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Ziel der Arbeit war die Vervollständigung der molekulargenetischen Untersuchungen der indirekten und direkten genomischen Diagnostik bei Familien mit Hämophilie B und das Erfassen der Daten. Aus den Daten sollte eine Darstellung der Informativität und Sicherheit der klinischen, indirekten und direkten Diagnostik bei der Konduktorinnen- und pränatalen Diagnostik erfolgen. Allel- und Heterozygotenfrequenzen, evtl. vorhandene Kopplungsungleichgewichte und Rekombinationsereignisse polymorpher Restriktionsorte sollten für die deutsche Population ermittelt werden. In diesem Rahmen sollten auch Möglichkeiten und Grenzen der Heteroduplexmethode als kostengünstige Methode zum Mutationsscreening bzw. zum Nachweis bekannter Mutationen aufgezeigt werden. In ausgewählten Familien sollte der Mutationsursprung bestimmt und eventuell vorhandene Foundereffekte nachgewiesen werden. Für die Untersuchung standen 359 Probanden (hämostaseologisch bzw. klinisch voruntersuchte Indexpatienten mit HB sowie deren Familienangehörige) zur Verfügung.
Genetic heterogeneity and molecular genetic diagnostics in primary and secondary laminopathies
(2008)
Laminopathies are a group of rare genetic disorders caused by mutations in genes encoding proteins of the nuclear lamina. One can distinguish between primary and secondary laminopathies. Primary laminopathies representing at least fourteen disease phenotypes arise through pleiotropic mutations in LMNA - the gene that codes for the A-type lamins A and C, mutations in LMNB1 encoding lamin B1 and mutations in LMNB2 encoding lamin B2. Secondary laminopathies including disease phenotypes also observed in primary laminopathies are caused by genes encoding proteins related to the nuclear lamina like ZMPSTE24 (FACE1), LAP2, LBR and thus reflecting genetic heterogeneity in laminopathies. The goal of the present investigation was to study pleiotropy and genetic heterogeneity in primary and secondary laminopathies by analysis of genotype/phenotype correlations. Emery-Dreifuss muscular dystrophy (EDMD), dilated cardiomyopathy with conduction disturbances (CMD1A), familial partial lipodystrophy (FPLD), mandibuloacral dysplasia (MAD), progeroid syndrome, atypical Werner syndrome (aWRN), restrictive dermopathy (RD) and Hallermann-Streiff syndrome (HSS) were included as disease phenotypes to look for their association with LMNA (primary laminopathies) and ZMPSTE24 (secondary laminopathies). Additionally, EDMD patients without STA or LMNA mutations were tested for ZMPSTE24 mutations. A functional candidate gene approach was applied using NARF and SREBF1 in patients suffering secondary laminopathies including FPLD, MAD, HGPS and RD, who were excluded from having LMNA and ZMPSTE24 mutations. Finally, practical consequences of the present study have been considered in genetic counseling and prevention of primary and secondary laminopathies. Screening for mutations in LMNA, ZMPSTE24 (FACE1), NARF and SREBF1 was carried out by PCR using intronic primers flanking each of the exons of the genes tested. The PCR products were tested for changes by heteroduplex analysis and directly sequenced by a cycle-sequencing procedure. Each DNA variation found was checked for its frequency in 386 chromosomes of an ethnically matched control population. For primary laminolathies, 249 unrelated individuals suffering EDMD, CMD1A (DCM), FPLD, MAD, HGPS, aWRN, RD, Hallermann-Streiff syndrome or only partially showing clinical features of the afore mentioned disease phenotypes were tested for LMNA mutations. Eighteen independent LMNA mutations were found in 249 unrelated patients resulting in a general detection rate of 7.2% Summary Dissertation 83 Among the 79 unrelated Caucasian patients and seven families suffering EDMD or EDMD-like disease phenotypes, 14 were found with LMNA mutations, including p.E33G, p.R249Q, p.L263P, p.R377H, p.M348I, p.R249W, p.R453W, p.R527P, p.L530R and p.R644C have been found, resulting in a detection rate of 17.7%. Of the ten different mutations, the three mutations p.L263P, p.M348I and p.L530R are novel. The other seven mutations have been reported before to be pathogenic. There is strong evidence that indicates the pathogenicity of the three novel mutations, p.L263P, p.M348I and p.L530R. Firstly, the mutations exchanged evolutionary highly conserved amino acids as shown by orthologous gene comparisons. Secondly, they were not found in 386 alleles of a reference population. Moreover, the mutations are located in the α- helical rod or globular domains of lamins A and C that might lead to the disruption of their nuclear function causing in skeletal and cardiac muscular malfunction. The LMNA p.M348I mutation was found in a Belgian male patient (G-13730) who also carried a STA c.1A>G, p.0 mutation. The STA mutation leading to a loss of emerin has previously shown to be causative for X-linked recessive EDMD and would explain the lack of emerin and a pathogenic effect found in the affected male by itself. But co-segregation of LMNA p.M348I with cardiac conduction disturbances in female family members showed an additional cardiac effect of this mutation to the pathology. This observation is one of the very rare pieces of evidence for digenic (oligo-allelic) pathogenesis in a neuromuscular disease phenotype of laminopathies. It points to related pathogenic mechanisms in EDMD and CMD1A that are not associated with STA and LMNA but with other so far unknown genes functionally related to the nuclear envelope. The known mutation p.R453W of the LMNA gene represents a mutational hot spot. So, it was not unexpectedly found in four unrelated EDMD patients of this study. Other recurrent mutations p.R249Q and p.R377H were found in two patients each. Variable phenotypic expression of the LMNA p.R644C mutation, ranging from no clinical signs to fully expressed EDMD was observed in an Austrian family in the present study. This mutation has reportedly been associated with strikingly diverse phenotypes in unrelated patients including left ventricular hypertrophy, limb girdle muscle weakness, CMD1A, FPLD or atypical lipodystrophy, neuropathy and atypical progeria. But the mechanism of pathogenesis is unknown. The apparent non-penetrance in relatives raises questions about the clinical significance of this missense mutation. However, the observations Summary Dissertation 84 in the present family and in those previously published provide evidence that the risk to express a laminopathy in close relatives is likely to be low but reasonable. Of the 49 unrelated Caucasian patients suffering CMD1A four mutations, p.E161K, c.- 3_+12del, p.Y259C and p.R377H, were found resulting in a detection rate of 8.2%, which did not significantly differ from the 2.5% found in 197 dilated cardiomyopathy patients of an earlier study. This overall low detection rate reflects the wide genetic and environmental heterogeneity of the pathogenesis in dilated cardiomyopathy. Otherwise, LMNA mutations may cause dilated cardiomyopathy in about 5% of the cases. The wide overlapping phenotypic and genetic similarities between Hallermann-Streiff syndrome (HSS) and HGPS, made HSS a good candidate disease for a primary laminopathy caused by LMNA mutations. But there was no co-segregating disease causing mutation identified. Thus, this study excluded HSS for the first time to be associated to LMNA and adds to the molecular genetic differentiation by excluding HSS from primary laminopathies. Among 32 individuals of 12 families suffering restrictive dermopathy, 22 individuals have been found to carry the ZMPSTE24 mutations c.50delA, c.209_210delAT, c.1085 - 1086insT or c.1385T>G. The mutation c.1085 -1086insT is a recurrent mutation that occurred in the present sample with a frequency of 68% in all RD patients with a ZMPSTE24 mutation. Three mutations, c.50delA, c.209_210delAT and c.1385T>G, are novel mutations. Like the c.1085 -1086insT mutation, c.209_210delAT and c.50delA lead to a frame shift, which putatively results in a non-functional truncated peptide. As an additional indication for a pathogenic effect, the novel mutations c.50delA and c.209_210delAT were not found in 386 alleles of a normal reference population. The first ZMPSTE24 missense mutation c.1385T>G (p.L462R) changing a highly conserved amino acid was found in patient from Guinea suffering from a clinically unequivocal case of restrictive dermopathy. The mutation was heterozygous in the patient but also in the healthy mother. A second pathogenic mutation should be expected. This hypothesis could not be proven, as there was no sufficient test material available from the patient and other family members. Moreover, there was no appropriate African (Guinea) reference population available, which could have been used to estimate the frequency of p.L462R. Thus, it cannot be excluded that p.L462R might be a polymorphism or rare non-pathogenic variant in the ethnic group the patient belongs to. Genetic instability in ZMPSTE24 has interfered with the molecular genetic diagnosis of restrictive dermopathy leading to the inability to distinguish between homozygotes and heterozygotes for the ZMPSTE24 mutation c.1085-1086insT. The reason is a repeated Summary Dissertation 85 thymine (T)9 c.1076-1085 in ZMPSTE24 that can cause a slippage of DNA polymerases. By sequencing cDNAs obtained from homozygous wild-type [(T)9], heterozygous [(T)9/(T)10] and homozygous mutant [(T)10] individuals by using regular Taq polymerase (Fermentas) or high fidelity polymerase (Pfu) for the sequencing reaction the genetic instability was quantified. High error rates up to 23% were found if regular Taq polymerase (Fermentas) was used for sequencing while using high fidelity polymerase (Pfu) resulted in error rates of 6.2 % or lower. As a practical consequence, high fidelity polymerase should always be used to distinguish homozygous mutant [(T)10] individuals from heterozygous [(T)9//(T)10] by sequencing. A high percentage of EDMD patients was tested negative for mutations in STA or LMNA (Bonne et al., 2003). Therefore, other genes are supposed to be involved in the molecular pathology of EDMD. ZMPSTE24 was considered as a promising functional candidate gene in this study, as the gene product - the ZMPSTE24 peptide - takes part in the post-translational modification of lamin A. The negative result of the present study points to a rather unlikely association of EDMD with ZMPSTE24. Additionally, NARF can very likely be excluded by this study from being associated with FPLD, MAD, HGPS and RD, while SREBF1 has obviously no association with FPLD. By the present study, diagnostic tools have been established for molecular genetic diagnosis of several very rare primary and secondary laminopathies, which has a direct practical impact on disease management of laminopathies. Now, the molecular definition of the diseases by association with a specific mutation can be used for genotype/phenotype correlation, predictive diagnosis and prenatal diagnosis.
The present study was aimed at associating further genes to selected types of laminopathies applying a functional candidate gene approach. Additionally, genotype/phenotype correlations in defined laminopathies were investigated to extend the clinical spectrum and considering practical aspects of molecular genetic analysis in laminopathies. Primary and secondary laminopathies are rare genetic disorders caused by mutations in genes encoding proteins of the nuclear lamina or proteins interacting with the nuclear lamina. So far at least 14 distinct disease phenotypes of primary laminopathies have been found mostly caused by pleiotropic lamin A/C ( LMNA) mutations. Secondary laminopathies can be caused by mutations in other than lamin genes including emerin (STA), lamin associated protein-2 (LAP2) and ZMPSTE24 (ZMPSTE2).
Tetrasomy 9p is a rare chromosomal syndrome and about 30% of known cases exhibit mosaicism. Approximately 50 of the reported cases with tetrasomy 9p mosaicism show a characteristic facial appearance, growth failure, and developmental delay. However, 3 patients with mosaicism for isochromosome 9p and a normal phenotype have also been reported. We report 2 additional cases of clinically normal young females with tetrasomy 9p mosaicism, one of whom also exhibited X chromosome aneuploidy mosaicism leading to an overall of 6 different cell lines. STR analysis performed on this complex mosaic case indicated that the extra isochromosome was of maternal origin while the X chromosome aneuploidy was of paternal origin, indicating a postzygotic event.
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.
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.
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.
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.
Nach der Identifizierung einer Frameshift-Mutation im FAM222B-Gen im Rahmen einer Exomstudie bei einem familiären Fall sollte in der vorliegenden Arbeit die Hypothese geprüft werden, ob das Gen FAM222B im mutierten Zustand zerebrale kavernöse Malformationen verursachen kann. Mittels SANGER-Sequenzierung des kodierenden Abschnitts sollte geklärt werden, ob bei weiteren für CCM1-3 mutationsnegativen Kavernompatienten kausale Mutationen in FAM222B vorliegen. 2013 waren in FAM222B zwar Missense- und synonyme Varianten bekannt, jedoch keine Loss-of-Function-Mutationen. Als Ergebnis der hier durchgeführten Sequenzierung wurden sowohl im kodierenden als auch im nicht-kodierenden Bereich zwar seltene oder nicht beschriebene Varianten identifiziert. Der Abgleich mit Referenzdatenbanken und die bioinformatische Bewertung ließen deren Einfluss jedoch unwahrscheinlich erscheinen. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit war die quantitative Untersuchung des FAM222B-Gens zum Nachweis von größeren Deletionen. Auch hier konnten jedoch keine größeren Allelverluste nachgewiesen werden. Letztlich konnte bei keinem der 27 mutationsnegativen Indexpatienten eine sicher kausale Mutation in FAM222B identifiziert werden. Die gefundenen Genvarianten sind nicht als ursächlich für die Ausbildung von zerebralen Kavernomen zu werten. In Zusammenschau des Datenbankabgleiches mit aktuellen Vergleichskohorten, der bioinformatischen Bewertung, der quantitativen Analyse und der parallel durchgeführten in vivo Studie gibt es keine sichere molekulargenetische Evidenz für FAM222B als neues Kandidatengen für zerebrale kavernöse Malformationen.
Zerebrale kavernöse Malformationen (CCMs) sind vaskuläre Fehlbildungen des zentralen Nervensystems, welche sich klinisch durch epileptische Anfälle, fokale neurologische Ausfälle und Kopfschmerzen äußern. Sie treten sowohl sporadisch als auch im Rahmen einer autosomal-dominant erblichen Form auf. Krankheitsassoziierte Varianten wurden in drei Genen beschrieben: CCM1, CCM2 und CCM3. Patienten mit pathogenen Varianten im CCM3-Gen fallen häufig durch einen schwereren Phänotyp und ein früheres Manifestationsalter auf. Der genaue Verlauf der molekularen CCM-Pathogenese ist jedoch bisher nicht ausreichend verstanden. In dieser Arbeit wurde deshalb die Entwicklung eines humanen in vitro Modells in den Fokus gestellt. Im Gegensatz zu bisher publizierten Studien, die auf einer transienten Herunterregulation von CCM3 beruhen, wurden hier die Folgen eines Langzeit-CCM3-Verlustes untersucht. Unter Verwendung der Komponenten des CRISPR/Cas9-Systems wurde ein Modell etabliert, welches die komplette Inaktivierung von CCM3 in kavernösen Endothelzellen von Trägern heterozygoter pathogener Keimbahnvarianten nachahmt.
In humanen Endothelzellen führte die CRISPR/Cas9-vermittelte CCM3-Inaktivierung zu veränderten endothelialen Eigenschaften, welche die Morphologie, die Apoptoseinduktion, die Stabilität kapillarähnlicher Strukturen sowie die Sphäroidorganisation umfassen. Zudem kam es zu einer vermehrten Aktin-Stressfaserbildung. Auf molekularer Ebene war eine veränderte Expression von Genen zu beobachten, deren Produkte eine Rolle in der Regulation von Zellverbindungen, der Zellmembran oder der extrazellulären Matrix spielen. Insbesondere das unter Basalbedingungen stark in Endothelzellen exprimierte Fibronektin war signifikant herunterreguliert. Die Zugabe exogenen Fibronektins konnte die Zellmorphologie, die Sphäroidorganisation und die kortikale Anordnung des Aktin-Zytoskelettes normalisieren. Da auch nach CRISPR/Cas9-induzierter Inaktivierung von CCM1 und CCM2 diese Effekte beobachtet werden konnten, deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass der Aufbau einer intakten fibronektinhaltigen endothelialen Matrix von der Funktionalität der CCM-Proteine abhängt. Künftige Studien werden die Modulation der gestörten endothelialen Apoptoseinduktion als neuen Ansatz zur Identifizierung medikamentöser Therapieoptionen adressieren.
Zerebrale kavernöse Malformationen (CCM) sind Gefäßfehlbildungen des zentralen Nervensystems. Diese können durch Blutungen zu rezidivierenden Kopfschmerzen, epileptischen Anfällen oder hämorrhagischen Schlaganfällen führen. CCMs treten sowohl sporadisch als auch familiär mit autosomal-dominantem Erbgang auf. Die Prävalenz für symptomatisch erbliche Kavernome liegt bei 1:5400 bis 1:6200. Es wurden pathogene Sequenzveränderungen in den Genen CCM1, CCM2 und CCM3 mit der familiären Kavernomatose assoziiert. MicroRNAs (miRNA) sind kurze, nichtkodierende RNAs, die die Expression von vielen Zielgenen regulieren können. Bisher ist wenig über die posttranskriptionale Regulation der CCM3-Expression durch miRNAs bekannt.
Durch in silico Analysen wurde die Regulation von CCM3 durch die miRNAs miR- 103a-3p, miR-30a-5p und let-7f-2-3p vorhergesagt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte die Bindung dieser miRNAs an die 3'-UTR von CCM3 bestätigt werden. Die Transfektion von miR-103a-3p, miR-30a-5p- und let-7f-2-3p-Analoga in humane Nabelschnurvenenendothelzellen (HUVECs) führte zudem zu einer signifikanten oder tendenziellen Herunterregulation der CCM3-Expression auf mRNA-Ebene. Auf Protein-Ebene wurden ähnliche Ergebnisse erzielt. In vitro-Untersuchungen zur Wirkung der miRNA-Analoga auf die angiogenetischen Eigenschaften von Endothelzellen zeigten besonders nach miR-30a-5p-Transfektion einen proangiogenen Effekt auf HUVECs. Daher wurde die Wirkung dieser miRNA nachfolgend durch Transfektion eines miR-30a-5p-Inhibitors weiter untersucht. Diese führte zu einer Erhöhung der CCM3-Proteinmenge, nicht jedoch zu einer gesteigerten Expression auf mRNA-Ebene. In Übereinstimmung mit der Annahme einer proangiogenen Wirkung dieser miRNA zeigten sich negative Auswirkungen auf die angiogenetischen Eigenschaften von HUVECs nach Transfektion des miR-30a- 5p-Inhibitors. Zusammenfassend ergeben sich Hinweise, dass CCM3 von miR-103a- 3p, miR-30a-5p und let-7f-2-3p reguliert wird und dass besonders miR-30a-5p proangiogene Eigenschaften aufweist. Die Rolle der ausgewählten miRNAs bei der Pathogenese der CCMs ist jedoch nicht abschließend geklärt, wobei die Regulation von CCM3 durch ein großes, größtenteils noch unbekanntes Netzwerk von miRNAs anzunehmen ist.
Zerebrale kavernöse Malformationen (CCM) sind Fehlbildungen im neurovaskulären System, welche aufgrund von Krampfanfällen und hämorrhagischen Schlaganfällen zu einer stark eingeschränkten Lebensqualität führen können. Die Prävalenz von symptomatischen, autosomal-dominant erblichen CCMs auf Basis einer pathogenen Keimbahnvariante in einem der drei Gene CCM1, CCM2 oder CCM3 wird auf 1:5400 bis 1:6200 geschätzt. Durch Genpanelanalysen können sowohl Punktmutationen als auch kleine Indels und Kopienzahlveränderungen in einem parallelen Ansatz nachgewiesen werden.
Zur weiteren Aufklärung der molekularen Pathogenese hereditärer Kavernome und zur Suche nach potenziellen Therapieansätzen wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmals ein Patienten-spezifisches in vitro Zellmodell der Kavernomatose etabliert. Hierzu wurden zirkulierende endotheliale Vorläuferzellen (Blood Outgrowth Endothelial Cells, BOECs) aus dem Blut eines CCM-Patienten mit krankheitsverursachender heterozygoter CCM1-Keimbahnveränderung isoliert. Im Sinne der Knudson´schen Zweischrittinaktivierung zur Entstehung von Kavernomen wurde das zweite CCM1-Allel in Zellkulturen mit Hilfe der CRISPR/Cas9-Technologie ausgeschaltet. In klonal expandierten Zellkolonien konnte das Vorliegen einer Compound-Heterozygotie für die CCM1-Keimbahnvariante und eine zweite CRISPR/Cas9-induzierte loss-of-function Variante bestätigt werden.
Durch die zweite Mutation zeigten sich morphologische Veränderungen, die Störung endothelialer Zell-Zell-Verbindungen und eine vermehrte Aktin-Stressfaserbildung sowie eine deutliche Hochregulation des Transkriptionsfaktors KLF2. Zudem führte die komplette Inaktivierung des CCM1-Gens zu einer Akkumulation des von-Willebrand-Faktors (vWF). Die in der vorgelegten Arbeit erstmals beschriebene starke Anreicherung des vWF konnte in immortalisierten humanen Endothelzellen und zudem im Kavernomgewebe von Trägern pathogener CCM1-, CCM2- oder CCM3-Veränderungen bestätigt werden. Es ist daher denkbar, dass der erhöhte vWF-Spiegel im Endothel des kavernösen Gefäßkonvoluts zum lokalen hämostatischen Ungleichgewicht beiträgt.
Im Patienten-spezifischen BOEC-Modell konnte zudem erstmals in einem nicht-viralen und Plasmid-freien Ribonukleoprotein-basierten CRISPR/Cas9-Ansatz eine Mutationskorrektur der vorliegenden CCM1-Keimbahnveränderung erreicht werden. Die Ergebnisse der weiteren Kultivierungen und Amplikon-Tiefensequenzierungen zeigten jedoch sehr eindrücklich, dass der klonogene Überlebensvorteil von verbleibenden CCM1-inaktivierten BOECs zu einem deutlichen Überwachsen der korrigierten BOECs im Zellgemisch führt und eine CRISPR/Cas9-vermittelte Mutationskorrektur damit für CCM-Patient*innen keine
realistische Therapieoption darstellt. Diese Ergebnisse fließen in neue Ansätze der Therapieentwicklung ein, welche vor allem den klonalen Überlebensvorteil und die Apoptoseresistenz CCM-defizienter Zellen adressieren.
Zerebrale kavernöse Malformationen (CCM) sind maulbeerartige Gefäßfehlbildungen, die sich klinisch in Form von rezidivierenden, migräneartigen Kopfschmerzen, epileptischen Anfällen oder hämorrhagischen Schlaganfällen äußern können. CCMs treten sowohl sporadisch als auch in einer autosomal-dominant erblichen Form auf. Die Prävalenz der symptomatischen erblichen Kavernome liegt bei 1:5400 bis 1:6200. Somit zählen sie zu den seltenen Erkrankungen. Pathogene Varianten in den Genen CCM1, CCM2 und CCM3 sind mit der Entstehung der Malformationen assoziiert. Speziell Träger einer pathogenen CCM3-Variante zeigen meist ein frühes Manifestationsalter und einen schwerwiegenderen klinischen Krankheitsverlauf.
Durch in der Greifswalder Arbeitsgruppe durchgeführte Transkriptomanalysen von CCM3-/- CI-huVECs konnten die im Vergleich zu den CCM3+/+ Zellen neben FN1 (Fibronektin-1-Gen) am stärksten herunterregulierten Gene FBLN5 und POSTN identifiziert werden. Sie kodieren für Proteine der EZM. In der vorliegenden Arbeit wurden die Auswirkungen der matrizellulären Proteine FBLN5 und POSTN erstmals im Rahmen der CCM3-Pathogenese untersucht. Weder die akute Herunterregulation von FBLN5 noch die von POSTN hatte einen Einfluss auf die Wachstumsmorphologie oder die Organisation des Aktinzytoskeletts. In Bezug auf die Angiogenese führten die akuten Herunterregulationen von FBLN5 und POSTN zu einer verminderten Ausbildung gefäßähnlicher Strukturen. Im nächsten Schritt wurde eine mögliche Rettung des Phänotyps der CCM3-/- Endothelzellen durch die Hinzugabe der rekombinanten Proteine FBLN5 und POSTN untersucht. Die Addition von rFBLN5 veränderte die Morphologie der Endothelzellen maßgeblich und führte zu einer gezielten Reorganisation des Aktinzytoskeletts. Die Supplementierung von rPOSTN wirkte im Zeitverlauf stabilitätssteigernd auf die gefäßähnlichen Strukturen und hatte einen rettenden Einfluss auf die angiogenetischen Eigenschaften der CCM3-/- Endothelzellen. In Zusammenschau mit den von Schwefel et al. (2020) publizierten Daten über Fibronektin ist davon auszugehen, dass Bestandteile der EZM eine modulatorische Rolle in der Entstehung von CCMs einnehmen. Allerdings bleibt bisher ungeklärt welche Mechanismen hierbei von Bedeutung sind.
Genetic variants in α-actinin-2 (ACTN2) are associated with several forms of (cardio)myopathy. We previously reported a heterozygous missense (c.740C>T) ACTN2 gene variant, associated with hypertrophic cardiomyopathy, and characterized by an electro-mechanical phenotype in human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs). Here, we created with CRISPR/Cas9 genetic tools two heterozygous functional knock-out hiPSC lines with a second wild-type (ACTN2wt) and missense ACTN2 (ACTN2mut) allele, respectively. We evaluated their impact on cardiomyocyte structure and function, using a combination of different technologies, including immunofluorescence and live cell imaging, RNA-seq, and mass spectrometry. This study showed that ACTN2mut presents a higher percentage of multinucleation, protein aggregation, hypertrophy, myofibrillar disarray, and activation of both the ubiquitin-proteasome system and the autophagy-lysosomal pathway as compared to ACTN2wt in 2D-cultured hiPSC-CMs. Furthermore, the expression of ACTN2mut was associated with a marked reduction of sarcomere-associated protein levels in 2D-cultured hiPSC-CMs and force impairment in engineered heart tissues. In conclusion, our study highlights the activation of proteolytic systems in ACTN2mut hiPSC-CMs likely to cope with ACTN2 aggregation and therefore directs towards proteopathy as an additional cellular pathology caused by this ACTN2 variant, which may contribute to human ACTN2-associated cardiomyopathies.
The German Consortium Hereditary Breast and Ovarian Cancer (GC-HBOC) consists of 23 academic centers striving to provide high-quality regional care for affected individuals and healthy at-risk family members. According to the standard operating procedures defined by the GC-HBOC, a Familial Breast and Ovarian Cancer Center was implemented at the University Medicine Greifswald over a four-year period from 2018 to 2021, despite the COVID-19 pandemic. Genetic analyses were performed in a total of 658 individuals, including 41 males, which paved the way to local annual risk-adapted breast cancer surveillance for 91 women and prophylactic surgery for 34 women in 2021. Our experience in the North Eastern part of Germany demonstrates that it is possible to establish a high-risk breast and ovarian cancer service even in a sparsely populated region. Major facilitators are the interdisciplinary collaboration of dedicated local experts, the support of the GC-HBOC, fruitful clinical and scientific cooperations and the use of technical improvements. As a blueprint, our project report may help to further expand the network of specialized and knowledge-generating care for HBOC families.
Deletions in the CCM1, CCM2, and CCM3 genes are a common cause of familial cerebral cavernous malformations (CCMs). In current molecular genetic laboratories, targeted next-generation sequencing or multiplex ligation-dependent probe amplification are mostly used to identify copy number variants (CNVs). However, both techniques are limited in their ability to specify the breakpoints of CNVs and identify complex structural variants (SVs). To overcome these constraints, we established a targeted Cas9-mediated nanopore sequencing approach for CNV detection with single nucleotide resolution. Using a MinION device, we achieved complete coverage for the CCM genes and determined the exact size of CNVs in positive controls. Long-read sequencing for a CCM1 and CCM2 CNV revealed that the adjacent ANKIB1 and NACAD genes were also partially or completely deleted. In addition, an interchromosomal insertion and an inversion in CCM2 were reliably re-identified by long-read sequencing. The refinement of CNV breakpoints by long-read sequencing enabled fast and inexpensive PCR-based variant confirmation, which is highly desirable to reduce costs in subsequent family analyses. In conclusion, Cas9-mediated nanopore sequencing is a cost-effective and flexible tool for molecular genetic diagnostics which can be easily adapted to various target regions.
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.
Cerebral cavernous malformations are clusters of aberrant vessels that can lead to severe neurological complications. Pathogenic loss-of-function variants in the CCM1, CCM2, or CCM3 gene are associated with the autosomal dominant form of the disease. While interpretation of variants in protein-coding regions of the genes is relatively straightforward, functional analyses are often required to evaluate the impact of non-coding variants. Because of multiple alternatively spliced transcripts and different transcription start points, interpretation of variants in the 5′ untranslated and upstream regions of CCM1 is particularly challenging. Here, we identified a novel deletion of the non-coding exon 1 of CCM1 in a proband with multiple CCMs which was initially classified as a variant of unknown clinical significance. Using CRISPR/Cas9 genome editing in human iPSCs, we show that the deletion leads to loss of CCM1 protein and deregulation of KLF2, THBS1, NOS3, and HEY2 expression in iPSC-derived endothelial cells. Based on these results, the variant could be reclassified as likely pathogenic. Taken together, variants in regulatory regions need to be considered in genetic CCM analyses. Our study also demonstrates that modeling variants of unknown clinical significance in an iPSC-based system can help to come to a final diagnosis.
Zerebrale kavernöse Malformationen (CCMs) sind Gefäßfehlbildungen im Gehirn oder Rückenmark und können sich klinisch aufgrund einer erhöhten Blutungsbereitschaft mit Kopfschmerzen, Gefühls- und Sprachstörungen bis hin zu Krampfanfällen äußern. Sie treten sporadisch oder im Rahmen einer autosomal-dominant erblichen Form auf. Kausale Sequenzveränderungen sind dabei in den drei Genen CCM1, CCM2 und CCM3 bekannt. Die Detektionsrate für pathogene Varianten ist mit bis zu 60 % für sporadische Fälle und mit weit über 90 % für familiäre Fälle sehr hoch. Während Genpanel-Analysen sehr verlässlich Einzelnukleotidveränderungen, kleine Insertions- und Deletionsvarianten sowie Kopienzahlveränderungen detektieren können, werden komplexe Strukturvarianten oder Veränderungen in nicht-kodierenden Regionen kaum erfasst. Diese rücken jedoch für die bisher genetisch unaufgeklärten Fälle immer mehr in den Fokus des Interesses. Diese Arbeit adressiert daher zum einen die Identifizierung neuer Strukturvarianten und deren funktionale Interpretation im Kontext der CCM-Erkrankung.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit ist der erstmalige Nachweis einer interchromosomalen Insertion bei einem CCM-Patienten gelungen. Die unbalancierte Insertion genomischen Materials von Chromosom 1 in die kodierende Region des CCM2-Gens konnte durch die Verbindung von bioinformatischen Auswertestrategien der Next Generation Sequencing-Genpanel-Daten, molekularzytogenetischen Analysen und einer molekularen Bruchpunktkartierung genau charakterisiert werden. Die Identifikation einer weiteren Strukturvariante, einer Deletion des Transkriptionsstarts von CCM1, verdeutlichte die Herausforderungen bei der Bewertung von Veränderungen in nicht-kodierenden Genbereichen. Für eine eindeutige Klassifikation der Variante wurden daher funktionale Analysen durchgeführt, die auf einer CRISPR/Cas9-vermittelten Nachbildung der Deletion in iPSCs und der anschließenden Differenzierung in Endothelzellen beruhte. Damit konnte gezeigt werden, dass die Deletion zu einem Verlust der CCM1 mRNA- und Proteinexpression führt. Zudem wurde in den differenzierten Endothelzellen eine für die CCM-Pathogenese charakteristische Deregulation von KLF2, THBS1, NOS3 und HEY2 beobachtet. Schließlich war es auf Basis dieser in vitro-Analysen möglich, die Variante entsprechend den ACMG-Richtlinien als wahrscheinlich pathogen zu bewerten und somit die molekulare CCM-Diagnose zu sichern.
Die Verbindung des CRISPR/Cas9-Systems mit iPSCs ist nicht nur für die Variantenbewertung von großem Nutzen, sondern bietet auch das Potential zum besseren Verständnis von Krankheitsmechanismen. Ein weiterer Fokus der vorliegenden Arbeit lag daher auf der Etablierung und Verwendung iPSC-basierter Zellkulturmodelle für die CCM-Modellierung. Zunächst ist es gelungen, mehrere iPSC-Linien mit einer kompletten CRISPR/Cas9-vermittelten CCM1-, CCM2- oder CCM3-Inaktivierung zu generieren. Diese wurden anschließend für die Differenzierung in hBMEC-ähnliche Zellen und innovative dreidimensionale vaskuläre Organoide verwendet. In diesen Systemen konnte beispielsweise eindrücklich eine tumorähnliche Proliferation CCM3-defizienter Endothelzellen nachvollzogen werden, die nur in Kontakt mit Wildtyp-Zellen auftrat. RNA-Sequenzierungen in einem CCM1-basierten Knockout-Modell konnten darüber hinaus die Rolle von CCM1 als Endothel-spezifisches Suppressorgen stärken. Die im Rahmen der Arbeit etablierten Systeme werden zukünftig für weitere Fragestellungen der CCM-Pathogenese wie der endothelialen Barrierestörung eingesetzt und stellen darüber hinaus sehr gut geeignete Plattformen für die effektive Entwicklung dringend benötigter therapeutischer Ansätze dar.
Cerebral cavernous malformation (CCM) is a neurovascular disease that can lead to seizures and stroke-like symptoms. The familial form is caused by a heterozygous germline mutation in either the CCM1, CCM2, or CCM3 gene. While the importance of a second-hit mechanism in CCM development is well established, it is still unclear whether it immediately triggers CCM development or whether additional external factors are required. We here used RNA sequencing to study differential gene expression in CCM1 knockout induced pluripotent stem cells (CCM1−/− iPSCs), early mesoderm progenitor cells (eMPCs), and endothelial-like cells (ECs). Notably, CRISPR/Cas9-mediated inactivation of CCM1 led to hardly any gene expression differences in iPSCs and eMPCs. However, after differentiation into ECs, we found the significant deregulation of signaling pathways well known to be involved in CCM pathogenesis. These data suggest that a microenvironment of proangiogenic cytokines and growth factors can trigger the establishment of a characteristic gene expression signature upon CCM1 inactivation. Consequently, CCM1−/− precursor cells may exist that remain silent until entering the endothelial lineage. Collectively, not only downstream consequences of CCM1 ablation but also supporting factors must be addressed in CCM therapy development.