für Catel-Manzke- und Fontaine-Progeroid-Syndrom untersucht. Als Ursache für Catel-Manzke-Syndrom haben wir biallelische pathogene Varianten in den Genen TGDS und KYNU identifiziert. Das TGDS-Protein spielt möglicherweise eine Rolle im Proteoglykanstoffwechsel. Das Enzym Kynureninase, das durch KYNU kodiert wird, katalysiert einen Schritt in der NAD+-Synthese. Trotz der Ähnlichkeit des resultierenden Phänotyps ist ein Zusammenhang zwischen dem TGDS- und KYNU-assoziierten Pathomechanismus bislang unklar. Als Ursache für Fontaine-Progeroid-Syndrom haben wir rekurrente De-novo-Varianten in SLC25A24, welches für einen mitochondrialen ATP-Mg/Pi-Transporter kodiert, identifiziert. In vitro wiesen wir eine mitochondriale Schwellung und Dysfunktion nach, welche bisher nicht als Ursache für Kraniosynostose-Syndrome beschrieben wurden und ihre pathogene Wirkung durch einen Einfluss der zellulären Differenzierung in den Schädelnähten entfalten könnten. Darüber hinaus wurden heterozygote pathogene Varianten in den Genen DLL1 und ACTB als Ursache für neue Formen der syndromalen geistigen Behinderung identifiziert. DLL1 kodiert für den Notch-Liganden Delta 1. Wenngleich zahlreiche Studien die Rolle des Notch-Signalweges in der Gehirnentwicklung untermauern, stellt diese Arbeit erstmals den Zusammenhang zu einem humanen primär entwicklungsneurologischen Phänotyp her. Mit der ACTB-assoziierten syndromalen Thrombozytopenie wird ein neuer Phänotyp beschrieben, der auf pathogenen Varianten in beta-Aktin beruht. Die Ergebnisse dieser Arbeit erweitern unser Verständnis der molekularen Ursachen unterschiedlicher genetisch bedingter Krankheitsbilder und geben neue Einblicke in verschiedene Mechanismen der Entwicklung des Skeletts und ZNS. Die gewonnenen Erkenntnisse können für die genetische Beratung und klinische Betreuung der betroffenen Familien genutzt werde und könnten die Grundlage für neue Therapieansätze darstellen.

Finding a diagnosis is of great importance for genetic counseling and clinical care of patients with genetic diseases. Often, this is only possible through identifying the causative genetic alteration. But the molecular basis of around half of all known monogenic diseases is still unknown. When high-throughput sequencing becomes available, the diagnosis rate and the number of known disease genes increased significantly. Here, high-throughput sequencing, mainly exome sequencing, was used to study blood samples from patients with skeletal malformation syndromes and syndromic intellectual disability. Cohorts of patients with novel disease genes or novel disease entities were established through international collaborations. The pathogenic effect of several identified causative variants is further clarified in functional in vitro studies. In this work, the genetic causes of Catel-Manzke and Fontaine progeroid syndrome are investigated. We identified biallelic pathogenic variants in TGDS and KYNU as the cause of Catel-Manzke syndrome. The TGDS protein may play a role in proteoglycan metabolism. The enzyme kynureninase, encoded by KYNU, catalyzes a step in NAD+ synthesis. Despite the similarity of the resulting phenotype, a link between the TGDS- and KYNU-associated pathomechanisms remains unclear. We identified recurrent de-novo variants in SLC25A24 as the cause of Fontaine progeroid syndrome. SLC25A24 encodes a mitochondrial ATP-Mg/Pi transporter. In vitro, we detected mitochondrial swelling and dysfunction, which have not previously been described as a cause of craniosynostosis syndromes and may express their pathogenic effect through an influence of cellular differentiation in the cranial sutures. In addition, we identified heterozygous pathogenic variants in DLL1 and ACTB as the cause of novel forms of syndromic intellectual disability. DLL1 encodes the Notch ligand delta 1. Although numerous studies support a role for Notch signaling in brain development, this work is the first which links it to a human primary developmental neurological phenotype. ACTB-associated syndromic thrombocytopenia is a new phenotype described based on pathogenic variants in beta-actin. The results of this work expand our understanding of the molecular causes of different genetic phenotypes and provide new insights into different mechanisms of skeletal and central nervous system development. The findings can be used for genetic counseling and clinical management of affected families and can provide the basis for new therapeutic approaches.