Copy Number Variations in Structural Brain Malformations

Abstract

The proper spatio-temporal expression of structural and regulatory genes is essential to brain development. In an attempt to identify underlying mechanisms, we investigated the role of CNVs in the etiology of brain malformations. We studied genomic variations in 100 prospective patients with various brain malformations by array CGH on a 200 kb overlapping BAC array platform. We considered only those copy number variations that encompassed at least 3 overlapping BAC clones and differed by more than a total of 100 kbs difference on either or both sides from formerly reported CNVs in the Database of Genomic Variants. These CNVs were confirmed by parental studies or by a second alternate technique such as oligoarray or FISH and in a few cases by both. We find 27 CNVs in 22 patients, where 3 patients have two and one patient has 3 CNVs. There are a total of 13 de novo CNVs in 10 patients and 14 hereditary CNVs in one of the above and 12 other patients. The CNVs range from 150 kb to 10.2 Mb in size. Seven of the de novo CNVs, (microdeletion 1p36, microdeletion 1q43q44, two 12p tetrasomy, 2 deletions of 17p, and one microdeletion 22q11.21), one of the inherited CNVs (microdeletion 16p13.2), directly established the diagnosis of known deletion/duplication syndromes. In three patients one or more de novo aberrations not corresponding to know syndromes were identified. We found that 22 of 100 patients (22%) with various forms of brain malformations, ID, and symptomatic epilepsy carried one or more rare CNVs. This frequency, albeit the stringent exclusion criteria, is higher than frequencies detected in studies of patients with ID or idiopathic generalized epilepsy, emphasizing the importance of testing for CNVs in patients with structural brain malformations. Tetrasomy12p tetrasomy is the single CNV with the highest occurrence (10%) and PAFAH1B1 is the single gene with the highest actual (10%) and assumed (20%) involvement in specific structural brain malformations. We find that among the structural brain malformations in our patients, midline defects (28%) and more specifically corpus callosum agenesis has the highest association with CNVs. We discuss the significance of our findings in the further elaboration of the role of previously candidated genes ZNF238, AKT3, NTAN1, NDE1 in the phenotype of these patients. The five novel imbalances (as of yet unreported) in three patients, may provide insight into genes involved in structural brain malformations within these regions and we propose that APBA1 might be a novel candidate gene for brain malformations. Our analysis of GO Terms and PPI networks suggest that genes involved in “axonal transport,” “cation transmembrane transporter activity,” and in the “JNK cascade” play a significant role in the etiology of brain malformations. To the best of our knowledge, this is the first systematic study of CNVs in a cohort of patients selected based upon the presence of a detectable structural brain malformation. The genomic regions detected in this study include potential novel candidate genes and possible susceptibility loci for predisposition to structural brain malformations, epilepsy and intellectual disability.

Die richtige räumliche und zeitliche Expression struktureller und regulatorischer Gene ist für die Hirnentwicklung von essentieller Bedeutung. Als Beitrag zur Aufklärung der daran beteiligten Mechanismen haben wir untersucht, welche Rolle submikroskopische Deletionen und Duplikationen (sog. Copy Number Variants, CNVs) in der Ätiologie von Hirnfehlbildungen spielen. Dazu haben wir bei 100 Patienten mit Hilfe der Array CGH-Technologie nach genomischen Varianten gesucht. Für diese Untersuchungen wurde ein Raster aus überlappenden BAC Klonen verwendet, welches das ganze Genom lückenlos überspannt. Dabei wurden nur solche Genomveränderungen berücksichtigt, die mindestens drei BAC Klone überspannten und sich an einer oder beiden Seiten um mehr als 100 kb von früher geschriebenen und in der Datenbank genomischer Varianten aufgeführten CNVs unterschieden. Diese CNVs wurden durch Untersuchung der Eltern mithilfe von Oligonukleotid-basierter Array CGH oder durch FISH validiert. In 22 Patienten wurden insgesamt 27 CNVs gefunden. Drei Patienten wiesen zwei und einer drei verschiedene CNVs auf. 13 dieser CNVs wurden nur bei Patienten gefunden, während 14 andere auch bei einem Elternteil vorkamen. Die Größe der CNVs variierte von 150 kb bis 10,2 Mb. Sieben der neuen CNVs (Mikrodeletion 1p36, Mikrodeletion 1q43q44, Tetrasomie 12p (2 mal), zwei 17p-Deletionen und eine Mikrodeletion 22q11.21) und eine der vererbten CNVs (Mikrodeletion 16p13.2) korrespondierten mit bereits bekannten Deletions- bzw. Duplikationssyndromen. Bei drei Patienten wurden de novo Veränderungen gefunden, für die vorher kein Krankheitsbezug bekannt war. Wir fanden, daß 22 von 100 Patienten mit verschiedenen Hirnfehlbildungen, geistiger Behinderung und Epilepsie einen oder mehrere CNVs aufwiesen. Diese unter stringenten Ausschlußkriterien ermittelte Häufigkeit ist deutlich höher als die Häufigkeit von CNVs bei Patienten mit geistiger Behinderung oder idiopathischer generalisierter Epilepsie, was die Bedeutung von CNVs in der Ätiologie struktureller Hirnfehlbildungen unterstreicht. Zehn Prozent aller Patienten wiesen eine Tetrasomie 12p auf. Damit ist diese Störung die häufigste bei Patienten mit strukturellen Hirnfehlbildungen gefundene Veränderung, und das PAFAH1B1-Gen ist am häufigsten an klinisch relevanten CNVs beteiligt. Unter den strukturellen Hirnfehlbildungen sind Mittelliniendefekte und insbesondere die Corpus Callosum-Agenesie am engsten mit CNVs assoziiert. Wir diskutieren außerdem die Rolle der früher beschriebenen Kandidatengene ZNF238, AKT3, NTAN1 und NDE1 beim Zustandekommen des Phänotyps dieser Patienten. Bei drei Patienten wurden fünf neue, bisher noch nicht beschriebene genomische Imbalanzen gefunden, die möglicherweise Rückschlüsse auf pathogenetische relevante Gene erlauben. Auf diese Weise haben wir das APBA1-Gen als neues plausibles Kandidatengen für angeborene Hirnfehlbildungen identifiziert. Überdies sprechen unsere Untersuchungen dafür, daß Defekte des axonalen Transports, des Kationen-Transports und der JunK-Kaskade bei der Entstehung von Hirnfehlbildungen eine bedeutende Rolle spielen. Nach unserer Kenntnis ist dies die erste systematische Suche nach CNVs in einer Kohorte Patienten mit Fehlbildungen der Hirnstruktur. Die im Rahmen dieser Studie definierten deletierten oder duplizierten Genomabschnitte sind ein Schlüssel zur Identifizierung weiterer Kandidatengene und Risikofaktoren für strukturelle Hirnfehlbildungen, Epilepsie und geistige Behinderung.