Molekulargenetische und molekularzytogenetische Analyse des NKX2.1 Gens bei Patienten mit kongenitaler Hypothyreose und assoziierter Choreoathetose

Abstract

Das NKX2-1 Gen kodiert für einen Transkriptionsfaktor, der eine wichtige Rolle in der Organogenese von ZNS, Schilddrüse und Lunge spielt. Mutationen führen zu einer Malformation und damit Dysfunktion der entsprechenden Organe. Mit der vorliegenden Arbeit wurden im bisher größten kohärenten Kollektiv Patienten mit suspektem Phänotyp systematisch hinsichtlich Mutationsfrequenz und –qualität, sowie des phänotypischen Spektrums von NKX2-1 Mutationen untersucht. Mittels Sanger Sequenzierung und arraybasierter comparativer genomischer Hybridisierung (Array CGH) wurden Veränderungen des Gens bzw der genomischen Region identifiziert. Im weiteren wurden die Mutationen mittels EMSA und Mini Gene Reporter Assay funktionell charakterisiert, sowie außerdem Expressionsanalysen embryonaler Mausgewebe von NKX2-1 als auch des genomisch benachbart liegenden MBIP durchgeführt. In 101 untersuchten Patienten konnten 17 heterozygote Punktmutationen und 10 heterozygote Deletionen identifiziert werden. Neurologische Symptome, meist in Form einer Choreathetose, fanden sich bei allen Patienten (100%), diese war interindividuell unterschiedlich kombiniert mit pulmonaler Affektion (78%) und Schilddrüsendysfunktion (75%). Es wurden außerdem bisher nicht in Zusammenhang mit NKX2-1 Mutationen beschriebene Symptome wie verändertes Längenwachstum, unklare Fieberepisoden und Herzseptumdefekte nachgewiesen. Zudem ergaben sich Hinweise, dass eine nur verminderte DNA-Bindungskapazität bei einer der nachgewiesenen Mutationen einen milderen Phänotyp verursacht. Zwei heterozygote Deletionen hingegen betrafen nicht NKX2-1 selbst, sondern MBIP, welches - durch die gezeigte räumliche und zeitliche Koexpression in Mausembryonen - möglicherweise eine Rolle in der Entwicklung der betroffenen Organsysteme spielt. Die hohe Inzidenz von NKX2-1 Mutationen in der untersuchten Kohorte legt eine routinemäßige Untersuchung von Patienten mit korrespondierenden Symptomen nahe. Jedoch sollte eine Analyse sich nicht auf die primäre Gensequenz beschränken, sondern vielmehr - unter Verwendung von „Next Generation Sequencing“ (NGS)-Technologien - auch die umliegende genomische Region und mögliche regulatorische Sequenzen miteinbeziehen.

NKX2-1 encodes a transcription factor with large impact on the development of brain, lung and thyroid. Germline mutations of NKX2-1 can lead to dysfunction and malformations of these organs. Starting from the largest coherent collection of patients with a suspected phenotype to date, we systematically evaluated frequency, quality and spectrum of phenotypic consequences of NKX2-1 mutations. After identifying mutations by Sanger sequencing and array CGH, we comprehensively reanalysed the phenotype of affected patients and their relatives. We employed electrophoretic mobility shift assay (EMSA) to detect alterations of NKX2-1 DNA binding. Gene expression was monitored by means of in situ hybridisation and compared with the expression level of MBIP, a candidate gene presumably involved in the disorders and closely located in close genomic proximity to NKX2-1. Within 101 index patients, we detected 17 point mutations and 10 deletions. Neurological symptoms were the most consistent finding (100%), followed by lung affection (78%) and thyroidal dysfunction (75%). Novel symptoms associated with NKX2-1 mutations comprise abnormal height, bouts of fever and cardiac septum defects. In contrast to previous reports, our data suggest that missense mutations in the homeodomain of NKX2-1 not necessarily modify its DNA binding capacity and that this specific type of mutations may be associated with mild pulmonary phenotypes such as asthma. Two deletions did not include NKX2-1, but MBIP, whose expression spatially and temporarily coincides with NKX2-1 in early murine development. The high incidence of NKX2-1 mutations strongly recommends the routine screen for mutations in patients with corresponding symptoms. However, this analysis should not be confined to the exonic sequence alone, but should take advantage of affordable NGS technology to expand the target to adjacent regulatory sequences and the NKX2-1 interactome in order to maximise the yield of this diagnostic effort.