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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.
Zerebrale kavernöse Malformationen sind Gefäßfehlbildungen des menschlichen zentralen Nervensystems, die mit einer Prävalenz von etwa 1:650 in der Bevölkerung auftreten und zu rezidivierenden Kopfschmerzen, Krampfanfällen und Gehirnblutungen führen können. Diese Läsionen treten sowohl sporadisch als auch als Konsequenz von erblichen Mutationen (familiäre Kavernomatose) mit unvollständiger Penetranz und variabler Expressivität auf. Kausale Mutationen sind für die Gene CCM1 ( KRIT1), CCM2 (Malcavernin) und CCM3 (PDCD10) beschrieben. Die vorliegende Dissertationsarbeit mit dem Titel „Identifizierung und Charakterisierung eines neuen Kandidatengens für kavernöse Gefäßmalformationen des zentralen Nervensystems“ hatte die Suche neuer CCM-assoziierter Gene und deren Beschreibung zur Aufgabe. Als Ausgangspunkt dienten fünf Indexpatienten aus der Kohorte Stahl et al. 2008, bei denen keine ursächliche Mutation in den bekannten CCM-Genen identifiziert werden konnte. Die Exomsequenzierung mittels SOLiD™ 5500XL ergab für die vier isolierten und den familiären Fall mehr als 210.000 Varianten. Nach Filterung und Priorisierung dieser Veränderungen wurden acht Kandidatengene definiert, von denen fünf mittels klassischer Sanger-Sequenzierung validiert werden konnten. Das vielversprechendste Kandidatengen, FAM222B (C17orf63), in dem 2012 keine Loss-of-function Mutationen bekannt waren und das für ein Protein unbekannter Struktur und Funktion kodiert, wurde für die weitere Charakterisierung ausgewählt. Zunächst konnten durch einen Yeast Two-Hybrid Screen Interaktionspartner identifiziert werden, die sich in die bekannten CCM-Signalwege integrieren ließen. Funktionelle Studien mittels Morpholino- und TALEN-Technik im Zebrafischmodell und mit humanen Nabelschnurvenenendothelzellen zeigten jedoch keinen signifikanten Effekt von FAM222B auf die Angiogenese. Auch eine detaillierte Bewertung der Informationen, die erst Ende 2014 in der ExAC-Datenbank veröffentlicht wurden, spricht in Zusammenschau mit den experimentellen Daten eher dagegen, FAM222B als neues Kandidatengen für die Entstehung von CCMs einzustufen. Parallel zu den funktionellen Studien wurde die Kohorte von Stahl et al. 2008 kontinuierlich erweitert. Bei den molekulargenetischen Analysen fanden sich mehr kausale Mutationen im CCM3-Gen als bisher angenommen. Ferner konnte gezeigt werden, dass rund ein Drittel der Probanden vor Erreichen des Erwachsenenalters und ein Fünftel der Mutationsträger bereits vor dem 10. Lebensjahr erkranken.