Institut für Humangenetik
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Fanconi-Anämie (FA) ist, mit Ausnahme von Mutationen in FANCR/RAD51, eine autosomal-rezessive oder X-chromosomal vererbte Krankheit, die sich durch eine ausgesprochene klinische als auch genetische Heterogenität auszeichnet. Neben einem fortschreitenden Knochenmarksversagen zählen zu den typischen Merkmalen eine Vielzahl an angeborenen Fehlbildungen, wie beispielsweise Radialstrahlanomalien, Minderwuchs oder Pigmentierungsstörungen. Zudem besteht für FA-Patienten ein überdurchschnittlich hohes Risiko bereits in jungen Jahren an akuter myeloischer Leukämie oder soliden Tumoren zu erkranken. Bislang konnten in 21 FA-Genen (FANCA, -B, -C, - D1, -D2, -E, -F, -G, -I, -J, -L, -M, -N, -O, -P, -Q, -R, -S, -T, -U oder -V) krankheitsverursachende Mutationen identifiziert werden, deren Proteinprodukte maßgeblich an der Aufrechterhaltung der Genomstabilität beteiligt sind und Komponenten des FA/BRCA-DNA-Reparaturweges darstellen. In der klassischen FA-Mutationsanalyse kommen meist Sanger-Sequenzierungen sowie MLPA- und Immunblot-Analysen zum Einsatz. Da im Wesentlichen keine Genotyp-Phänotyp-Korrelation besteht, gestaltet sich, gerade bei seltenen FA-Komplementationsgruppen, der Nachweis von krankheitsverursachenden Mutationen oftmals sehr zeit- und kostenintensiv. Während der letzten Jahre wurden verschiedene Strategien zur Anreicherung und Sequenzierung entwickelt, welche die parallele Sequenzanalyse einzelner ausgewählter Gene, ganzer Exome oder sogar des gesamten Genoms und somit eine kosten- und zeiteffiziente Mutationsanalyse ermöglichen. In der vorliegenden Arbeit wurden unterschiedliche Anreicherungsmethoden mit anschließender Hochdurchsatzsequenzierung auf ihre Anwendbarkeit in der molekulargenetischen FA-Diagnostik getestet, um klassische Mutationsanalyse-Methoden zu ergänzen oder möglicherweise sogar ganz ersetzen zu können.
Der erste Teil der Arbeit befasste sich mit der Etablierung eines FA-spezifischen Genpanels zur Genotypisierung von FA-Patienten. Nachdem die Methode zunächst anhand von FA-Patienten mit bekannten Mutationen optimiert werden musste, erwies sie sich als effizienter Ansatz zum Nachweis krankheitsverursachender Mutationen bei FA-Patienten unbekannter Komplementationsgruppe. Durch die FA-Panelanalyse konnten 37 von 47 unklassifizierten Patienten einer FA-Komplementationsgruppe zugeordnet werden, indem deren kausalen Mutationen bestimmt wurden. In einem weiteren Ansatz sollte die Anwendbarkeit eines kommerziellen Anreicherungspanels zur FA-Diagnostik untersucht werden. Auch hier konnte ein Großteil der krankheitsverursachenden Mutationen von fünf bekannten wie auch 13 nicht zugeordneten FA-Patienten detektiert und somit eine molekulargenetische Diagnose bei neun weiteren, zuvor unklassifizierten FA-Patienten, gestellt werden. Ferner wurden sechs ausgewählte Patienten, zusätzlich zur Panelanreicherung, per Exomanalyse untersucht. Zum einen konnten Mutationen in bekannten FA-Genen bestätigt oder neu identifiziert werden. Zum anderen wurden auch potentiell pathogene Mutationen in DNA-Reparaturgenen außerhalb des FA/BRCA-Signalweges bei zwei Patienten mit unbestätigter Verdachtsdiagnose FA verifiziert. So wurde bei mehreren Mitgliedern einer Familie mit unterschiedlichen Tumorerkrankungen eine zuvor unbeschriebene homozygote Nonsense-Mutation in der BER-Glykosylase NTHL1 nachgewiesen, für welche bislang erst zwei pathogene Mutationen als Auslöser eines neuen Krebssyndroms bekannt sind. Bei einem weiteren Patienten wurden compound-heterozygote Mutationen in RPA1 detektiert, ein Gen für das bislang noch kein Krankheitsbild bekannt ist. Mit Hilfe der drei verschiedenen Anreicherungsstrategien konnten insgesamt 47 von 60 unklassifizierten FA-Patienten 13 verschiedenen Komplementationsgruppen eindeutig zugeordnet werden. Es zeigte sich dabei ein breites Spektrum an neuen, bislang unbeschriebenen FA-Mutationen. Den größten Anteil an der Gesamtzahl der nachgewiesenen Mutationen hatten Spleißmutationen, die auf eine Auswirkung auf das kanonische Spleißmuster untersucht wurden, um einen pathogenen Effekt nachweisen zu können.
Weiterhin schloss die Arbeit die Charakterisierung einzelner FA-Patienten bzw. Komplementationsgruppen mit ein. Dazu zählen die seltenen Untergruppen FA-T und FA-Q, für die jeweils ein neuer Patient identifiziert werden konnte. Durch die funktionelle Charakterisierung der dritten jemals beschriebenen FA-Q-Patientin konnten Einblicke in das Zusammenspiel der Reparatur von DNA-Quervernetzungen und der Nukleotidexzisionsreparatur gewonnen und die phänotypische Variabilität von FA durch die subjektive als auch zelluläre UV-Sensitivität der Patientin ergänzt werden. Darüber hinaus konnte das Mutationsspektrum in FA-I sowie FA-D2 erweitert werden. Eine genauere Untersuchung der Pseudogenregionen von FANCD2 ermöglichte dabei die gezielte Mutationsanalyse des Gens.
Insgesamt konnten die Ergebnisse dieser Arbeit dazu beitragen, das Mutationsspektrum in FA zu erweitern und durch die Identifizierung und Charakterisierung einzelner Patienten neue Einblicke in verschiedene Komponenten des FA/BRCA-Signalweges zu erhalten. Es zeigte sich, dass neue DNA-Sequenzierungsstrategien in der FA-Diagnostik eingesetzt werden können, um eine effiziente Mutationsanalyse zu gewährleisten und klassische Methoden in Teilbereichen zu ersetzen.
Trotz der rasanten Entwicklung molekulargenetischer Analysemethoden sind die Auslöser vieler Erbrankheiten bislang ungeklärt. Eine Identifikation der genetischen Ursache einer Erkrankung ist jedoch essenziell, um zusätzliche invasive Tests vermeiden, adäquate Therapiemaßnahmen in die Wege leiten, akkurate Prognosen stellen und eine entsprechende genetische Beratung anbieten zu können. Next Generation Sequencing (NGS)-basierte Techniken wie die Whole Exome Sequenzierung (WES) haben die humangenetische Forschung und Diagnostik in den letzten Jahren revolutioniert. Die WES ermöglicht die Sequenzierung der Exons aller proteincodierenden Gene von mehreren Individuen gleichzeitig und stellt ein hilfreiches Werkzeug bei der Suche nach neuen kranheitsrelevanten Genen im Menschen dar.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Aufklärung genetischer Ursachen verschiedenster Erkrankungen in konsanguinen Familien aus dem nahen und mittleren Osten mittels WES. Insgesamt wurden 43 Patienten mit unterschiedlichen Krankheitsbildern untersucht, darunter viele mit Skelettdysplasien oder Neuropathien. In 22 Fällen (51%) konnte die entsprechende krankheitsverursachende Mutation ausfindig gemacht werden. In 21% der aufgeklärten Fälle wurden Sequenzvarianten detektiert, die in der Literatur bereits als pathogen beschrieben wurden, während 63% bisher noch unbekannte Mutationen in bereits als krankheitsrelevant beschriebenen Genen darstellten. Zudem konnten im Rahmen dieser Arbeit drei neue, für den Menschen krankheitsrelevante Gene identifiziert werden, solute carrier family 10 member 7 (SLC10A7), T-box 4 (TBX4) und MIA SH3 domain ER export factor 3 (MIA3). SLC10A7 codiert für einen Transporter aus der Familie der solute carrier, der in der Plasmamembran verankert ist. In dieser Arbeit geleistete Analyseergebnisse konnten zu der Erstbeschreibung von homozygoten pathogenen SLC10A7-Mutationen als Ursache für eine Skelettdysplasie mit Amelogenesis imperfecta beitragen. Bei TBX4 handelt es sich um einen hochkonservierten Transkriptionsfaktor, der während der embryonalen Entwicklung an der Ausbildung der unteren Extremitäten beteiligt ist. Homozygote pathogene TBX4-Mutationen wurden im Kontext dieser Arbeit erstmalig mit einer posterioren Amelie mit Becken- und Lungenhypoplasie in Verbindung gebracht. MIA3 ist ein Transmembranprotein des endoplasmatischen Retikulums, das eine essenzielle Rolle bei der Proteinsekretion spielt. Die hier vorgestellten Patienten mit homozygoten pathogenen MIA3-Mutationen zeigen eine komplexe syndromale Erkrankung, die sich hauptsächlich in einer Kollagenopathie, Diabetes mellitus und milder mentaler Retardierung manifestiert und ein neues Krankheitsbild darstellt.
Die im Rahmen dieser Arbeit erzielten Ergebnisse erweitern somit zum einen das Mutationsspektrum verschiedener bekannter Krankheitsbilder und offenbaren zum anderen neue krankheitsrelevante Gene im Menschen.
Normal human brain development is dependent on highly dynamic epigenetic processes for spatial and temporal gene regulation. Recent work identified wide-spread changes in DNA methylation during fetal brain development. We profiled CpG methylation in frontal cortex of 27 fetuses from gestational weeks 12-42, using Illumina 450K methylation arrays. Sites showing genome-wide significant correlation with gestational age were compared to a publicly available data set from gestational weeks 3-26. Altogether, we identified 2016 matching developmentally regulated differentially methylated positions (m-dDMPs): 1767 m-dDMPs were hypermethylated and 1149 hypomethylated during fetal development. M-dDMPs are underrepresented in CpG islands and gene promoters, and enriched in gene bodies. They appear to cluster in certain chromosome regions. M-dDMPs are significantly enriched in autism-associated genes and CpGs. Our results promote the idea that reduced methylation dynamics during fetal brain development may predispose to autism. In addition, m-dDMPs are enriched in genes with human-specific brain expression patterns and/or histone modifications. Collectively, we defined a subset of dDMPs exhibiting constant methylation changes from early to late pregnancy. The same epigenetic mechanisms involving methylation changes in cis-regulatory regions may have been adopted for human brain evolution and ontogeny.
Werner Syndrome (WS) is an adult‐onset segmental progeroid syndrome. Bisulfite pyrosequencing of repetitive DNA families revealed comparable blood DNA methylation levels between classical (18 WRN‐mutant) or atypical WS (3 LMNA‐mutant and 3 POLD1‐mutant) patients and age‐ and sex‐matched controls. WS was not associated with either age‐related accelerated global losses of ALU, LINE1, and α‐satellite DNA methylations or gains of rDNA methylation. Single CpG methylation was analyzed with Infinium MethylationEPIC arrays. In a correspondence analysis, atypical WS samples clustered together with the controls and were clearly separated from classical WS, consistent with distinct epigenetic pathologies. In classical WS, we identified 659 differentially methylated regions (DMRs) comprising 3,656 CpG sites and 613 RefSeq genes. The top DMR was located in the HOXA4 promoter. Additional DMR genes included LMNA, POLD1, and 132 genes which have been reported to be differentially expressed in WRN‐mutant/depleted cells. DMRs were enriched in genes with molecular functions linked to transcription factor activity and sequence‐specific DNA binding to promoters transcribed by RNA polymerase II. We propose that transcriptional misregulation of downstream genes by the absence of WRN protein contributes to the variable premature aging phenotypes of WS. There were no CpG sites showing significant differences in DNA methylation changes with age between WS patients and controls. Genes with both WS‐ and age‐related methylation changes exhibited a constant offset of methylation between WRN‐mutant patients and controls across the entire analyzed age range. WS‐specific epigenetic signatures occur early in life and do not simply reflect an acceleration of normal epigenetic aging processes.
Fin development and regeneration are complex biological processes that are highly relevant in teleost fish. They share genetic factors, signaling pathways and cellular properties to coordinate formation of regularly shaped extremities. Especially correct tissue structure defined by extracellular matrix (ECM) formation is essential. Gene expression and protein localization studies demonstrated expression of fndc3a (fibronectin domain containing protein 3a) in both developing and regenerating caudal fins of zebrafish (Danio rerio). We established a hypomorphic fndc3a mutant line (fndc3a\(^{wue1/wue1}\)) via CRISPR/Cas9, exhibiting phenotypic malformations and changed gene expression patterns during early stages of median fin fold development. These developmental effects are mostly temporary, but result in a fraction of adults with permanent tail fin deformations. In addition, caudal fin regeneration in adult fndc3a\(^{wue1/wue1}\) mutants is hampered by interference with actinotrichia formation and epidermal cell organization. Investigation of the ECM implies that loss of epidermal tissue structure is a common cause for both of the observed defects. Our results thereby provide a molecular link between these developmental processes and foreshadow Fndc3a as a novel temporal regulator of epidermal cell properties during extremity development and regeneration in zebrafish.
The transcription factor 12 (tcf12) is a basic Helix-Loop-Helix protein (bHLH) of the E-protein family, proven to play an important role in developmental processes like neurogenesis, mesoderm formation, and cranial vault development. In humans, mutations in TCF12 lead to craniosynostosis, a congenital birth disorder characterized by the premature fusion of one or several of the cranial sutures. Current research has been primarily focused on functional studies of TCF12, hence the cellular expression profile of this gene during embryonic development and early stages of ossification remains poorly understood. Here we present the establishment and detailed analysis of two transgenic tcf12:EGFP fluorescent zebrafish (Danio rerio) reporter lines. Using these transgenic lines, we analyzed the general spatiotemporal expression pattern of tcf12 during different developmental stages and put emphasis on skeletal development and cranial suture patterning. We identified robust tcf12 promoter-driven EGFP expression in the central nervous system (CNS), the heart, the pronephros, and the somites of zebrafish embryos. Additionally, expression was observed inside the muscles and bones of the viscerocranium in juvenile and adult fish. During cranial vault development, the transgenic fish show a high amount of tcf12 expressing cells at the growth fronts of the ossifying frontal and parietal bones and inside the emerging cranial sutures. Subsequently, we tested the transcriptional activity of three evolutionary conserved non-coding elements (CNEs) located in the tcf12 locus by transient transgenic assays and compared their in vivo activity to the expression pattern determined in the transgenic tcf12:EGFP lines. We could validate two of them as tcf12 enhancer elements driving specific gene expression in the CNS during embryogenesis. Our newly established transgenic lines enhance the understanding of tcf12 gene regulation and open up the possibilities for further functional investigation of these novel tcf12 enhancer elements in zebrafish.
Background
The vast majority of cases with Beckwith-Wiedemann syndrome (BWS) are caused by a molecular defect in the imprinted chromosome region 11p15.5. The underlying mechanisms include epimutations, uniparental disomy, copy number variations, and structural rearrangements. In addition, maternal loss-of-function mutations in CDKN1C are found. Despite growing knowledge on BWS pathogenesis, up to 20% of patients with BWS phenotype remain without molecular diagnosis.
Case presentation
Herein, we report an Iranian family with two females affected with BWS in different generations. Bisulfite pyrosequencing revealed hypermethylation of the H19/IGF2: intergenic differentially methylated region (IG DMR), also known as imprinting center 1 (IC1) and hypomethylation of the KCNQ1OT1: transcriptional start site (TSS) DMR (IC2). Array CGH demonstrated an 8 Mb duplication on chromosome 11p15.5p15.4 (205,827-8,150,933) and a 1 Mb deletion on chromosome 9p24.3 (209,020-1,288,114). Chromosome painting revealed that this duplication-deficiency in both patients is due to unbalanced segregation of a paternal reciprocal t(9;11)(p24.3;p15.4) translocation.
Conclusions
This is the first report of a paternally inherited unbalanced translocation between the chromosome 9 and 11 short arms underlying familial BWS. Copy number variations involving the 11p15.5 region are detected by the consensus diagnostic algorithm. However, in complex cases which do not only affect the BWS region itself, characterization of submicroscopic chromosome rearrangements can assist to estimate the recurrence risk and possible phenotypic outcomes.
Background
BRCA1 and, more commonly, BRCA2 mutations are associated with increased risk of male breast cancer (MBC). However, only a paucity of data exists on the pathology of breast cancers (BCs) in men with BRCA1/2 mutations. Using the largest available dataset, we determined whether MBCs arising in BRCA1/2 mutation carriers display specific pathologic features and whether these features differ from those of BRCA1/2 female BCs (FBCs).
Methods
We characterised the pathologic features of 419 BRCA1/2 MBCs and, using logistic regression analysis, contrasted those with data from 9675 BRCA1/2 FBCs and with population-based data from 6351 MBCs in the Surveillance, Epidemiology, and End Results (SEER) database.
Results
Among BRCA2 MBCs, grade significantly decreased with increasing age at diagnosis (P = 0.005). Compared with BRCA2 FBCs, BRCA2 MBCs were of significantly higher stage (P for trend = 2 × 10−5) and higher grade (P for trend = 0.005) and were more likely to be oestrogen receptor–positive [odds ratio (OR) 10.59; 95 % confidence interval (CI) 5.15–21.80] and progesterone receptor–positive (OR 5.04; 95 % CI 3.17–8.04). With the exception of grade, similar patterns of associations emerged when we compared BRCA1 MBCs and FBCs. BRCA2 MBCs also presented with higher grade than MBCs from the SEER database (P for trend = 4 × 10−12).
Conclusions
On the basis of the largest series analysed to date, our results show that BRCA1/2 MBCs display distinct pathologic characteristics compared with BRCA1/2 FBCs, and we identified a specific BRCA2-associated MBC phenotype characterised by a variable suggesting greater biological aggressiveness (i.e., high histologic grade). These findings could lead to the development of gender-specific risk prediction models and guide clinical strategies appropriate for MBC management.
The effect of late parenthood on the offspring´s physical and mental health status has recently become an increasingly important topic of discussion. Studies on neurodevelopmental disorders in children of older parents (Naserbakht et al., 2011) outline the negative consequences of aging fathers as unpredictable compared to the better-understood unfavorable maternal influences (Cedars et al. 2015). This may be due to the fact that lifelong production of male gametes becomes more susceptible to error, not only for somatic mutations. Non-genomic mechanisms such as epigenetic methylation also alter DNA dynamically throughout life (Jones et al., 2015) and influence the aging human sperm DNA (Jenkins et al., 2014). These methylation changes may be transmitted to the next generation via epigenetic inheritance mechanisms (Milekic et al., 2015), which may negatively impact the sensitive epigenetic regulation of cell differentiation in the embryonic period (Curley et al., 2011; Spiers et al., 2015). Accordingly, Nardone et al. (2014) reported several hypomethylated regions in autistic patients, illustrating potential epigenetic influences on the multifactorial pathogenesis of neuropsychiatric disorders. In the present study, the methylation status of five gene regions in the sperm DNA of males of different ages was analyzed by two techniques - pyrosequencing and deep bisulfite sequencing. Two gene regions, FOXK1 and DMPK, showed a highly significant age-related methylation loss and FOXK1 a reduced methylation variation at the level of single alleles. In addition, the examined gene region of FOXK1 showed significant methylation changes in the fetal cord blood DNA of the respective offspring of the sperm donor. This fact suggests a transfer of age-related methylation loss to the next generation. Interestingly, a methylation analysis at the level of single alleles showed that the methylation loss was inherited exclusively by the father. FOXK1 is a transcription factor that plays an important role in the epigenetic regulation of the cell cycle during embryonic neuronal development (Huang et al., 2004; Wijchers et al., 2006). For this reason, the methylation status of FOXK1 in the blood of autistic patients and an age- and sex-matched control group was investigated. While both groups showed age-associated FOXK1 methylation loss, a faster dynamics of methylation change was observed in the autistic group. Although further studies are needed to uncover inheritance mechanisms of epigenetic information, the present results show an evident influence of age-related methylation changes on offspring. When advising future fathers, it is important to consider how the paternal epigenome is altered by aging and can have a negative impact on the developing embryo.
Tinnitus is the perception of a phantom sound that affects between 10 and 15% of the general population. Despite this considerable prevalence, treatments for tinnitus are presently lacking. Tinnitus exhibits a diverse array of recognized risk factors and extreme clinical heterogeneity. Furthermore, it can involve an unknown number of auditory and non-auditory networks and molecular pathways. This complex combination has hampered advancements in the field. The identification of specific genetic factors has been at the forefront of several research investigations in the past decade. Nine studies have examined genes in a case-control association approach. Recently, a genome-wide association study has highlighted several potentially significant pathways that are implicated in tinnitus. Two twin studies have calculated a moderate heritability for tinnitus and disclosed a greater concordance rate in monozygotic twins compared to dizygotic twins. Despite the more recent data alluding to genetic factors in tinnitus, a strong association with any specific genetic locus is lacking and a genetic study with sufficient statistical power has yet to be designed. Future research endeavors must overcome the many inherent limitations in previous study designs. This review summarizes the previously embarked upon tinnitus genetic investigations and summarizes the hurdles that have been encountered. The identification of candidate genes responsible for tinnitus may afford gene based diagnostic approaches, effective therapy development, and personalized therapeutic intervention.
