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Zerebrale kavernöse Malformationen (CCM) sind autosomal-dominant vererbbare zerebrovaskuläre Fehlbildungen, die mit unvollständiger Penetranz zu Kopfschmerzen, Krampfanfällen und hämorrhagischen Schlaganfällen führen können. Bisher wurden drei Gene mit CCM assoziiert: CCM1 (KRIT1), CCM2 (Malcavernin) und CCM3 (PDCD10). Trotz stringenter Einschlusskriterien bleiben etwa 40 % der nicht-familiären CCM-Fälle in der molekulargenetischen Standarddiagnostik mutations-negativ.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, mittels Hochdurchsatzsequenzierung die bisher wenig untersuchten, nicht-kodierenden Bereiche der drei Gene auf das Vorliegen putativ pathogener Varianten hin zu untersuchen. Zur Anreicherung der Zielregionen wurde hierfür ein Long-Range-PCR-Ansatz (LR-PCR) etabliert. Dessen Praktikabilität und Zuverlässigkeit wurde durch die Sequenzierung mehrerer mutations-positiver Kontrollproben bestätigt. Mit diesem Ansatz wurden 20 mutations-negative Probanden auf der MiSeq®-Plattform reanalysiert. Dabei konnten 36 bisher nicht beschriebene oder seltene Varianten in heterozygotem Zustand detektiert werden. Nach einer mehrstufigen Filterstrategie wurden 14 dieser Sequenzveränderungen als putativ pathogen priorisiert, die bei zehn Probanden auftraten.
Untersuchungen zum familiären Auftreten konnten eine Kausalität der Varianten nicht untermauern. Auch Transkriptanalysen bei fünf der zehn Probanden mit priorisierten Varianten führten nicht zum Nachweis einer funktionellen Relevanz. Für die verbleibenden fünf Fälle lagen RNA-Proben nicht vor und weitere Analysen müssten sich anschließen, um eine Kausa-lität detektierter Varianten zu bewerten.
Zusammenfassend konnte die Verlässlichkeit des bisher in der CCM-Analytik nicht beschriebenen Ansatzes einer Hochdurchsatzsequenzierung nach LR-PCR-Anreicherung zur Detektion von Sequenzvarianten in kodierenden und nicht-kodierenden Genbereichen von CCM1, CCM2 und CCM3 belegt werden. Sichere tief-intronische Spleißmutationen ließen sich in einer Zusammenschau der bioinformatischen Bewertungen und der durchgeführten experimentellen Untersuchungen jedoch nicht nachweisen. Der klinische Nutzen einer standardmäßigen Analyse der großen intronischen Bereiche der drei Gene scheint daher begrenzt. Für die mutationsnegativen Probanden müssen damit weitere genetische und nicht-genetische Ursachen in Erwägung gezogen werden.
Bei der familiären Form zerebraler kavernöser Malformationen (CCMs) handelt es sich um eine autosomal-dominant erbliche Erkrankung, die durch pathogene Keimbahnvarianten in den Genen CCM1/KRIT1, CCM2 bzw. CCM3/PDCD10 ausgelöst wird und mit einer Prävalenz von 1:3300 bis 1:3800 in der Allgemeinbevölkerung vorkommt. Neben Punktmutationen und kleinen Indels werden auch Strukturvarianten (SVs) in den Krankheitsgenen beobachtet. Diese sind jedoch mithilfe von Short-Read-basierten Genpanel- oder Exomsequenzierungen in der Routinediagnostik zum Teil nur schwer zu identifizieren.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde daher eine neue CRISPR/Cas9-basierte Nanopore-Sequenzierung der Gene CCM1, CCM2 und CCM3 sowie der flankierenden genomischen Regionen etabliert. Die Abdeckung der Zielregionen mit Reads länger als 20 kb erlaubte die zuverlässige Detektion von Kopienzahlveränderungen. Darüber hinaus konnte anhand einer interchromosomalen Insertion und einer 24 kb großen Inversion gezeigt werden, dass die Methode auch komplexere SVs nachweisen kann. Das Protokoll einer Cas9-basierten Sequenzierung ausgewählter genomischer Zielregionen auf der MinION-Plattform kann gut auf andere Fragestellungen übertragen werden und lässt sich mit vergleichsweise geringem Aufwand in vielen Laboren etablieren.
Ein zweiter Schwerpunkt der Promotionsarbeit lag auf der Entwicklung neuer, vielseitig einsetzbarer Zellkulturmodelle der CCM-Erkrankung. Mithilfe CRISPR/Cas9-vermittelter Genomeditierungen in fluoreszenzmarkierten humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSCs) konnten komplexe Kokulturmodelle sowie dreidimensionale vaskuläre Organoidkulturen etabliert werden. Anhand von aus CCM3-defizienten hiPSCs differenzierten humanen Endothelzellen (ECs) und vaskulären Mosaikorganoiden ließ sich ein klonaler Überlebensvorteil von CCM3-/--Zellen in Kokultur mit Wildtyp-Zellen nachweisen, welcher kürzlich auch in CCM-Mausmodellen als Schlüsselelement der CCM-Pathogenese beschrieben wurde. In den neuen Zellkulturmodellen ließ sich auch der positive Effekt des in der Greifswalder Arbeitsgruppe identifizierten Kandidatenwirkstoffs NSC59984 auf die tumorähnliche Proliferation von CCM3-/--Zellen in Kokultur validieren. Durch systematische RNA-Sequenzierungen konnte zudem nachgewiesen werden, dass CCM1 für die Differenzierung von ECs aus hiPSCs nicht erforderlich ist, jedoch die physiologische Funktion von ECs aufrechterhält.
Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeiten belegen nicht nur die Praktikabilität und Sicherheit der Identifizierung komplexer genomischer Strukturvarianten mittels CRISPR/Cas9-vermittelter Nanopore-Sequenzierungen, sondern sie ebnen zudem den Weg zur effektiven Testung neuer CCM-Therapieansätze im Hochdurchsatzverfahren und erlauben einen neuen Einblick in die noch immer unvollständig verstandene CCM-Pathogenese.
Cerebral cavernous malformations (CCMs) are prevalent slow-flow vascular lesions which harbour the risk to develop intracranial haemorrhages, focal neurological deficits, and epileptic seizures. Autosomal dominantly inherited CCMs were found to be associated with heterozygous inactivating mutations in 3 genes, CCM1(KRIT1), CCM2(MGC4607), and CCM3(PDCD10) in 1999, 2003 and 2005, respectively. Despite the availability of high-throughput sequencing techniques, no further CCM gene has been published since. Here, we report on the identification of an autosomal dominantly inherited frameshift mutation in a gene of thus far unknown function, FAM222B(C17orf63), through exome sequencing of CCM patients mutation-negative for CCM1-3. A yeast 2-hybrid screen revealed interactions of FAM222B with the tubulin cytoskeleton and STAMBP which is known to be associated with microcephaly-capillary malformation syndrome. However, a phenotype similar to existing models was not found, neither in fam222bb/fam222ba double mutant zebrafish generated by transcription activator-like effector nucleases nor in an in vitro sprouting assay using human umbilical vein endothelial cells transfected with siRNA against FAM222B. These observations led to the assumption that aberrant FAM222B is not involved in the formation of CCMs.
Cerebral cavernous malformations (CCM) are low-flow vascular lesions prone to cause severe hemorrhage-associated neurological complications. Pathogenic germline variants in CCM1, CCM2, or CCM3 can be identified in nearly 100% of CCM patients with a positive family history. In line with the concept that tumor-like mechanisms are involved in CCM formation and growth, we here demonstrate an abnormally increased proliferation rate of CCM3-deficient endothelial cells in co-culture with wild-type cells and in mosaic human iPSC-derived vascular organoids. The observation that NSC59984, an anticancer drug, blocked the abnormal proliferation of mutant endothelial cells further supports this intriguing concept. Fluorescence-activated cell sorting and RNA sequencing revealed that co-culture induces upregulation of proangiogenic chemokine genes in wild-type endothelial cells. Furthermore, genes known to be significantly downregulated in CCM3−/− endothelial cell mono-cultures were upregulated back to normal levels in co-culture with wild-type cells. These results support the hypothesis that wild-type ECs facilitate the formation of a niche that promotes abnormal proliferation of mutant ECs. Thus, targeting the cancer-like features of CCMs is a promising new direction for drug development.
Based on the latest gnomAD dataset, the prevalence of symptomatic hereditary cerebral cavernous malformations (CCMs) prone to cause epileptic seizures and stroke-like symptoms was re-evaluated in this review and calculated to be 1:5,400-1:6,200. Furthermore, state-of-the-art molecular genetic analyses of the known CCM loci are described which reach an almost 100% mutation detection rate for familial CCMs if whole genome sequencing is performed for seemingly mutation-negative families. An update on the spectrum of CCM1, CCM2, and CCM3 mutations demonstrates that deep-intronic mutations and submicroscopic copy-number neutral genomic rearrangements are rare. Finally, this review points to current guidelines on genetic counselling, neuroimaging, medical as well as neurosurgical treatment and highlights the formation of active patient organizations in various countries.