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Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-001666-6

Contributions to the molecular pathology of genetic disturbances in the LINC complex

  • The LINC (Linker of Nucleo- and Cytoskeleton) complex is an evolutionarily conserved complex of nuclear envelope (NE) proteins that forms a direct connection between the nucleoskeleton and cytoskeleton. Primarily, members of two protein families form the complex: SUN and giant nesprin isoforms that reside in the inner and outer nuclear membrane, respectively, thus forming a “bridge” across the NE. Lamin A/C and emerin are additional LINC complex components. Mutations in the genes encoding the LINC complex components have been associated with at least a dozen diseases, the majority of them muscular diseases. Emery-Dreifuss muscular dystrophy (EDMD), an inherited neuromuscular disorder with variable clinical presentation, is one of these diseases. But only around 46% of all EDMD patients are linked to a disease allele. Except of SUN1 and SUN2 all known LINC complex components had been associated with EDMD. Following a functional candidate gene approach the SUN1 and SUN2 genes were sequenced in a cohort of pseudoanonymized 175 EDMD patients without a known mutation and 70 patients with known causative mutations in other LINC components. Based on these results the pathomechanism causing the phenotype in patients with SUN1 or SUN2 mutations was investigated. Autosomal recessive inheritance was observed in one patient with compound heterozygous SUN1 mutations. Patient myoblasts showed defective protein interactions within the LINC complex, altered mRNA expression levels of some LINC components, an enhanced differentiation rate and defects in myonuclear organization. This provides first insights into a new pathomechanism based on weakening of the LINC complex and resulting in disruption of myonuclear alignment. In six patients with known EMD or LMNA mutations additional heterozygous SUN1 or SUN2 mutations modifying the disease have been identified, causing a significantly more severe course. Thus the modifying effect of SUN mutations found in the present study helps to explain the clinical intra- and interfamilial variability observed in EDMD. Further evidence for the influence of mutations in LINC complex components on the molecular pathology of muscular dystrophies comes from a study on primary fibroblasts of a patient suffering Duchenne muscular dystrophy (DMD) and of a patient showing signs of EDMD and Charcot-Marie-Tooth syndrome (CMT). The DMD patient had apart from a mutation in the DMD gene two variants in genes encoding the LINC components nesprin 1α2 and SUN1. The EDMD/CMT patient carried two variants in nesprin 1α1 and SUN2. Fibroblasts of both patients showed changes in cell adhesion, cell migration, senescence and stress response as well as characteristics typical for laminopathies like changes in nuclear shape and NE composition. Mutations in genes encoding LINC complex proteins are also associated with a number of other diseases. Pleiotropic LMNA mutations have also been linked with progeroid syndromes – genetic diseases that mimic clinical and molecular features of aging including Hutchinson Gilford progeria syndrome (HGPS), mandibuloacral dysplasia (MAD), restrictive dermopathy (RD) and atypical Werner’s syndrome (aWS) as well as a couple of overlapping phenotypes. MAD and RD can also be caused by mutations in ZMPSTE24, a gene encoding the ZMPSTE24 metalloproteinase necessary for the processing of prelamin A to mature lamin A. It is expected that insights into the pathomechanism of this group of diseases might provide clues to normal aging process. Analyzing RD and MAD patients for mutations in the ZMPSTE24 gene, some novel mutations have been identified. Based on this results and a review of the literature regarding ZMPSTE24 mutations could be shown that all mutations involved in RD are null mutations, whereas all patients with MAD are compound heterozygotes carrying one loss-of-function mutation and one missense mutation. This shows a clear genotype-phenotype correlation. A further part of this work is the description of the molecular genetics and functional background of a rare, unclassified progeroid syndrome. The clinical course of the affected patient appeared as an accelerated HGPS finally ending up in a delayed RD with overlapping clinical features of MAD. Mutational analysis revealed a homozygous LMNA mutation caused by a partial uniparental disomy of chromosome 1. Immunohistological analyses of tissue samples taken at the beginning and the end of the disease course showed a decreasing amount of lamin A and increasing amounts of DNA double strand breaks. Functional analysis in transfected human normal fibroblasts showed an impaired ability of the mutant lamin A to recruit 53BP1, a component of the DNA repair pathway, to damaged DNA sites. This case provides the first evidence of human lamin A direct involvement in DNA repair and that increased DNA damage is a major pathophysiological factor in progeroid laminopathies.
  • Der LINC (Linker of Nucleo- and Cytoskeleton) Komplex, ein evolutionär konservierter Kernmembranprotein-Komplex, bildet eine direkte Verbindung zwischen dem Zyto- und Kernskelett. Kernkomponenten des LINC Komplexes sind Vertreter der SUN Proteine in der inneren Kernmembran und „Giant“-Isoformen der Nesprine in der äußeren Kernmembran, die eine „Brücke“ durch die Kernmembran bilden. Weitere LINC-Komponenten sind Emerin und Lamin A/C. Mutationen in Genen, welche die LINC Komponenten kodieren, wurden bereits mit mindestens einem Dutzend Erkrankungen assoziiert. Emery-Dreifuss Muskeldystrophie (EDMD), eine erbliche neuromuskuläre Erkrankung mit variabler klinischer Manifestation, ist eine dieser Erkrankungen. Nur für ca. 46% aller EDMD Patienten ist die Erkrankungsursache bekannt. Abgesehen von SUN1 und SUN2 sind bisher alle bekannten LINC Proteine mit EDMD assoziiert worden. Im Rahmen einer funktionellen Kandidatengenstrategie wurden die Gene SUN1 und SUN2 in einer pseudoanonymisierten Kohorte von 175 EDMD Patienten ohne bekannte Mutation und 70 Patienten mit bekannten Mutationen in weiteren LINC Komponenten sequenziert. Es folgten Untersuchungen zum Pathomechanismus bei Patienten mit SUN1 oder SUN2 Mutationen. Bei einem Patienten zeigten compound-heterozygote SUN1 Mutationen einen autosomal-rezessiven Erbgang auf. Myoblasten des Patienten zeigten gestörte Proteininteraktionen innerhalb des LINC, veränderte m-RNA Expression für LINC Komponenten, beschleunigte Differenzierung und Defekte in myonukleaärer Organisation. Dieses Ergebnis lieferte erste Einsichten in den Pathomechanismus, der auf einer Schwächung des LINC Komplexes in differenzierenden Muskelzellen basiert, was eine Störung der Ausrichtung von Zellkernen in Muskelzellen zur Folge hat. Bei 6 Patienten mit bekannten LMNA- oder EMD- Mutationen wurden zusätzliche heterozygote Veränderungen in SUN1 oder SUN2 gefunden, welche einen modifizierenden Effekt hinsichtlich eines signifikant schwereren Krankheitsverlaufs verursachen. Dies könnte eine Erklärung für die bei EDMD Patienten beobachtete inter- und intrafamiliäre klinische Variabilität sein. Weitere Hinweise für die Auswirkung von LINC Mutationen zeigte eine Studie an primären Hautfibroblasten eines Duchenne-Muskeldystrophie (DMD) Patienten und einer Patientin mit Anzeichen von EDMD und Charcot-Marie-Tooth Syndrom (CMT). Der DMD Patient trägt (außer der DMD-Mutation) zwei weitere Variationen in LINC Komponenten (Nesprin 1α2 und SUN1), die EDMD/CMT Patientin in Nesprin 1α1 und SUN2. Die Zellen beider Patienten zeigten für Laminopathien typische Veränderungen in der Zellkernform und der Zusammensetzung der Kernmembran sowie Veränderungen in Seneszenz, Stressantwort, Zellanheftung und -bewegung. Mutationen in LINC Komponenten sind ebenfalls mit mehreren anderen Erkrankungen assoziiert. Pleiotrope LMNA Mutationen verursachen u.a. progeroide Syndrome - Erbkrankheiten, die klinisch und molekular Alterungsprozesse imitieren - einschließlich Hutchinson Gilford Progerie Syndrom (HGPS), Mandibuloakrale Dysplasie (MAD), Restriktive Dermopathie (RD), atypisches Wernersyndrom (aWS) sowie überlappende Phänotypen. MAD und RD können ebenfalls durch ZMPSTE24 Mutationen (ein Gen das ZMPSTE24 kodiert, welches an der Prozessierung von Prelamin A beteiligt ist) verursacht werden. Erkenntnisse zum Pathomechanismus dieser Erkrankungen könnten Hinweise zum normalen Alterungsprozess liefern. RD und MAD Patienten wurden auf ZMPSTE24 Mutationen untersucht. Es wurden bisher unbekannte Mutationen im ZMPSTE24 Gen identifiziert. Basierend auf diesen Daten und einem Review der Literatur betreffs ZMPSTE24 Mutationen konnte ein Zusammenhang zwischen Genotyp und Phänotyp hergestellt werden: eine Kombination aus zwei Nonsense- Mutationen führt zu RD, während eine Kombination aus einer Nonsense- und einer Missense- Mutation zu MAD führt. Ein weiterer Teil dieser Arbeit ist die Untersuchung eines seltenen, bisher nicht eingeordneten, progeroiden Syndroms. Der klinische Verlauf des Patienten wirkt wie ein beschleunigtes HGPS, das in einer verzögerten RD endet. Mutationsanalysen zeigten eine homozygote LMNA- Mutation, verursacht durch eine partielle uniparentale Disomie des Chromosoms 1. Immunohistologische Untersuchungen von Gewebeproben, entnommen zu Beginn und Ende der Erkrankung, zeigten eine Abnahme der Menge an Lamin A und massive Zunahme von DNA-Schäden. Funktionelle Untersuchungen an transfizierten humanen Fibroblasten zeigten eine beeinträchtigte Rekrutierung von 53BP1, einer Komponente der DNA-Reparaturmaschinerie, durch mutiertes Lamin A. Dieser Fall zeigt, erstmalig beim Menschen, dass Lamin A direkt in die DNA-Reparatur involviert ist und dass DNA Schäden einen wesentlicher pathophysiologischern Faktor bei progeroiden Laminopathien darstellen.

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Metadaten
Author: Peter Meinke
URN:urn:nbn:de:gbv:9-001666-6
Title Additional (German):Beiträge zur molekularen Pathologie genetischer Störungen des LINC Komplex
Advisor:Prof. Dr. Manfred Wehnert
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2013/12/12
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Universitätsmedizin (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2013/12/11
Release Date:2013/12/12
Tag:Emery-Dreifuss-Muskeldystrophie, Laminopathie, Progerie
Emery–Dreifuss-muscular-dystrophy, laminopathy, progeria
GND Keyword:Erbkrankheit, Humangenetik
Faculties:Universitätsmedizin / Institut für Humangenetik
DDC class:600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 610 Medizin und Gesundheit
PACS-Classification:80.00.00 INTERDISCIPLINARY PHYSICS AND RELATED AREAS OF SCIENCE AND TECHNOLOGY / 87.00.00 Biological and medical physics / 87.19.-j Properties of higher organisms / 87.19.X- Diseases / 87.19.xk Genetic diseases