Identification of genetic risk factors predisposing to the inflammatory oral disease periodontitis

Abstract

Periodontitis (PD) is a bacterially induced disease of the oral cavity and, in the long term, can lead to tooth loss due to the inflammatory degradation of the alveolar bone. For the severe forms of PD, there is a prevalence rate of 11% worldwide, making it one of the most common inflammatory diseases. Aggressive periodontitis (AgP) is an early (<35 years) and particularly severe clinical form of PD, whereas chronic periodontitis (CP) usually has a slow and more moderate course. The estimated heritability of PD is 50%. Twin studies and examples where individuals share the same environment and lifestyle yet have different risk for disease, illustrate the strong influence of hereditary factors on the pathogenesis of PD. Several randomized clinical trials have demonstrated a relationship between PD and coronary artery disease (CAD), with an epidemiological relationship between the two disease to be independent of smoking as a common risk factor. CAD is a complex disease of the arteries with a strong inflammatory component. Plaque formation in the arteries can impair the blood supply, which can trigger a heart attack. Previous studies have identified genetic risk variants at several loci in the human genome that predispose to PD. The gene locus GLT6D1 is associated with AgP at genome-wide significance. Furthermore, common genetic risk variants of PD and CAD were identified for the gene sites ANRIL, Plasminogen and VAMP3. However, the known genetic risk factors explain only a small fraction of the heritability of PD. Indeed the underlying genetic risk factors remain largely unknown. The identification of yet unknown genetic risk factors can significantly contribute to a better understanding of the causes and molecular mechanisms of PD as well as the genetic and molecular relationship to CAD and to the improvement of diagnosis and treatment of PD. In my thesis, I carried out genome-wide association studies and meta-analyses with the aim of systematically identifying further risk genes. I had access to the, to date, world's largest AgP sample with 851 cases and 6,580 controls of Dutch and German descents. In addition, I used a non-genotyped AgP sample with 220 cases and 560 controls of Turkish descent which were used to confirm single genetic variants. For CP samples I had a total of 4,244 cases and 3,328 controls of German and European-American descent which were also taken into account. I could identify new risk variants of PD that either reached genome-wide significance levels (P < 5 x 10^-8) or could be independently validated. These variants are located proximal to the genes DEFA1A3, SIGLEC5, LOC107964137, MTND1P5, VAMP8, PF4/PPBP/CXCL5, IL37. In silico functional characterization of these loci points to specific processes that play a role in wound healing and in bacterial immune defense. A pleiotropic variant at VAMP8 also increases susceptibility to CAD and suggests a possible molecular mechanism underlying the epidemiological link between PD and CAD. The results confirm that the relationship between PD and CAD cannot be explained solely by shared lifestyle factors. However, the SNP-gene relationships shown in this work require further experimental studies.

Parodontitis (PD) ist eine bakteriell induzierte Erkrankung der Mundhöhle und kann durch den entzündungsbedingten Abbau des Alveolarknochens langfristig zum Zahnverlust führen. PD zählt mit einer Prävalenzrate von 11% weltweit für die schweren Formen zu den häufigsten Entzündungskrankheiten. Aggressive PD (AgP) ist ein sehr früh (<35 Jahre) auftretendes und besonders schwer verlaufendes Krankheitsbild der PD, chronische Parodontitis (CP) hingegen hat einen langsamen moderateren Verlauf. PD hat eine geschätzte Erblichkeit von 50%. Zwillingsstudien und Beispiele von Personen, die innerhalb derselben Umwelt mit einem gleichen Lebensstil leben, aber ein sehr unterschiedliches Krankheitsrisiko haben, verdeutlichen den starken Einfluss erblicher Faktoren auf die Pathogenese der PD. Ein Zusammenhang zwischen dem Vorliegen einer PD und einer koronaren Herzkrankheit (KHK) konnte in mehreren randomisierten klinischen Studien nachgewiesen werden und zeigt, dass der epidemiologische Zusammenhang zwischen beiden Erkrankungen unabhängig vom gemeinsamen Risikofaktor Rauchen ist. Die KHK ist eine komplexe Erkrankung der Arterien, mit einer starken Entzündungskomponente. Durch Plaquebildung in den Arterien kann die Blutversorgung beeinträchtigt werden, wodurch ein Herzinfarkt ausgelöst werden kann. In vorangegangenen Studien konnten bereits Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs) an mehreren Genorten im humanen Genom identifiziert werden, die für die PD prädisponieren. Der Gen-Lokus GLT6D1 ist mit genomweiter Signifikanz mit AgP assoziert. Außerdem wurden gemeinsame genetische Risikovarianten der PD und der KHK für die Genorte ANRIL, Plasminogen und VAMP3 identifziert. Die bekannten genetischen Risiko-Loci erklären jedoch nur einen kleinen Teil der Heritabilität der PD. Tatsächlich sind die der PD zugrunde liegenden genetischen Risikofaktoren jedoch noch weitgehend unbekannt. Die Identifikation noch unbekannter genetischer Risikofaktoren kann wesentlich dazu beitragen, die Ursachen und molekularen Mechanismen der PD sowie den genetischen und molekularen Zusammenhange zwischen PD und KHK besser zu verstehen und die Diagnose und Therapie von PD zu verbessern. In der vorliegenden Arbeit wurden genomweite Assoziationsstudien und Meta-Analysen durchgeführt, mit dem Ziel, systematisch weitere Risikogene zu identifizieren. Dazu wurde das aktuell weltweit größte AgP-Sample mit 851 Fällen und 6.580 Kontrollen mit niederländischen und deutschen Teilnehmern verwendet. Zudem wurde ein für die Bestätigung einzelner genetischer Varianten ein nicht-genotypisiertes AgP-Sample mit 220 Fällen und 560 Kontrollen türkischer Herkunft hinzugenommen. Mit insgesamt 4.244 Fällen und 3.328 Kontrollen standen außerdem CP-Samples deutschen und europäisch-amerikanischen Ursprungs zur Verfügung. Es konnten neue Risikovarianten der PD identifiziert werden, die genomweites Signifkanzniveau (P < 5 x 10^-8) erreichen oder unabhängig validiert werden. Diese Varianten befinden sich proximal zu den Genen DEFA1A3, SIGLEC5, LOC107964137, MTND1P5, VAMP8, PF4/PPBP/CXCL5, IL37. Die funktionelle In Silico-Charakterisierung dieser Loci weist auf spezifische Prozesse hin, die in der Wundheilung sowie in der bakteriellen Immunabwehr eine Rolle spielen. Eine pleiotrope Variante bei VAMP8 erhöht außerdem die Anfälligkeit für KHK und weist auf einen möglichen molekularen Mechanismus hin, der dem epidemiologische Zusammenhang der PD und KHK zugrunde liegen kann. Die Ergebnisse bestätigen, dass der Zusammenhang von PD und KHK nicht ausschließlich durch geteilte Lifestyle-Faktoren zu erklären ist. Die in dieser Arbeit aufgezeigten SNP-Gen-Beziehungen erfordern jedoch weitergehende experimentelle Studien.