Molekulare Ursachen isolierter Handfehlbildungen am Beispiel des BMP- Signalwegs und von SHH

Abstract

Die Ausbildung der anatomischen Strukturen der Hand ist ein komplexer Prozess. Die Aktivität einer Vielzahl von Genen ist in der frühen Embryonalphase notwendig, um die regelrechte Handentwicklung zu gewährleisten. Dem BMP- Signalweg und der SHH-Signalwirkung kommt hierbei eine wesentliche Bedeutung zu. Im Rahmen dieser Arbeit konnte nachgewiesen werden, dass Mutationen in verschiedenen Molekülen des BMP-Signalwegs die Ursache von isolierten Handfehlbildungen darstellen. (1) So konnte mittels einer Positionsklonierung BMPR1B als merkmalsassoziiertes Gen für die Brachydaktylie Typ A2 identifiziert werden. Nachfolgend wurden bei betroffenen Personen die heterozygoten Punktmutationen p.I200K und p.R486W nachgewiesen, deren Pathogenität über weiterführende funktionelle Analysen bestätigt wurde. (2) In einem zweiten Projekt ist eine in BMPR1B liegende heterozygote Punktmutation p.R486Q näher analysiert worden. Diese Mutation ist klinisch mit einem ungewöhnlichen Phänotyp von kombinierter Brachydaktylie Typ C und proximalem Symphalangismus assoziiert. (3) Ein weiteres Projekt konnte die molekulare Ursache für eine Subgruppe der Brachydaktylie Typ B aufklären. Der Subtyp B2 wird durch Mutationen in NOG bedingt, wie durch den Nachweis von 6 verschiedenen heterozygoten Punktmutationen und anschließender funktioneller Beweisführung gezeigt wurde. Um in der Embryonalentwicklung der Hand eine exakte zeitliche und gewebespezifische Expression der bedeutsamen Gene zu gewährleisten, ist eine abgestimmte Regulation der Genaktivität nötig. Die Steuerung der Genexpression kann unter anderem über sog. cis-regulatorische Elemente erfolgen. In dieser Arbeit werden Duplikationen von cis-agierenden Elementen beschrieben, die über eine Dysregulation der Genaktivität von BMP2 und SHH die klinische Ausprägung von isolierten Handfehlbildungen bedingen. (4) Mit Hilfe einer lokusspezifische Array-CGH-Analyse wurde eine Mikroduplikation in einem nicht-kodierenden Bereich, der etwa 110 kb 3´ von BMP2 entfernt liegt, nachgewiesen. Diese Mikroduplikation korreliert klinisch mit einer Brachydaktylie Typ A2. Analysen an einem transgenen Mausmodel bestätigen, dass innerhalb des duplizierten Abschnittes ein Element zur extremitätenspezifischen Steuerung der BMP2-Expression lokalisiert ist. Eine Duplikation dieses cis-regulatorischen Elementes ist pathogen. (5) Desweiteren wurde über eine Array-CGH-Analyse eine Duplikation identifiziert, die das cis- lokalisierte Steuerungselement (ZRS) für die SHH-Expression in den Extremitäten umfasst. Das duplizierte ZRS geht in variabler Ausprägung mit Polysyndaktylie und triphalangealen Daumen einher und imitiert den Phänotyp, der auch durch in der ZRS liegende Punktmutationen verursacht wird. Die vorliegende Arbeit erweitert das Spektrum der phänotypischen Ausprägung sowie der molekularen Störungen von isolierten Handfehlbildungen und trägt über funktionelle Analysen zu dem Verständnis der zugrunde liegenden Pathogenese bei.

The formation of hand anatomy is a complex process. A variety of genes are required to ensure the proper development in early embryogenesis. The BMP- pathway and SHH are both major players in programming the hand structures. This work shows that mutations in different molecules within the BMP-pathway lead to isolated hand malformations. (1) Positional cloning identified BMPR1B as the responsible gene for brachydactyly type A2. Two different heterozygous point mutations were found in affected patients, p.I200K and p.R486W. Subsequent functional studies proofed the pathogenicity of these mutations. (2) A second project focused on the heterozygous amino acid change p.R486Q in BMPR1B. This mutation is associated with an uncommon clinical phenotype of combined brachydactyly type C and proximal symphalangism. (3) In another project, the molecular cause of a subgroup of brachydactyly type B was identified. Six different heterozygous mutations in NOG were shown to be pathogenic resulting in the subtype B2. The chronology of embryonic hand development is controlled by an exact time- and tissue-dependent expression of relevant genes. Therefore, a fine-tuned regulation of gene activity is necessary i.e. by long-range cis-regulating elements. This work describes duplications of cis-regulators leading to a dysregulation in gene expression of BMP2 and SHH. These duplicated regulatory elements are associated with the presence of hand malformations. (4) In patients showing brachydactyly type A2 a heterozygous microduplication was identified about 110 kb 3´ of BMP2 by using locus specific array CGH analysis. This duplication is located in a non- coding region containing highly conserved sequences that argue for a long- range regulator of BMP2. A transgenic mouse model was created to test the latter hypothesis. The results suggest that BMP2 expression in the limb is regulated by a distant cis-acting enhancer located within the duplication. (5) Array CGH analysis was carried out in a family with variable polysyndactyly and triphalangeal thumbs. A microduplication including a limb specific cis- regulatory element (ZRS) for SHH expression was identified as the underlying cause. The observed hand phenotypes in this family resemble the phenotypic effects due to point mutations within the ZRS. The present work expands the spectrum of clinical characteristics and the molecular basis of hand malformations.