Identificació de nous gens responsables de la síndrome d’Angelman-like

Abstract

La síndrome d’Angelman (SA) és un trastorn neurogenètic caracteritzat per discapacitat intel·lectual greu amb absència de parla, característiques craniofacials dismòrfiques distintives, problemes neurològics com l’atàxia i/o tremolor en les extremitats i epilèpsia amb un patró específic d’electroencefalograma (EEG). El fenotip conductual es caracteritza per una aparença feliç, hiperactivitat, dèficit d’atenció i problemes de la son. La seva prevalença és d’aproximadament 1/15.000 naixements. La causa de la SA és la pèrdua d’expressió en neurones de la proteïna ubiquitina lligasa E6-AP codificada per l’al·lel matern del gen UBE3A, que es troba en la regió cromosòmica 15q11-q13. En el 10% dels individus que presenten el fenotip característic de la SA es desconeix la causa a nivell molecular i es classifiquen com a SA-like. En alguns casos, aquests pacients presenten síndromes amb fenotips que es solapen amb la SA, produïts per variants en gens amb funcions similars o solapants amb UBE3A o canvis en número de còpies (CNVs). Es creu que hi ha nous gens responsables de la SA que encara no han estat identificats.

En els últims anys, l’anàlisi de l’exoma gràcies a la utilització de les noves tècniques de seqüenciació massiva (NGS) ha permès de forma exitosa identificar nous gens causants de malalties amb una herència mendeliana. L’objectiu principal d’aquesta tesi doctoral ha estat la identificació de nous gens responsables del fenotip SA-like a través de la seqüenciació de l’exoma complet (WES). En una cohort de 17 pacients amb fenotip SA i en els que s’ha descartat les causes genètiques de la SA, l’aplicació de WES en trios pacient-progenitors ha permès la identificació de 11 variants de novo i una variant lligada al cromosoma X patogèniques/probablement patogèniques en 11 gens implicats en trastorns del neurodesenvolupament (KIF1A, VAMP2, SYNGAP1, SATB2, ASXL3, KCNQ3, TBL1XR1, SMARCE1, SPTAN1, SLC6A1 i LAS1L). La taxa diagnòstica de la nostra cohort ha estat del 70,5% (12/17). A més, s’han identificat dues variants deletèries de novo en dos nous gens candidats (HSF2 i CHMP7) a la SA-like, que no han estat associades prèviament a malaltia. Els gens identificats en la nostra cohort no interaccionen directament amb el gen UBE3A, però si intervenen en les mateixes vies moleculars (sinapsi, remodelació de la cromatina i regulació de la transcripció). Els resultats mostren que existeix una gran heterogeneïtat genètica en els pacients SA-like, només dos dels pacients presenten variants en el mateix gen (TBL1XR1). En tots els casos, les característiques clíniques associades als gens identificats es solapen amb les de la SA.

En la nostra cohort, el 50% de les variants identificades són missense, essent difícil de predir l’impacte d’aquest tipus de variants sobre la funció de la proteïna. Malgrat que els programes de predicció in silico poden ajudar a classificar aquestes variants, es necessiten portar a terme estudis funcionals que demostrin la seva patogenicitat. En aquest projecte, s’ha realitzat l’anàlisi funcional de la variant missense p.Arg169Thr en el gen KIF1A, demostrant que afecta a l’activitat ATPasa del domini motor probablement per un defecte en la unió dels microtúbuls, afectant de manera indirecta a la motilitat de la proteïna i al transport de vesícules.

En conjunt, els resultats obtinguts en aquesta tesi mostren que el 70,5% dels pacients SA-like presenten variants en altres gens que no són UBE3A. A més, s’ha demostrat que el WES és una eina útil pel diagnòstic de pacients amb un fenotip SA-like. Es proposa que el WES s’inclogui en l’algoritme diagnòstic de la SA, fet que permetrà augmentar la taxa de diagnòstic, permetent un millor seguiment dels pacients, realitzar un correcte assessorament genètic a la família i identificar noves dianes terapèutiques.

El síndrome de Angelman (SA) es un trastorno neurogenético caracterizado por discapacidad intelectual grave con ausencia de lenguaje, características craneofaciales dismórficas distintivas, problemas neurológicos como la ataxia y/o el temblor en las extremidades y epilepsia con un patrón específico en electroencefalograma (EEG). El fenotipo conductual se caracteriza por una apariencia feliz, hiperactividad, déficit de atención y problemas del sueño. La prevalencia es de aproximadamente 1/15.000 nacimientos. La causa del SA es la perdida de expresión en neuronas de la proteína ubiquitina ligasa E6-AP codificada por el alelo materno del gen UBE3A, que se encuentra en la región cromosómica 15q11-q13. En el 10% de los individuos que presentan el fenotipo característico del SA se desconoce la causa a nivel molecular y se clasifican como SA-like. En algunos casos, estos pacientes presentan síndromes cuyos fenotipos se solapan con el SA, producidos por variantes en genes que desempeñan funciones similares o solapantes con las de UBE3A o bien por cambios en número de copias (CNVs). Se cree que hay nuevos genes responsables del SA que todavía no han sido identificados. En los últimos años, el análisis del exoma gracias a la utilización de las nuevas técnicas de secuenciación masiva (NGS), ha permitido de forma exitosa identificar nuevos genes causantes de enfermedades con una herencia mendeliana. El objetivo principal de esta tesis doctoral ha sido identificar nuevos genes responsables del fenotipo SA-like a través de la secuenciación del exoma completo (WES). En una cohorte de 17 pacientes con fenotipo SA y en los que se han descartado las causas genéticas de la SA, la aplicación de WES en tríos paciente-progenitores ha permitido la identificación de 11 variantes de novo y una variante ligada al cromosoma X patogénicas/probablemente patogénicas en 11 genes implicados en trastornos del neurodesarrollo (KIF1A, VAMP2, SYNGAP1, SATB2, ASXL3, KCNQ3, TBL1XR1, SMARCE1, SPTAN1, SLC6A1 y LAS1L). La tasa diagnostica en nuestra cohorte ha sido del 70,5% (12/17). Además, se han identificado dos variantes deletéreas de novo en dos nuevos genes candidatos (HSF2 i CHMP7) a la SA-like, que no han sido asociados previamente a enfermedad. Los genes identificados en nuestra cohorte no interaccionan directamente con el gen UBE3A, pero sí que intervienen en las mismas vías moleculares (sinapsis, remodelación de la cromatina y regulación de la transcripción). Los resultados muestran que existe una gran heterogeneidad genética en los pacientes SA-like, sólo dos pacientes presentan variantes en el mismo gen (TBL1XR1). En todos los casos, las características clínicas asociadas a los genes identificados se solapan con las del SA. En nuestra cohorte, el 50% de las variantes identificadas son missense, siendo difícil de predecir el impacto de estas variantes sobre la función de la proteína. Pese a que los programas de predicción in silico pueden ayudar a clasificar estas variantes, se necesitan llevar a cabo estudios funcionales que demuestren su patogenicidad. En este proyecto, el análisis funcional de la variante missense p.Arg169T en el gen KIF1A ha demostrado que afecta a la actividad ATPasa del dominio motor, probablemente por un defecto en la unión a los microtúbulos, afectando de manera indirecta a la motilidad de la proteína y al transporte de vesículas. En conjunto, los resultados obtenidos en esta tesis doctoral muestran que el 70,5% de los pacientes SA-like presentan variantes en otros genes que no son UBE3A. Además, se ha demostrado que el WES es una herramienta útil para el diagnóstico de los pacientes SA-like. Se propone que el WES se incluya en el algoritmo diagnóstico del SA, lo que permitirá aumentar la tasa de diagnóstico, ofrecer un correcto asesoramiento genético a la familia y la identificación de nuevas dianas terapéuticas.

Angelman syndrome (AS) is a neurogenetic disorder characterized by severe intellectual disability with absent speech, dysmorphic craniofacial features, neurological problems such as ataxia and/or tremor of the limbs and seizures with a specific pattern in the electroencephalogram (EEG). The behavioral phenotype is characterized by apparent happy demeanor, hyperactivity, attention deficit and sleep disorder. The prevalence is about 1/15.000 of newborns.

AS is caused by the loss of expression in neurons of the ubiquitin ligase protein E6-AP encoded by the maternal allele of the UBE3A gene, that is located in the chromosomal region 15q11-q13. The genetic cause remains unknown in around 10% of individuals with the characteristic clinical features of AS (AS-like). In some cases, these patients present syndromes whose clinical features overlap with AS and that are caused by variants in other genes with similar or overlapping functions with that of UBE3A or copy number variants (CNVs). It is believed that there are new genes responsible for AS that have not been discovered yet.

Next generation sequencing (NGS) has been broadly used in the recent years to analyze the exome, leading to the identification of new genes responsible for Mendelian disorders. The main goal of this thesis is the identification of new genes responsible for AS by using whole exome sequencing (WES). In a cohort of 17 patients presenting an AS phenotype and in which the genetic causes of AS have been ruled out, the implementation of WES in trios lead to the identification of 11 de novo and one X-linked pathogenic/likely pathogenic variants in 11 neurodevelopmental genes (SYNGAP1, VAMP2, TBL1XR1, ASXL3, SATB2, SMARCE1, SPTAN1, KIF1A, KCNQ3, SLC6A1 and LAS1L). The global yield diagnostic in this study is 70,5%. In addition, two deleterious de novo variants have been identified in two candidate genes for AS-like (HSF2 and CHMP7), not previously associated with disease. The new identified AS-like genes do not interact directly with UBE3A gene product but are involved in the same molecular pathways (synapsis, chromatin remodeling and regulation of transcription). The results obtained show that there is a wide genetic heterogeneity in AS-like patients, only two patients carry variants in the same gene (TBL1XR1). In all cases, the clinical features associated with the genes identified overlap with the ones of AS.

In our cohort, missense variants account for 50% of all the pathogenic/likely pathogenic variants identified being difficult to predict their impact on the protein. Even though, in silico tools can help to classify them, functional studies are needed to prove their pathogenicity. In this project, the functional analysis of the missense variant p.Arg169Thr in the KIF1A gene was performed, showing that it affects the ATPase activity of the motor domain, probably, due to defects in microtubule binding and therefore the motility of the protein and the capability of vesicle transport.

Altogether, the results obtained in this thesis show that the 70,5% of AS-like patients carry variants in other genes that are not UBE3A. Furthermore, it has been shown that WES is a useful tool for the diagnosis of AS-like patients. We propose that WES should be included in the diagnostic algorithm of AS, which will increase the diagnostic rate, allowing a better patient follow-up, the appropriate genetic counseling to the family and to identify novel therapeutic targets.