Syndrome mit Haut- und Knochenanomalien: Identifikation zugrundeliegender Gendefekte und funktionelle Analyse der betroffenen Genprodukte

Abstract

Diese Publikationspromotion umfasst fünf in internationalen Fachzeitschriften publizierte Arbeiten, die sich mit der genetischen und funktionellen Untersuchung von Syndromen mit Auffälligkeiten im Skelettsystem und/oder in der Haut beschäftigen. In mehreren konsanguinen Familien mit einem progeroiden Cutis laxa Syndrom wurden mittels eines konventionellen Kandidatengenansatzes und durch Hochdurchsatzsequenzierung Mutationen im PYCR1 Gen identifiziert. Für das Genprodukt, die Pyrrolin-5-Carboxylat-Reduktase 1, konnte erstmals eine mitochondriale Lokalisation gezeigt werden. PYCR1-defiziente Zellen weisen eine erhöhte Sensitivität gegenüber oxidativem Stress auf, was zu einer Erhöhung der Apoptoserate führt. In vivo Untersuchungen in zwei Modellorganismen untermauerten diesen Befund. Darüber hinaus wurde die Ursachen des Wrinkly Skin Syndroms und der Autosomal rezessiven Cutis laxa Typ 2A, die unterschiedliche Schweregrade der gleichen Pathologie darstellen, näher analysiert. Es wurden viele neue Mutationen im ATP6V0A2 Gen identifiziert. Ein Funktionsverlust-Mechanismus konnte erstmals belegt und die Lokalisation der a2 Untereinheit der V-Typ H+ ATPase im Golgi-Apparat von Hautfibroblasten nachgewiesen werden. Weiterhin war es möglich, einen für ATP6V0A2-Defizienz spezifischen zellbiologischen Test zu beschreiben. Dieser ermöglicht eine kosten- und zeiteffiziente Vorauswahl der bei Patienten mit Cutis laxa zu untersuchenden Gene. Veränderungen in der Morphologie des Golgi- Apparates sowie dessen Funktion konnten in ATP6V0A2-defizienten Zellen nachgewiesen werden. Eine erhöhte Tendenz dieser Zellen zu apoptotischem Zelltod wurde ebenfalls beobachtet. In einer Familie mit skelettalen Auffälligkeiten wurde eine spezifische Mutation im B3GAT3 Gen identifiziert. Die Mutation führt zur Degradation dieses im Golgi-Apparat lokalisierten Proteins, das entscheidend für einen der letzten Schritte in der Glukosaminoglykan-Linker-Synthese ist. Zusammenfassend wurden im Rahmen dieser Publikationspromotion drei molekulargenetische Ursachen von Syndromen mit Anomalien von Haut und Knochen untersucht. Für zwei dieser Defekte wurde das betroffene Gen erstmalig beschrieben. Dies und erste Analysen an Hautfibroblasten erbrachten initiale Hinweise auf die mögliche Funktion der jeweils betroffenen Proteine und die zugrundeliegenden Pathomechanismen. Für die medizinische und klinische Genetik konnte diese Arbeit neue Erkenntnisse liefern, die zu entscheidenden Verbesserungen hinsichtlich der molekulargenetischen Untersuchung des Spektrums autosomal rezessiver Syndrome mit Cutis laxa führen werden.

This thesis comprises five articles published in international scientific journals. The main goal was the molecular genetic investigation of syndromes with bone and skin abnormalities. Furthermore, we investigated the physiological function of the affected gene products. In patients suffering from a progeroid form of autosomal recessive cutis laxa we were able to identify causative mutations in PYCR1 by conventional candidate gene- and high-throughput sequencing. The affected gene product, pyrroline-5-carboxylate reductase 1, localizes to mitochondria and is involved in de novo biosynthesis of proline. PYCR1 deficient cells show increased sensitivity against oxidative stress and an increased apoptosis rate. This observation was confirmed in vivo using two model organisms. Furthermore we could further expand the mutation and phenotype spectrum of the allelic disorders wrinkly skin syndrome/autosomal recessive cutis laxa type 2A, caused by mutations in the ATP6V0A2 gene. We proved a loss of function mechanism as the underlying defect and showed the ATP6V0A2 gene product to be localized in the Golgi-apparatus of dermal fibroblasts. We also developed a fibroblast-based method for the identification of ATP6V0A2 mutation carriers. Furthermore we found an altered morphology of the Golgi-apparatus and an increased apoptosis rate in ATP6V0A2 deficient cells. In a family with skeletal abnormalities we found a specific mutation in the B3GAT3 gene affecting the catalytic center of the encoded enzyme. This protein is localized in the Golgi-apparatus, and plays an important role in one of the last steps of the glycosaminoglycan-linker- synthesis. Taken together, in this thesis three different molecular genetic diseases with bone and skin abnormalities were investigated. For two of them, the underlying genetic defect was described for the first time. Initial investigations on dermal fibroblasts lead to first indications on the potential function of the affected gene products and the underlying pathomechanism. For medical and clinical genetics, this work reveald new insight into the clinical manifestations of the syndromes analyzed and improved the possibility for molecular diagnostics of autosomal recessive syndromes with cutis laxa.