Detailed molecular and clinical studies of patients with genomic diseases reveal unique biological knowledge

Utgangspunktet for vårt translasjonsforskningsprosjekt er å identifisere sykdomsgivende mutasjoner i pasienter med alvorlige nevrologiske sykdommer av ukjent etiologi. For de enkelte familier vil ofte mangel på kunnskap om den eksakte diagnose resultere i manglende informasjon om prognose og føre til en utvidet diagnostisk odysse som starter i tidlig barndom og som er svært utfordrende for familien og dessuten ressurskrevende for helsevesenet. Funnene i vårt prosjekt har gitt viktig ny kunnskap om sjeldne nevrologiske sykdommer. En bedre forståelse av sykdommene fører ofte til en bedre oppfølging av den enkelte pasient. Identifikasjon av de genetiske defektene har videre åpnet for prenatal testing, og i noen familier har funnet av den sykdomsgivende mutasjonen direkte avdekket behandlingsalternativer. En molekylær diagnose kan også legge til rette for kontakt med andre familier med pasienter som lider av samme sykdom. Vårt prosjekt har avdekket den genetiske årsaken og molekylære mekanismer som fører til sykdom, noe som fører til en bedre forståelse av sykdommen og en utvidelse av de diagnostiske muligheter for fremtidige pasienter. Kunnskap om molekylære sykdomsmekanismer er helt nødvendig for den omfattende og utfordrende prosessen med å identifisere nye terapeutiske mål. Slike funn er viktig for utvikling av nye behandlingsformer. Det endelige målet er å gi fremtidige pasienter med terapeutiske alternativer, som vil forbedre deres livskvalitet og levealder.

Utgangspunktet for vår forskning er pasienter med alvorlige nevrologiske fenotyper av ukjent etiologi som har resultert i at pasientene går gjennom en langvarig diagnostisk odysse. Denne starter i tidlig barndom, er svært krevende for familien og er ressurskrevende for helsesystemet. I vårt prosjekt har vi så langt identifisert den sannsynlige genetiske årsaken til sykdom i pasientene i 26 av de 50 undersøkte familiene. I tillegg til 13 hittil ukjente mutasjoner i gener som tidligere er vist mutert i pasienter med et sykdomsbilde som overlapper med våre pasienter, har vi også påvist 7 mutasjoner i gener som ikke tidligere er assosiert med sykdom. Våre funn fører til en bedre forståelse av sykdommene og derfor til en bedre oppfølging av pasientene. Identifikasjon av de genetiske defektene åpner for prenatal testing noe som så langt er gjennomført i to familier. I noen familier har funnet av den sykdomsgivende mutasjonen direkte avdekket behandlingsalternativer. I en familie med en hittil ukjent sykdom, RCDP5, er endring til diett med lavt innhold av fytansyre nå gjennomført som følge av det genetiske funnet for å hindre sykdomsutvikling som følge av opphopning av denne fettsyren. Translasjonspotensialet i vår tilnærming er videre demonstrert ved at påvisningen av den patogene mutasjonen har avdekket terapeutiske muligheter i 10% av familiene vi har undersøkt. Dette prosjektet er translasjonsforskning i ordets rette forstand hvor målet er å identifisere mekanismene som fører til alvorlige nevrologiske sykdommer. Dette er det første obligatoriske trinnet i den omfattende og krevende prosessen med å utvikle nye terapeutiske alternativer.

I et nært samarbeid med professor Petter Strømme ved Barneavdelingen, OUS, studerer vi molekylære mekanismer som forårsaker progressive sykdommer som rammer sentralnervesystemet. Pasientene i prosjektet har mistet flere tillærte ferdigheter og har ofte påvisbar skade i nevralt vev. Pasientene er grundig undersøkt både klinisk, biokjemisk, nevrofysiologisk og nevroradiologisk. Vi benytter «Next Generation Sequencing» (NGS)-teknologi for å lete etter sykdomsgivende genetisk variasjon i det komplette settet av eksoner i alle kjente gener i disse pasientene. Funn som antas å være sykdomsgivende mutasjoner studeres videre for å avdekke ny kunnskap om hvordan mutasjonen påvirker cellebiologiske egenskaper. På denne måten stiller vi en presis molekylærgenetisk diagnose til stor hjelp for mange av familiene, samtidig som vi avdekker ny humanbiologisk kunnskap. Vi er nå i ferd med å avslutte et arbeid som viser sammenhengen mellom en hittil ukjent mutasjon og sykdommen rhizomelic chondrodysplasia punctata (RCDP). Denne sykdommen er kjent å oppstå som følge av manglende syntese av plasmalogener, en fettsyre som produseres i organeller i cellen kalt peroksisomer. I samarbeid med en forskningsgruppe i Nederland har vi karakterisert effekten av mutasjonen, og viser manglende import av tre proteiner inn i peroksisomet i hudceller fra pasientene, hvorav ett er viktig for plasmalogen-syntese. Importen av disse proteinene i peroksisomet ble gjenopprettet ved å uttrykke genet uten mutasjonen i disse cellene. Basert på de molekylærbiologiske og biokjemiske resultatene konkluderer vi at pasientene har en ny genetisk subtype av rhizomelic chondrodysplasia punctata som følge av mutasjonen vi har identifisert. Arbeidet vil bli publisert i løpet av 2015.

Forskningen fokuserer på påvisning og karakterisering av genetiske forandringer i pasienter med alvorlige nevrologiske sykdommer, kombinert med omfattende kliniske undersøkelser i et tett samarbeid med nevrologer, barneleger og spesialister i klinisk genetikk. Vi undersøker hele arvematerialet, blant annet undersøker vi alle proteinkodende områder av genomet ved ”eksomsekvensering”. Denne fremgangsmåten er ofte til direkte diagnostisk hjelp for en kliniker (såkalt ”revers fenotyping”), men først og fremst legger dette tverrfaglige samarbeidet til rette for å avdekke genotype - fenotype sammenhenger som gir viktig ny humanbiologisk kunnskap.

Nylig ble to arbeider publisert som begge beskriver pasienter med tap av kromosommateriale. I det ene arbeidet dokumenterer vi fravær av SOX3-uttrykk i en pasient, og artikkelen diskuterer hvilke konsekvenser tap av dette genet kan ha for utvikling av kliniske symptomer. Det andre arbeidet sammenligner kromosomale funn og kliniske observasjoner i fem pasienter med tap av kromosommateriale i overlappende områder av kromosom 6p24.3p22.3. Vi beskriver de minste delesjonene som er påvist i dette området, og peker på at tapet av genene JARID2 og ATXN1 bidrar til utvikling av ataksi (nedsatt koordinasjon) og nedsatte kognitive funksjoner. Vi peker også på at delesjon av JARID2 resulterer i et klinisk gjenkjennbart syndrom.

I et nytt arbeid som ble igangsatt i 2013 har vi sammen med professor Petter Strømme ved Barneavdelingen, OUS, benyttet eksomsekvensering til påvisning av sykdomsgivende mutasjoner i flere pasienter. I en av pasientene har vi påvist en ny mutasjon som påvirker biogenesen av proteiner i peroksisomer (en organelle i cellen som er viktig for metabolismen av fettsyrer). Effekten av mutasjonen vi påviste stemmer godt overens med våre tre pasienters Conradi-Hünerman-liknende skjelettforandringer. Vi gjennomfører nå en omfattende klinisk undersøkelse, samt videre funksjonelle studier i samarbeid med en ledende gruppe i Nederland for å dokumentere effekten av den påviste genetiske forandringen.

Genomiske sykdommer er et resultat av rearrangeringer i genomet og kan resultere i syndromer som ofte inkluderer forsinket utvikling og dysmorfe trekk. En del slike sykdommer vil kunne gjenkjennes av en erfaren kliniker, men det er mange sjeldne sykdommer hvor det kreves et omfattende arbeid for å stille en presis diagnose. Forskningen i vår gruppe fokuserer på detaljert analyse av kromosomavvik i pasientene. I tillegg gjennomføres grundige kliniske undersøkelser av alle pasientene i et tett samarbeid med nevrologer, barneleger og spesialister i klinisk genetikk. Bruk av genomvide analyser kan være til direkte diagnostisk hjelp for en kliniker (revers fenotyping), men først og fremst legger dette tverrfaglige samarbeidet til rette for å avdekke genotype - fenotype sammenhenger som gir viktig ny humanbiologisk kunnskap.

Bevilgningen for 2012 er brukt til lønn for stipendiaten. Selv om stipendiaten har hatt fødselspermisjon i 8 måneder i 2012, kan vi rapportere god fremdrift i prosjektet. To arbeider som beskriver pasienter med tap av kromosommateriale i henholdsvis kromosom 11q13.1 og 4p16.3, ble publisert i 2012. Det ene arbeidet, som er det første som viser denne delesjon innen 11q13.1, diskuterer hvilket bidrag tap av konkrete gener kan ha for de kliniske symptomene til pasienten. I det andre arbeidet ble de kliniske observasjonene i vår pasient sammenlignet med kliniske funn i tidligere beskrevne pasienter, noe som bidrar til å definere fenotypen til pasienter med delesjon i enden av kromosom 4p.

I tillegg har stipendiaten avsluttet et arbeide med å sammenstille kromosomale og kliniske funn i fem pasienter med tap av kromosommateriale i overlappende områder av 6p24.3p22.3. Delesjonene vi beskriver er de minste som er påvist i dette området. Dermed kan vi gjennom arbeidet peke ut to sterke kandidatgener som ved nedsatt kopitall bidrar til utvikling av ataksi og nedsatte kognitive funksjoner. Vi peker spesielt på at tap av genet JARID2 representerer et gjenkjenbart syndrom. Arbeidet, som er en viktig del av dr-graden, ble nylig publisert.

Forskningen i gruppen fokuserer på detaljert analyse av kromosomavvik i pasienter med forsinket utvikling. I tillegg gjennomføres grundige kliniske undersøkelser av alle pasientene i et tett samarbeid med nevrologer, barneleger og spesialister i klinisk genetikk. Dette tverrfaglige samarbeidet legger til rette for å avdekke sammenhenger mellom genotype og fenotype, og vil kunne gi viktig ny human biologisk kunnskap.

Bevilgningen for 2011 er brukt til lønn for stipendiaten, som ble ansatt i juli 2011. I løpet av den korte tiden stipendiaten har jobbet på prosjektet har hun bidratt tungt med avslutningen av to arbeider. I det ene arbeidet påviste vi en delesjon på kromosom 11q13 i en pasient med moderat forsinket utvikling. Avgrensningen av delesjonen i pasienten gjorde det mulig for oss å identifisere gener som man kan anta er viktige i utviklingen av de kliniske symptomene i pasienten. I det andre arbeidet påviste vi en delesjon på kromosom 4p16.3 i en pasient med epilepsi, psykomotoriske forstyrrelser og utfordrende atferd. Vi sammenlignet de kliniske observasjonene i vår pasient med kliniske funn i de 7 andre pasientene som hittil har blitt beskrevet med relativt små 4p-delesjoner. Begge disse arbeidene ble nylig innsendt til publisering.

Samtidig har stipendiaten arbeidet med å sammenstille kromosomale og kliniske funn i fem pasienter hvor vi har funnet overlappende delesjoner på kromosom 6p24.3p22.3. Disse delesjonene, som er de minste som er beskrevet i dette området, gir oss viktig kunnskap om genotype – fenotype korrelasjoner. Blant annet kan vi peke på spesifikke kandidatgener som forklarer hvorfor pasienter med delesjon i område har ataksi og nedsatte kognitive funksjoner.