Institut für Humangenetik
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- Comprehensive Hearing Center, Department of ORL, Plastic, Aesthetic and Reconstructive Head and Neck Surgery, Würzburg, Germany (1)
- DNA Analytics Core Facility, Biocenter, University of Würzburg, Würzburg, Germany (1)
- Department of Animal Ecology and Tropical Biology, University of Würzburg, Würzburg, Germany (1)
- Maastricht University, Maastricht, the Netherlands (1)
Background: Dysferlin is reduced in patients with limb girdle muscular dystrophy type 2B, Miyoshi myopathy, distal anterior compartment myopathy, and in certain Ethnic clusters. Methods: We evaluated clinical and genetic patient data from three different Swiss Neuromuscular Centers.
Results: Thirteen patients from 6 non-related families were included. Age of onset was 18.8 +/- 4.3 years. In all patients, diallelic disease-causing mutations were identified in the DYSF gene. Nine patients from 3 non-related families from Central Switzerland carried the identical homozygous mutation, c.3031 + 2T>C. A possible founder effect was confirmed by haplotype analysis. Three patients from two different families carried the heterozygous mutation, c.1064_1065delAA. Two novel mutations were identified (c.2869C>T (p.Gln957Stop), c.5928G>A (p.Trp1976Stop)).
Conclusions: Our study confirms the phenotypic heterogeneity associated with DYSF mutations. Two mutations (c.3031 + 2T>C, c.1064_1065delAA) appear common in Switzerland. Haplotype analysis performed on one case (c.3031 + 2T>C) suggested a possible founder effect.
Innerhalb des letzten Jahrzehnts entstanden zahlreiche neue Anreicherungs- und Sequenzier-technologien der zweiten (und dritten) Generation, die in rasantem Tempo weiterentwickelt und schon jetzt in vielen Bereichen als neuer Goldstandard für molekulargenetische For-schung und Diagnostik angesehen werden. Als Hochdurchsatz-Verfahren ermöglichen diese Next Generation Sequencing-Methoden (NGS) in immer kürzerer Zeit die parallele Analyse zahlreicher Proben und immer größerer Zielregionen bis hin zum ganzen Genom und führten in der Humangenetik dadurch zu Forschungsansätzen in neuen Dimensionen.
In dieser Doktorarbeit, die im molekulargenetischen Diagnostik-Labor der Humangenetik Würzburg durchgeführt wurde, wurden in fünf Projekten NGS-Ansätze unterschiedlicher Stufen bzw. Größenordnungen für verschiedene erblich bedingte Erkrankungen konzipiert und etabliert und in Forschungsprojekten sowie der Routinediagnostik eingesetzt. Dabei wurden verschiedene Methoden zur Anreicherung der Zielsequenzen und zur NGS-Sequenzierung erprobt und auf ihre Effizienz beurteilt. Die Ergebnisse des NGS und darauf basierender Nachweis-Experimente wurden in sieben Veröffentlichungen dokumentiert, auf denen diese Dissertation aufbaut.
In den drei ersten Projekten wurden das Access Array-System (Fluidigm) zur Anreicherung der Zielsequenzen und der GS Junior (Roche) zur Erzeugung der Sequenzen verwendet.
In Projekt 1 wurde COL4A6 als neues Kandidatengen für nicht-syndromale Hörstörungen identifiziert. Um mögliche weitere Mutationsträger zu detektieren, wurde erfolgreich ein kleiner NGS-Ansatz für das zügige Screening dieses Gens bei knapp 100 weiteren Patienten etabliert. Diese und weitere Ergebnisse bestätigten die Kausalität der COL4A6-Mutation eines Index-Patienten mit schwerer, X-chromosomal-rezessiver Hörstörung.
Ein geeigneter NGS-Ansatz für die Analyse des großen RYR1-Gens wurde in Projekt 2 ge-sucht. Der erste Ansatz mit Access Array-System und GS Junior führte zwar bei 39 von 87 Patienten mit Maligner Hyperthermie und/oder Central Core Disease zu dem Auffinden einer (potentiell) pathogenen Variante, allerdings mit hohen Ausfallquoten. Mit der zweiten Methode (Anreicherung: SureSelect-System custom design, Agilent; Sequenzierung: HiSeq, Illumina) wurden neben RYR1 noch 63 weitere Gene analysiert, was zu deutlich besseren Ergebnissen und vier Mutationsfunden führte.
Projekt 3 beinhaltete die Etablierung zwei kleiner Panels für Muskelkrankheiten. Ein Panel für drei Gene für Gliedergürteldystrophien wurde sogar erfolgreich in die akkreditierte Rou-tinediagnostik übernommen. Mit dem zweiten Panel für acht Kandidatengene myofibrillärer Myopathien (MFM) wurde u.a. eine neue Mutation im BAG3-Gen identifiziert.
Das Exom eines MFM-Patienten wurde in Projekt 4 nach Anreicherung mit dem SureSelect-System (Agilent) auf dem HiSeq (Illumina) sequenziert. Nach Auswertung und Beurteilung der identifizierten Varianten wurde ein neuer Erbgang für Myotilinopathien entdeckt. Verschiedene Nachweisexperimente bestätigten die Kausalität der Mutation im Myotilin-Gen.
In Projekt 5 wurde die komplette genomische Sequenz des F8-Gens nach tiefen intronischen Mutationen bei Hämophilie-Patienten abgesucht (Anreicherung SureSelect custom design, Agilent; Sequenzierung MiSeq, Illumina). Bei jedem der analysierten Patienten konnte min-destens eine verdächtige Variante identifiziert werden, die zu verändertem Spleißverhalten führen könnte. Drei Mutationen waren schon durch Publikationen bekannt, bei einer weite-ren konnten in vitro-Spleißanalysen die Kausalität bestätigen.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die zur Verfügung stehenden Methoden zur An-reicherung von Zielsequenzen aus dem menschlichen Genom und zu deren Sequenzierung je nach Komplexität der Fragestellung, d.h. der Anzahl und Größe der Gene sowie der Anzahl der zu untersuchenden Proben, sinnvoll und effizient kombiniert werden können. Im Verlauf der Arbeit haben sich die NGS-Techniken rasant weiterentwickelt. So sind PCR-basierte Ansätze zur Anreicherung der Zielsequenzen für die meisten Anwendungen von hybridisierungs-basierten Methoden verdrängt worden. Von den ursprünglich drei konkur-rierenden Verfahren zur Hochdurchsatzsequenzierung hat sich die Methode des „sequen-cing-by-synthesis“ (Illumina) weitgehend durchgesetzt. Diese Entwicklung spiegelt sich auch in den während dieser Arbeit erhobenen Daten wider.
Genetic defects in breast cancer (BC) susceptibility genes, most importantly BRCA1 and BRCA2, account for ∼40% of hereditary BC and ovarian cancer (OC). Little is known about the contribution of constitutive (soma-wide) epimutations to the remaining cases. We developed bisulfite pyrosequencing assays to screen >600 affected BRCA1/BRCA2 mutation-negative patients from the German Consortium for Hereditary Breast and Ovarian Cancer for constitutive hypermethylation of ATM, BRCA1, BRCA2, RAD51C, PTEN and TP53 in blood cells. In a second step, patients with ≥6% promoter methylation were analyzed by bisulfite plasmid sequencing to demonstrate the presence of hypermethylated alleles (epimutations), indicative of epigenetic gene silencing. Altogether we identified nine (1.4%) patients with constitutive BRCA1 and three (0.5%) with RAD51C hypermethylation. Epimutations were found in both sporadic cases, in particular in 2 (5.5%) of 37 patients with early-onset BC, and familial cases, in particular 4 (10%) of 39 patients with OC. Hypermethylation was always confined to one of the two parental alleles in a subset (12–40%) of the analyzed cells. Because epimutations occurred in cell types from different embryonal layers, they most likely originated in single cells during early somatic development. We propose that analogous to germline genetic mutations constitutive epimutations may serve as the first hit of tumor development. Because the role of constitutive epimutations in cancer development is likely to be largely underestimated, future strategies for effective testing of susceptibility to BC and OC should include an epimutation screen.
We describe monozygotic twins discordant for childhood leukemia and secondary thyroid carcinoma. We used bisulfite pyrosequencing to compare the constitutive promoter methylation of BRCA1 and several other tumor suppressor genes in primary fibroblasts. The affected twin displayed an increased BRCA1 methylation (12%), compared with her sister (3%). Subsequent bisulfite plasmid sequencing demonstrated that 13% (6 of 47) BRCA1 alleles were fully methylated in the affected twin, whereas her sister displayed only single CpG errors without functional implications. This between-twin methylation difference was also found in irradiated fibroblasts and untreated saliva cells. The BRCA1 epimutation may have originated by an early somatic event in the affected twin: approximately 25% of her body cells derived from different embryonic cell lineages carry one epigenetically inactivated BRCA1 allele. This epimutation was associated with reduced basal protein levels and a higher induction of BRCA1 after DNA damage. In addition, we performed a genome-wide microarray analysis of both sisters and found several copy number variations, i.e., heterozygous deletion and reduced expression of the RSPO3 gene in the affected twin. This monozygotic twin pair represents an impressive example of epigenetic somatic mosaicism, suggesting a role for constitutive epimutations, maybe along with de novo genetic alterations in recurrent tumor development.
Several attributes intuitively considered to be typical mammalian features, such as complex behavior, live birth and malignant disease such as cancer, also appeared several times independently in lower vertebrates. The genetic mechanisms underlying the evolution of these elaborate traits are poorly understood. The platyfish, X. maculatus, offers a unique model to better understand the molecular biology of such traits. We report here the sequencing of the platyfish genome. Integrating genome assembly with extensive genetic maps identified an unexpected evolutionary stability of chromosomes in fish, in contrast to in mammals. Genes associated with viviparity show signatures of positive selection, identifying new putative functional domains and rare cases of parallel evolution. We also find that genes implicated in cognition show an unexpectedly high rate of duplicate gene retention after the teleost genome duplication event, suggesting a hypothesis for the evolution of the behavioral complexity in fish, which exceeds that found in amphibians and reptiles.
The epidemic increase of type 2 diabetes and obesity in developed countries cannot be explained by overnutrition, physical inactivity and/or genetic factors alone. Epidemiologic evidence suggests that an adverse intrauterine environment, in particular a shortage or excess of nutrients is associated with increased risks for many complex diseases later in life. An impressive example for the ‘fetal origins of adult disease’ is gestational diabetes mellitus which usually presents in 1% to >10% of third trimester pregnancies. Intrauterine hyperglycemia is not only associated with increased perinatal morbidity and mortality, but also with increased lifelong risks of the exposed offspring for obesity, metabolic, cardiovascular and malignant diseases. Accumulating evidence suggests that fetal overnutrition (and similarly undernutrition) lead to persistent epigenetic changes in developmentally important genes, influencing neuroendocrine functions, energy homeostasis and metabolism. The concept of fetal programming has important implications for reproductive medicine. Because during early development the epigenome is much more vulnerable to environmental cues than later in life, avoiding adverse environmental factors in the periconceptional and intrauterine period may be much more important for the prevention of adult disease than any (i.e. dietetic) measures in infants and adults. A successful pregnancy should not primarily be defined by the outcome at birth but also by the health status in later life.
Human growth has an estimated heritability of about 80%-90%. Nevertheless, the underlying cause of shortness of stature remains unknown in the majority of individuals. Genome-wide association studies (GWAS) showed that both common single nucleotide polymorphisms and copy number variants (CNVs) contribute to height variation under a polygenic model, although explaining only a small fraction of overall genetic variability in the general population. Under the hypothesis that severe forms of growth retardation might also be caused by major gene effects, we searched for rare CNVs in 200 families, 92 sporadic and 108 familial, with idiopathic short stature compared to 820 control individuals. Although similar in number, patients had overall significantly larger CNVs \((p-value <1 x 10^{-7})\). In a gene-based analysis of all non-polymorphic CNVs >50 kb for gene function, tissue expression, and murine knock-out phenotypes, we identified 10 duplications and 10 deletions ranging in size from 109 kb to 14 Mb, of which 7 were de novo (p < 0.03) and 13 inherited from the likewise affected parent but absent in controls. Patients with these likely disease causing 20 CNVs were smaller than the remaining group (p < 0.01). Eleven (55%) of these CNVs either overlapped with known microaberration syndromes associated with short stature or contained GWAS loci for height. Haploinsufficiency (HI) score and further expression profiling suggested dosage sensitivity of major growth-related genes at these loci. Overall 10% of patients carried a disease-causing CNV indicating that, like in neurodevelopmental disorders, rare CNVs are a frequent cause of severe growth retardation.
BRCA1-associated breast and ovarian cancer risks can be modified by common genetic variants. To identify further cancer risk-modifying loci, we performed a multi-stage GWAS of 11,705 BRCA1 carriers (of whom 5,920 were diagnosed with breast and 1,839 were diagnosed with ovarian cancer), with a further replication in an additional sample of 2,646 BRCA1 carriers. We identified a novel breast cancer risk modifier locus at 1q32 for BRCA1 carriers (rs2290854, P = 2.7 x 10(-8), HR = 1.14, 95% CI: 1.09-1.20). In addition, we identified two novel ovarian cancer risk modifier loci: 17q21.31 (rs17631303, P = 1.4 x 10(-8), HR = 1.27, 95% CI: 1.17-1.38) and 4q32.3 (rs4691139, P = 3.4 x 10(-8), HR = 1.20, 95% CI: 1.17-1.38). The 4q32.3 locus was not associated with ovarian cancer risk in the general population or BRCA2 carriers, suggesting a BRCA1-specific association. The 17q21.31 locus was also associated with ovarian cancer risk in 8,211 BRCA2 carriers (P = 2 x 10(-4)). These loci may lead to an improved understanding of the etiology of breast and ovarian tumors in BRCA1 carriers. Based on the joint distribution of the known BRCA1 breast cancer risk-modifying loci, we estimated that the breast cancer lifetime risks for the 5% of BRCA1 carriers at lowest risk are 28%-50% compared to 81%-100% for the 5% at highest risk. Similarly, based on the known ovarian cancer risk-modifying loci, the 5% of BRCA1 carriers at lowest risk have an estimated lifetime risk of developing ovarian cancer of 28% or lower, whereas the 5% at highest risk will have a risk of 63% or higher. Such differences in risk may have important implications for risk prediction and clinical management for BRCA1 carriers.
Amphiphysin 2, encoded by BIN1, is a key factor for membrane sensing and remodelling in different cell types. Homozygous BIN1 mutations in ubiquitously expressed exons are associated with autosomal recessive centronuclear myopathy (CNM), a mildly progressive muscle disorder typically showing abnormal nuclear centralization on biopsies. In addition, misregulation of BIN1 splicing partially accounts for the muscle defects in myotonic dystrophy (DM). However, the muscle-specific function of amphiphysin 2 and its pathogenicity in both muscle disorders are not well understood. In this study we identified and characterized the first mutation affecting the splicing of the muscle-specific BIN1 exon 11 in a consanguineous family with rapidly progressive and ultimately fatal centronuclear myopathy. In parallel, we discovered a mutation in the same BIN1 exon 11 acceptor splice site as the genetic cause of the canine Inherited Myopathy of Great Danes (IMGD). Analysis of RNA from patient muscle demonstrated complete skipping of exon 11 and BIN1 constructs without exon 11 were unable to promote membrane tubulation in differentiated myotubes. Comparative immunofluorescence and ultrastructural analyses of patient and canine biopsies revealed common structural defects, emphasizing the importance of amphiphysin 2 in membrane remodelling and maintenance of the skeletal muscle triad. Our data demonstrate that the alteration of the muscle-specific function of amphiphysin 2 is a common pathomechanism for centronuclear myopathy, myotonic dystrophy, and IMGD. The IMGD dog is the first faithful model for human BIN1-related CNM and represents a mammalian model available for preclinical trials of potential therapies.
Treatment of dysferlinopathy with deflazacort: a double-blind, placebo-controlled clinical trial
(2013)
Background: Dysferlinopathies are autosomal recessive disorders caused by mutations in the dysferlin (DYSF) gene encoding the dysferlin protein. DYSF mutations lead to a wide range of muscular phenotypes, with the most prominent being Miyoshi myopathy (MM) and limb girdle muscular dystrophy type 2B (LGMD2B).
Methods: We assessed the one-year-natural course of dysferlinopathy, and the safety and efficacy of deflazacort treatment in a double-blind, placebo-controlled cross-over trial. After one year of natural course without intervention, 25 patients with genetically defined dysferlinopathy were randomized to receive deflazacort and placebo for six months each (1 mg/kg/day in month one, 1 mg/kg every 2nd day during months two to six) in one of two treatment sequences. Results: During one year of natural course, muscle strength declined about 2% as measured by CIDD (Clinical Investigation of Duchenne Dystrophy) score, and 76 Newton as measured by hand-held dynamometry. Deflazacort did not improve muscle strength. In contrast, there is a trend of worsening muscle strength under deflazacort treatment, which recovers after discontinuation of the study drug. During deflazacort treatment, patients showed a broad spectrum of steroid side effects.
Conclusion: Deflazacort is not an effective therapy for dysferlinopathies, and off-label use is not warranted. This is an important finding, since steroid treatment should not be administered in patients with dysferlinopathy, who may be often misdiagnosed as polymyositis.
Background: Autosomal recessive primary microcephaly (MCPH) is a rare neurodevelopmental disease with severe microcephaly at birth due to a pronounced reduction in brain volume and intellectual disability. Biallelic mutations in the WD repeat-containing protein 62 gene WDR62 are the genetic cause of MCPH2. However, the exact underlying pathomechanism of MCPH2 remains to be clarified.
Methods/results: We characterized the clinical, radiological, and cellular features that add to the human MCPH2 phenotype. Exome sequencing followed by Sanger sequencing in a German family with two affected daughters with primary microcephaly revealed in the index patient the compound heterozygous mutations c. 1313G>A (p.R438H) / c.2864-2867delACAG (p.D955Afs*112) of WDR62, the second of which is novel. Radiological examination displayed small frontal lobes, corpus callosum hypoplasia, simplified hippocampal gyration, and cerebellar hypoplasia. We investigated the cellular phenotype in patient-derived lymphoblastoid cells and compared it with that of healthy female controls. WDR62 expression in the patient's immortalized lymphocytes was deranged, and mitotic spindle defects as well as abnormal centrosomal protein localization were apparent.
Conclusion: We propose that a disruption of centrosome integrity and/or spindle organization may play an important role in the development of microcephaly in MCPH2.
Zur Wahrung der Genomstabilität entwickelten sich verschiedene Reparaturmechanismen, deren Defekte zu diversen Erkrankungen führen. Der 1927 erstmals beschriebenen Fanconi Anämie (FA) (Fanconi 1927) liegt eine fehlerhafte Reparatur der DNA-Doppelstrang-Quervernetzung zugrunde. Als Ursache wurden Defekte innerhalb des FA/BRCA-Weges lokalisiert, welche zur Chromosomeninstabilität führen. Das Krankheitsbild der autosomal rezessiven oder X-chromosomalen Erkrankung wird meist von kongenitalen Fehlbildungen, progressivem Knochenmarkversagen sowie bereits im jugendlichen Alter erhöhten Tumor-raten und Anämien geprägt. Bisher wurden Defekte in 19 verschiedenen Genen als ursächlich für diese Erkrankung diskutiert. Anhand des betroffenen Gens können nur begrenzt Rückschlüsse auf die Ausprä-gung des Phänotyps geschlossen werden, vielmehr scheinen die Art der Mutation und deren Position im Gen mit der Schwere der Erkrankung zu korrelieren. Im Laufe der Zeit wurden immer mehr Patienten mit mild ausgeprägtem Erkrankungsbild beobachtet. Eine mögliche Erklärung hierfür liefern milde Mutationen, eine weitere das Vorhandensein von Mosaiken blutbildender Zellen. Zu letzterem führt die Reversion einer der beiden Mutationen. Diese Art der „natürlichen Gentherapie“ wurde bei 10-30% der FA-Patienten beobachtet. Um die Entwicklung von Reversionen besser zu verstehen, erfolgte im Rahmen dieser Arbeit die Untersuchung verschiedener Zelllinien von 5 Patienten im Alter von 11 (Pat. 5) bis 33 (Pat. 4) Jahren. Die FA-A-Patienten 1 und 2 wurden bereits von Gross et al. 2002 als Mosaikpatienten beschrieben. Für die weiteren Patienten führten unterschiedliche Aspekte, wie normale Blutwerte, MMC-tolerante lympho-blastoide Zelllinien und gDNA-Analysen des Blutes zum Mosaikverdacht. Nähere Analysen bestätigten für die FA-D2-Patienten (Pat. 4, 5) ebenfalls das Vorliegen einer Reversion in den Blutzellen. Allen Patienten gemein war die Reversion in Form einer Rückmutation (Pat. 1: c.971T>G, Pat. 2: c.856 C>T, Pat. 4: c.3467-2A>G, Pat. 5: c.3707G>A), welche meist in einem oder in der Nähe eines Mutationsmotives vorlag. Zur Einschätzung des Mosaikstatus in den Patientenblutzellen wurden, neben der meist mehrjährigen Be-obachtung der Blutwerte (Thrombo-, Mono-, Granulo-, Lymphozyten, Hämoglobin), gDNA-, Chromoso-menbruch- und Zellzyklusanalysen durchgeführt. Chromosomenbruchanalysen von Metaphasen der T-Lymphozyten der Patienten 4 und 5 zeigten nach MMC-Behandlung die mosaik-typische bimodale Vertei-lung der Chromosomenbruchraten. Die nur moderat erhöhten Bruchraten in Metaphasen des Patienten 1 sprachen für eine starke Reversion. Zur besseren Abschätzung des Mosaikstatus wurden Zellzyklusanaly-sen an Mischungsreihen aus FA- und nicht FA- Blut durchgeführt. Die Detektionsgrenze für FA-Mosaike lag bei einem Anteil von 30% Zellen mit spontanem/MMC-induziertem G2-Phasen-Arrest. In Anlehnung an Mischungskurven wurden für die vier Patienten Reversionen von 0% (Pat. 4) bis 90-95% (Pat. 2) ange-nommen. Die gDNA-Analyse MACS-sortierter T-/B-Lympho-, Mono- und Granulozyten sowie von Fib-roblasten und lymphoblastoiden Zelllinien ermöglichte einen detaillierten Einblick in die Mosaikstatus auf molekularer Ebene. Wir fanden bei allen Patienten einen unterschiedlich stark ausgeprägten Mosaikstatus ihrer Blutzellreihen. Tendenziell scheinen die Reversionsgrade mit der Zell-Lebensdauer korrelieren, hier-bei zeigen kurzlebige Zellen (Mono-, Granulo-, B-Lymphozyten) höhere Reversionsgrade als langlebige T-Lymphozyten. Das Auftreten von gleichen Reversionen in allen Zelllinien lässt eine Reversion in einer gemeinsamen Vorläuferzelle vermuten. Als Besonderheit fanden wir, unseren Erachtens erstmalig, eine komplette Reversion einer Knochenmark-Fibroblastenzelllinie (Pat. 1). Häufig in Kultur stattfindende Re-versionen in lymphoblastoiden Zelllinien beobachteten wir für alle vier Patienten. Die Mosaikentstehung im Patientenblut konnte mit allen Methoden bestätigt werden. Jede Methode wies Vor- und Nachteile auf. Zur Abschätzung der Mosaikstatus empfiehlt sich deshalb eine Kombination der Methoden.
Ein weiteres Projekt beschäftigte sich mit Interaktionen des FANCO (RAD51C) innerhalb der RAD51 Paraloge (RAD51B, -C, -D, XRCC2, XRCC3) und mit RAD51. Die Analysen erfolgten im Mammalian Two- und Three-Hybrid (M2H/M3H) System. Die Untersuchungen bestätigten die meisten der bisher detektierten Interaktionen, welche zur Ausbildung des RAD51C-XRCC3 Komplexes und des, aus den Subkomplexen RAD51B-RAD51C (BC) und RAD51D-XRCC2 (DX2) bestehenden, BCDX2-Komplex führen. Die M3H-Analysen weisen auf eine wichtige Rolle des RAD51B-Proteins bei der Ausprägung dieses Komplexes hin. Es scheint die Ausbildung der RAD51C-RAD51D-Interaktion erst zu ermöglichen und zusätzlich, anders als bisher beobachtet, auch mit XRCC2 zu interagieren. Diese Interaktion wiederum wird durch die Anwesenheit von RAD51D stark gefördert. Unsere M2H-/M3H-Beobachtungen weisen darauf hin, dass die Ausbildung der Subkomplexe für die Entstehung des BDCX2-Komplexes wichtig ist und dieser vermutlich als Ringstruktur vorliegt. Zusätzlich fanden wir Hinweise auf mögliche Wechselwir-kungen zwischen den BCDX2- und den XRCC3-Komplexproteinen. Aufgrund der Beteiligung der Protei-ne an der Doppelstrangläsionsreparatur wurde die Auswirkung von MMC-induzierten DNA-Schäden un-tersucht. Diese führten innerhalb der Subkomplexe zu gegensätzlichen Änderungen der Interaktionsinten-sität. Während die Substanz im DX2-Komplex zum Sinken der Interaktionsstärke führte, erhöhte sich diese im BC-Komplex. Die in der Literatur beschriebene und charakterisierte RAD51C-FANCN-Interation war im M2H-Test nicht darstellbar. Möglicherweise würde diese jedoch durch die Anwesenheit eines drit-ten Proteins gefördert werden. Zusätzlich wurde ein RAD51C-Protein, welches die Patientenmutation R258H enthielt, überprüft. Es zeigte nur in der M3H-Analyse, mit pMRAD51D und nativem RAD51B, nach Behandlung mit MMC eine reduzierte Interaktionsstärke im Vergleich zum Wildtyp. Dies unter-streicht einmal mehr die als hypomorph beschriebene Mutation des Proteins.
Das dritte Projekt, die angestrebte Strukturaufklärung des RAD51C-Proteins erwies sich als schwierig. Eine für eine Kristallisation ausreichende Proteinmenge konnte, weder im E. coli-System noch in Insektenzellen oder in Co-Expression mit seinem Interaktionspartner XRCC3, isoliert und aufgereinigt werden. Elektro-phoretische Mobility Shift Assays des CX3-Proteinkomplexes mit DNA-Strukturen (ssDNA, Open Fork, 3‘-/ 5‘-Überhang-Struktur), zeigten eine Bevorzugung des 3‘-Überhang-DNA-Substrates. Diese Art der Analyse könnte in weiterführenden Analysen zur Abschätzung der Auswirkung von Patientenmutationen herangezogen werden. bb
Background: We report on a patient with genetically confirmed overlapping diagnoses of CMT1A and FSHD. This case adds to the increasing number of unique patients presenting with atypical phenotypes, particularly in FSHD. Even if a mutation in one disease gene has been found, further genetic testing might be warranted in cases with unusual clinical presentation.
Case presentation: The reported 53 years old male patient suffered from walking difficulties and foot deformities first noticed at age 20. Later on, he developed scapuloperoneal and truncal muscle weakness, along with atrophy of the intrinsic hand and foot muscles, pes cavus, claw toes and a distal symmetric hypoesthesia. Motor nerve conduction velocities were reduced to 20 m/s in the upper extremities, and not educible in the lower extremities, sensory nerve conduction velocities were not attainable. Electromyography showed both, myopathic and neurogenic changes. A muscle biopsy taken from the tibialis anterior muscle showed a mild myopathy with some neurogenic findings and hypertrophic type 1 fibers. Whole-body muscle MRI revealed severe changes in the lower leg muscles, tibialis anterior and gastrocnemius muscles were highly replaced by fatty tissue. Additionally, fatty degeneration of shoulder girdle and straight back muscles, and atrophy of dorsal upper leg muscles were seen. Taken together, the presenting features suggested both, a neuropathy and a myopathy. Patient's family history suggested an autosomal dominant inheritance. Molecular testing revealed both, a hereditary motor and sensory neuropathy type 1A (HMSN1A, also called Charcot-Marie-Tooth neuropathy 1A, CMT1A) due to a PMP22 gene duplication and facioscapulohumeral muscular dystrophy (FSHD) due to a partial deletion of the D4Z4 locus (19 kb).
Conclusion: Molecular testing in hereditary neuromuscular disorders has led to the identification of an increasing number of atypical phenotypes. Nevertheless, finding the right diagnosis is crucial for the patient in order to obtain adequate medical care and appropriate genetic counseling, especially in the background of arising curative therapies.
Distinct functional roles for the two SLX4 ubiquitin-binding UBZ domains mutated in Fanconi anemia
(2014)
Defects in SLX4, a scaffold for DNA repair nucleases, cause Fanconi anemia due to defective repair of inter-strand DNA crosslinks (ICLs). Some FA patients have an SLX4 deletion removing two tandem UBZ4-type ubiquitin-binding domains, implicated in protein recruitment to sites of DNA damage. Here we show that human SLX4 is recruited to sites of ICL induction but the UBZ-deleted form of SLX4 in cells from FA patients is not. SLX4 recruitment does not require ubiquitination of FANCD2, or the E3 ligases RNF8, RAD18 and BRCA1. We show that the first (UBZ-1), but not the second UBZ domain of SLX4 binds to ubiquitin polymers with a preference for K63-linked chains. Furthermore, UBZ-1 is required for SLX4 recruitment to ICL sites, and for efficient ICL repair in murine fibroblasts. SLX4 UBZ-2 domain does not bind ubiquitin in vitro or contribute to ICL repair, but it is required for resolution of Holliday junctions in vivo. These data shed light on SLX4 recruitment, and suggest that there remain to be identified ubiquitinated ligands and E3 ligases critical for ICL repair.
Objective:
To determine the survival in a population of German patients with Duchenne muscular dystrophy.
Patients and methods:
Information about 94 patients born between 1970 and 1980 was obtained by telephone interviews and questionnaires. In addition to age of death or actual age during the investigation, data concerning clinical course and medical interventions were collected.
Results:
67 patients with molecularly confirmed diagnoses had a median survival of 24.0 years. Patients without molecular confirmation (clinical diagnosis only) had a chance of 67 % to reach that age. Grouping of our patient cohort according to the year of death (before and after 2000), ventilation was recognized as main intervention affecting survival with ventilated reaching a median survival of 27.0 years. For those without ventilation it was 19.0 years.
Conclusion and clinical relevance:
our study provides survival data for a cohort of DMD patients in Germany stratified by year of death. Median survival was 24.0 years in patients confirmed by molecular testing. Ventilated patients had a median survival of 27 years. We consider this piece of information helpful in the medical care of DMD patients.
Introduction
Miyoshi myopathy, a type of distal myopathy with predominant involvement of the posterior calf muscles, has been assigned to mutations in the dysferlin gene. However, many of the late-onset limb-girdle and distal myopathies that resemble dysferlinopathy or Miyoshi myopathy remain unclassified, even after extensive immunohistological and genetic analysis.
Case presentation
We report the case of a 59-year-old Caucasian man with distal myopathy and exercise-induced myalgia, preferentially of the leg muscles, closely resembling the Miyoshi phenotype. Magnetic resonance imaging of his calf muscles showed typical fatty replacement of the medial heads of the gastrocnemius muscles and soleus muscles, with progression to the adductor longus muscles over a time course of two years. However, genetic analysis revealed that the phenotype of our patient was not related to a mutation in the dysferlin gene but to a novel homozygous splice mutation in the anoctamin 5 gene. Mutations in the anoctamin 5 gene have so far been identified only in some cases of limb-girdle and distal myopathy. Mutations in the anoctamin 5 gene have been assigned to limb-girdle muscular dystrophy type 2L, while distal Miyoshi-like phenotypes have been classified as Miyoshi myopathy type 3.
Conclusion
The case presented in this report further strengthens the underlying genetic heterogeneity in Miyoshi myopathy-like phenotypes and adds another family to non-dysferlin, Miyoshi myopathy type 3 of late-onset. Furthermore, our case supports the recent observation that anoctamin 5 mutations are a primary cause of distal non-dysferlin myopathies. Therefore, given the increasing number of anoctamin 5 mutations in Miyoshi-like phenotypes, genetic analysis should include an anoctamin 5 screen in late-onset limb-girdle and distal myopathies.
Die klinische Symptomatik verschiedener erblicher Muskelerkrankungen verläuft oft erstaunlich ähnlich mit Muskelschwäche und -schwund als den hervorstechenden Alltagsproblemen. Dem gegenüber sind die genetischen Grundlagen sehr vielfältig mit > 250 bisher identifizierten Genen (musclegenetable.org). Auch innerhalb eines definierten Krankheitsbildes werden verschiedene genetische Ursachen nebeneinander gefunden, was durch die Verknüpfung in einem gemeinsamen Pathomechanismus begründet sein kann. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit verschiedenen Aspekten dieser genetischen Heterogenität am Beispiel der beiden häufigen Muskelerkrankungen Myotone Dystrophie (DM) und Facioscapulohumerale Muskeldystrophie (FSHD), bei denen alternative genetische Ursachen, sowie anknüpfende Fragestellungen untersucht wurden.
Das erste Projekt dieser Arbeit beschäftigt sich mit Fragestellungen, welche die DM betreffen. Die DM Typ 1 und Typ 2 (DM1 und DM2) bilden zusammen die häufigste Muskelerkrankung im Erwachsenenalter. Sie ist durch die gemeinsamen Symptome Myotonie, Muskelschwäche und Katarakt sowie die Beteiligung weiterer Organsysteme gekennzeichnet, was sie zu einer multisystemischen Erkrankung macht. Die genetische Ursache liegt für beide Formen in einer Repeatexpansion eines Mikrosatelliten in der untranslatierten Region zweier Gene (DMPK in DM1, CNBP in DM2). Dem gemeinsamen Pathomechanismus liegt eine toxische Funktionsgewinn-Mutation des expandierten RNA-Transkripts zugrunde.
Die beiden bekannten Formen der DM sind phänotypisch häufig nicht unterscheidbar, weshalb in vielen Fällen beide Erkrankungen molekulargenetisch untersucht werden müssen. Dabei ist die Diagnostik der DM durch die Notwendigkeit des Nachweises von sehr großen Repeatexpansionen recht aufwändig und die Bestimmung der Repeatlänge im Fall der DM2 nur eingeschränkt möglich. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Test zum Nachweis der Repeatexpansionen auf der Basis der Methode des Molecular Combing entwickelt, welche den gleichzeitigen Nachweis der beiden Loci von DM1 und DM2 erlaubt und zusätzlich eine direkte Messung der Repeatlänge ermöglicht. Das Molecular Combing ist eine fluoreszenz-mikroskopische Einzelmolekül-Analysemethode, durch die es erstmals möglich wurde, die vermutete somatische Instabilität bei DM2 darzustellen.
Das zweite DM-Teilprojekt beschäftigt sich mit der Identifikation möglicher alternativer genetischer Ursachen für die Erkrankung. Dies wurde anhand einer Kohorte von 138 DM1- und DM2-negativen Indexpatienten mit dem typischen DM-Phänotyp untersucht. Ausgehend von dem gemeinsamen Pathomechanismus wurden die primären Krankheitsgene DMPK und CNBP, sowie CELF1 und MBNL1, welche wichtige Rollen auf sekundärer Ebene des Pathomechanismus spielen, mittels Next Generation Sequencing untersucht. Dabei wurde eine auffällige Variante in DMPK gefunden, keine Varianten in CNBP oder CELF1 und drei Varianten in MBNL1, was auf MBNL1 als Kandidatengen einer alternativen Ursache für DM hinweist. MBNL1 ist ein gewebespezifischer Spleißregulator, welcher einen Wechsel von einem fetalen zu einem adulten Spleißmuster im Muskel steuert. Die Pathogenität einer der Varianten wurde in einem RNA-Spleißassay mit MBNL1-Targetgenen untersucht. Dabei konnten keine spezifischen Spleiß-Effekte festgestellt werden, aber eine Verminderung des Expressionsniveaus im Sinne einer Haploinsuffizienz. Die 3D-Modellierung dieser Variante deutet auf Änderungen der Oberflächenladungen in MBNL1 hin. Der Nachweis der Pathogenität der Varianten und somit die Ursächlichkeit von MBNL1-Mutationen für DM konnte hiermit nicht abschließend geklärt werden. Die gefundenen Ergebnisse regen jedoch hoffentlich zu nachfolgenden Studien an.
Das zweite Projekt dieser Arbeit beschäftigt sich mit Fragestellungen um die FSHD. Diese bildet die dritthäufigste Muskelerkrankung, charakterisiert durch eine oft asymmetrische Schwäche der Muskulatur von Gesicht, Schultergürtel und Oberarmen. Genetisch ist die FSHD Typ 1 (FSHD1) mit einer Kontraktion des Makrosatelliten D4Z4 verknüpft, was eine Relaxation der Chromatinstruktur der Region mit sich bringt und damit die ektopische Expression des apoptotisch wirkenden Proteins DUX4 ermöglicht. Die pathogene Ausprägung dieser Funktionsgewinn-Mutation findet dabei nur in Verbindung mit einem FSHD-permissiven Haplotyp statt.
Auf der Grundlage des gleichen Pathomechanismus wurde eine zweite Form der FSHD (FSHD2) vorgestellt, bei der die Chromatinrelaxation unabhängig von der Länge von D4Z4 durch einen Defekt in dem an der DNA-Methylierung beteiligten Gen SMCHD1 assoziiert sein soll. Die Vererbung von FSHD2 verläuft digenisch mit Mutationen in SMCHD1 und dem FSHD-permissiven Haplotyp auf zwei unabhängigen Loci. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Kohorte von 55 FSHD1-negativen Patienten mit dem typischen FSHD-Phänotyp untersucht. Dabei wurden der Haplotyp, die Methylierung von D4Z4 sowie das SMCHD1-Gen analysiert. Es konnten neun Patienten mit einem Defekt in SMCHD1 identifiziert werden. In einer zweiten Kohorte von 45 FSHD1-positiven Patienten wurde untersucht, ob SMCHD1-Mutationen auch in Kombination mit einer Kontraktion von D4Z4 vorkommen. Dieser Fall von FSHD1+2 konnte für drei Patienten gezeigt werden, welche außerdem einen auffällig schweren Phänotyp zeigten. SMCHD1 kann also als Modifier-Gen für die Schwere der Erkrankung bei FSHD1 angesehen werden. Damit wurden insgesamt zwölf SMCHD1-Mutationsträger identifiziert, davon sind zehn der Varianten noch nicht beschrieben worden. Für alle erkrankten Mutationsträger konnte eine Methylierung von D4Z4 ≤ 20 % ermittelt werden, was als diagnostisches Kriterium verwendet werden kann. Mit einem Anteil von 16,3 % Mutationsträger in der FSHD1-negetiven Kohorte bildet FSHD2 einen bedeutenden Anteil an dem Krankheitsbild der FSHD, weshalb die entwickelten Analysen in die Routinediagnostik eingegliedert wurden.
Das zweite Teilprojekt der FSHD beschäftigt sich mit der Funktion des SMCHD1-Gens bei der X-Inaktivierung (XI). Es ist bekannt, dass SMCHD1 bei weiblichen Mäusen an der Aufrechterhaltung der XI mitwirkt. Die Untersuchung der XI bei FSHD2-Frauen ergab eine extreme Verschiebung der erwarteten XI von 50:50 auf 0:100 oder 100:0 bei sechs von 13 Patientinnen. Die übrigen sieben zeigten eine XI im Normalbereich von > 20:80 oder < 80:20. Der Befund der einseitigen Verschiebung könnte auf einen negativen Selektionsdruck gegenüber Zellen mit unvollständiger XI hindeuten. Es wäre interessant zu untersuchen, ob sich der gleiche Effekt auch in einer größeren Kohorte wiederfindet und ob er sich mit der Art der Mutation korrelieren lässt.
Prenatal stress-induced programming of genome-wide promoter DNA methylation in 5-HTT-deficient mice
(2014)
The serotonin transporter gene (5-HTT/SLC6A4)-linked polymorphic region has been suggested to have a modulatory role in mediating effects of early-life stress exposure on psychopathology rendering carriers of the low-expression short (s)-variant more vulnerable to environmental adversity in later life. The underlying molecular mechanisms of this gene-by-environment interaction are not well understood, but epigenetic regulation including differential DNA methylation has been postulated to have a critical role. Recently, we used a maternal restraint stress paradigm of prenatal stress (PS) in 5-HTT-deficient mice and showed that the effects on behavior and gene expression were particularly marked in the hippocampus of female 5-Htt+/- offspring. Here, we examined to which extent these effects are mediated by differential methylation of DNA. For this purpose, we performed a genome-wide hippocampal DNA methylation screening using methylated-DNA immunoprecipitation (MeDIP) on Affymetrix GeneChip Mouse Promoter 1.0 R arrays. Using hippocampal DNA from the same mice as assessed before enabled us to correlate gene-specific DNA methylation, mRNA expression and behavior. We found that 5-Htt genotype, PS and their interaction differentially affected the DNA methylation signature of numerous genes, a subset of which showed overlap with the expression profiles of the corresponding transcripts. For example, a differentially methylated region in the gene encoding myelin basic protein (Mbp) was associated with its expression in a 5-Htt-, PS- and 5-Htt × PS-dependent manner. Subsequent fine-mapping of this Mbp locus linked the methylation status of two specific CpG sites to Mbp expression and anxiety-related behavior. In conclusion, hippocampal DNA methylation patterns and expression profiles of female prenatally stressed 5-Htt+/- mice suggest that distinct molecular mechanisms, some of which are promoter methylation-dependent, contribute to the behavioral effects of the 5-Htt genotype, PS exposure and their interaction.
The ERCC4 protein forms a structure-specific endonuclease involved in the DNA damage response. Different cancer syndromes such as a subtype of Xeroderma pigmentosum, XPF, and recently a subtype of Fanconi Anemia, FA-Q, have been attributed to biallelic ERCC4 gene mutations. To investigate whether monoallelic ERCC4 gene defects play some role in the inherited component of breast cancer susceptibility, we sequenced the whole ERCC4 coding region and flanking untranslated portions in a series of 101 Byelorussian and German breast cancer patients selected for familial disease (set 1, n = 63) or for the presence of the rs1800067 risk haplotype (set 2, n = 38). This study confirmed six known and one novel exonic variants, including four missense substitutions but no truncating mutation. Missense substitution p.R415Q (rs1800067), a previously postulated breast cancer susceptibility allele, was subsequently screened for in a total of 3,698 breast cancer cases and 2,868 controls from Germany, Belarus or Russia. The Gln415 allele appeared protective against breast cancer in the German series, with the strongest effect for ductal histology (OR 0.67; 95%CI 0.49; 0.92; p = 0.003), but this association was not confirmed in the other two series, with the combined analysis yielding an overall Mantel-Haenszel OR of 0.94 (95% CI 0.81; 1.08). There was no significant effect of p.R415Q on breast cancer survival in the German patient series. The other three detected ERCC4 missense mutations included two known rare variants as well as a novel substitution, p.E17V, that we identified on a p.R415Q haplotype background. The p.E17V mutation is predicted to be probably damaging but was present in just one heterozygous patient. We conclude that the contribution of ERCC4/FANCQ coding mutations to hereditary breast cancer in Central and Eastern Europe is likely to be small.
Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs) in genes involved in the DNA Base Excision Repair (BER) pathway could be associated with cancer risk in carriers of mutations in the high-penetrance susceptibility genes BRCA1 and BRCA2, given the relation of synthetic lethality that exists between one of the components of the BER pathway, PARP1 (poly ADP ribose polymerase), and both BRCA1 and BRCA2. In the present study, we have performed a comprehensive analysis of 18 genes involved in BER using a tagging SNP approach in a large series of BRCA1 and BRCA2 mutation carriers. 144 SNPs were analyzed in a two stage study involving 23,463 carriers from the CIMBA consortium (the Consortium of Investigators of Modifiers of BRCA1 and BRCA2). Eleven SNPs showed evidence of association with breast and/or ovarian cancer at p<0.05 in the combined analysis. Four of the five genes for which strongest evidence of association was observed were DNA glycosylases. The strongest evidence was for rs1466785 in the NEIL2 (endonuclease VIII-like 2) gene (HR: 1.09, 95% CI (1.03-1.16), p = 2.7x10(-3)) for association with breast cancer risk in BRCA2 mutation carriers, and rs2304277 in the OGG1 (8-guanine DNA glycosylase) gene, with ovarian cancer risk in BRCA1 mutation carriers (HR: 1.12 95% CI: 1.03-1.21, p = 4.8x10(-3)). DNA glycosylases involved in the first steps of the BER pathway may be associated with cancer risk in BRCA1/2 mutation carriers and should be more comprehensively studied.