Characterization of new mutations in transferrin, DMT1 and SEC23B causing rare iron metabolism-related diseases; and the discovery of RACGAP1 as the gene responsible for autosomal recessive congenital dyserythropoietic anaemia type III

Abstract

Iron is a biometal involved in many physiological processes that are essential for life. Iron metabolism is a complex and tightly regulated process both at the systemic and cellular level. Proper iron homeostasis relies on a delicate balance between absorption, transport, storage, and utilization. Defects in iron metabolism can lead to significant health implications. Iron deficiency anaemia, the most common nutritional disorder worldwide, arises from inadequate iron intake, impaired absorption or increased demand. On the other hand, haemochromatosis represents a group of disorders characterized by excessive iron accumulation, leading to tissue damage and dysfunction. Iron metabolism plays also a critical role in erythropoiesis, the process of red blood cell (RBC) production. Erythropoiesis is a highly regulated process occurring predominantly in the bone marrow, where specialized progenitor cells differentiate into mature RBCs. Adequate iron availability is essential for the synthesis of haemoglobin, the oxygen-carrying protein within RBCs. Erythropoiesis defects encompass a range of disorders that disrupt the normal process of RBC production, which can arise from genetic variants, nutritional deficiencies, chronic diseases, or other factors. Impaired erythropoiesis can lead to various types of anaemia, characterized by inadequate RBC production. Understanding the intricate relationship between iron metabolism and erythropoiesis is crucial for the diagnosis and management of various diseases. Recent advances have uncovered novel genes and mutations causing inherited RBC disorders, however, some erythrocyte-related diseases are still poorly studied due to the limited number of affected and diagnosed patients. Furthermore, in the context of rare diseases, patients’ demands in terms of research efforts have not been evaluated, lacking relevant information on how to improve their quality of life. In this thesis I have analysed the research necessities perceived by haemochromatosis patients and have suggested actions for the improvement of their quality of life. On the other hand, I have studied patients affected by rare hereditary haematological diseases at the clinical, genetic and molecular level. I hereby describe new cases and mutations causing atransferrinemia (TF gene), hypochromic microcytic anaemia with iron overload 1 (AHMIO1; SLC11A2 gene) and congenital dyserythropoietic anaemia (CDA) type II (SEC23B gene). I have functionally characterized the variants that were newly identified or had not been studied before to further confirm their pathogenicity: TF c.2062+20T>G, c.1253C>A (p.Ala418Glu), c.*53A>G, c.665_668delCCTT (p.Ala222Valfs*32); SLC11A2 c.675+35A>G, c.223G>A (p.Gly75Arg); SEC23B c.1334C>G (p.Thr445Arg), c.1736A>G (p.Tyr579Cys), c.1512-3delinsTT + c.1512-16_1512-7delACTCTGGAAT, c.2074_2077dupGATG (p.Asp693GlyfsTer2), c.2102G>A (p.Arg701His), c.1512-2A>G. Moreover, I have significantly contributed to the knowledge in CDA type III by identifying RACGAP1 as a new gene causing the autosomal recessive form of this disease (subtype IIIb). In such context we have diagnosed three patients harbouring the RACGAP1 c.1294C>T (p.Pro432Ser) and c.658A>G (p.Thr220Ala) mutations. I have investigated the pathophysiological consequences of these RACGAP1 mutations both in patient-derived cells and also by generating a zebrafish knock-in model (Racgap1 p.Pro415Ser). Overall, the results yield novel insights in rare iron metabolism-related disorders.

El ferro és un biometall implicat en molts processos fisiològics que són essencials per a la vida. El metabolisme del ferro és un procés complex i estretament regulat tant a nivell sistèmic com cel·lular. L'homeòstasi adequada del ferro es basa en un equilibri delicat entre l'absorció, el transport, l'emmagatzematge i la utilització. Les alteracions en el metabolisme del ferro poden tenir implicacions significatives per a la salut. L'anèmia per deficiència de ferro, el trastorn nutricional més comú a tot el món, es produeix per la ingesta inadequada de ferro, la disminució de l'absorció o l'augment de la demanda. D'altra banda, la hemocromatosi representa un grup de trastorns caracteritzats per l'acumulació excessiva de ferro, que provoca danys i disfunció en els teixits. El metabolisme del ferro també té un paper crucial en l'eritropoesi, el procés de producció de glòbuls vermells (GV). L'eritropoesi és un procés altament regulat que té lloc predominantment a la medul·la òssia, on les cèl·lules progenitores especialitzades es diferencien en GV madurs. L'existència d'una disponibilitat adequada de ferro és essencial per a la síntesi de la hemoglobina, la proteïna transportadora d'oxigen dels GV. Les alteracions en l'eritropoesi engloben una sèrie de trastorns que interrompen el procés normal de producció de GV, els quals poden sorgir de variants genètiques, deficiències nutricionals, malalties cròniques o altres factors. L'eritropoesi alterada pot conduir a diversos tipus d'anèmia, caracteritzats per una producció inadequada de GV. Comprendre la relació intricada entre el metabolisme del ferro i l'eritropoesi és crucial per al diagnòstic i el tractament de diverses malalties. Els avenços recents han descobert nous gens i mutacions que causen trastorns hereditaris de GV; no obstant això, algunes malalties relacionades amb els eritròcits encara s'estudien poc a causa del nombre limitat de pacients afectats i diagnosticats. A més, en el context de les malalties rares, les demandes dels pacients en termes d'esforços de recerca no s'han avaluat i manquen informacions rellevants sobre com millorar la seva qualitat de vida. En aquesta tesi he analitzat les necessitats de recerca percebudes pels pacients d’hemocromatosi i he suggerit accions per a la millora de la seva qualitat de vida. D'altra banda, he estudiat pacients afectats per malalties hematològiques hereditàries rares a nivell clínic, genètic i molecular. Es descriuen nous casos i mutacions que causen atranferrinèmia (gen TF), anèmia microcítica hipocròmica amb sobrecàrrega de ferro 1 (AHMIO1; gen SLC11A2) i anèmia diseritropoètica congènita (ADC) tipus II (gen SEC23B). He caracteritzat funcionalment les variants que s'han identificat recentment o no s'han estudiat abans per a confirmar encara més la seva patogenicitat: TF c.2062+20T>G, c.1253C>A (p.Ala418Glu), c.*53A>G, c.665_668delCCTT (p.Ala222Valfs*32); SLC11A2 c.675+35A>G, c.223G>A (p.Gly75Arg); SEC23B c.1334C>G (p.Thr445Arg), c.1736A>G (p.Tyr579Cys), c.1512-3delinsTT + c.1512-16_1512-7delACTCTGGAAT, c.2074_2077dupGATG (p.Asp693GlyfsTer2), c.2102G>A (p.Arg701His), c.1512-2A>G. A més, he contribuït significativament al coneixement de l'ADC tipus III identificant RACGAP1 com un nou gen causant la forma autosòmica recessiva d'aquesta malaltia (subtipus IIIb). En aquest context, hem diagnosticat tres pacients que porten les mutacions RACGAP1 c.1294C>T (p.Pro432Ser) i c.658A>G (p.Thr220Ala). He investigat les conseqüències fisiopatològiques d'aquestes mutacions de RACGAP1 tant en cèl·lules derivades de pacients com generant un model de peix zebra amb una modificació genètica específica (Racgap1 p.Pro415Ser). En conjunt, els resultats proporcionen noves aportacions en malalties minoritàries relacionades amb el metabolisme del ferro.