Identifisering av nye sykdomsgener og molekylære mekanismer i sjeldne arvelige sykdommer

Prosjektnummer: 912172
Ansvarlig person: Per Knappskog
Institusjon: Helse Bergen HF
Prosjektkategori: Åpen prosjektstøtte
Helsekategori: Eye, Neurological
Forskningsaktivitet: 4. Detection and Diagnosis

2019 - sluttrapport

Dette prosjektet tar utgangspunkt i pasienter som er henvist til genetiske analyser hos avdeling for medisinsk genetikk. Vi tilbyr i dag diagnostiske gen-pakker for en rekke arvelige sykdommer, men for en del av de undersøkte familiene finner vi ingen feil i kjente sykdomsgener. Et utvalg av disse familiene er blitt videre undersøkt ved hel-eksom eller hel-genom sekvensering. I dette prosjektet har vi etablert en ”forskningspipeline” der vi benytter data fra diagnostiske analyser for å finne årsaken til arvelige sykdommer. Her blir hele den proteinkodende delen av genomet (eksomet) analysert og vi har identifisert mutasjoner i flere nye gener og funnet mutasjoner som gir arvelig sykdom. I tillegg har vi sekvensert hele genomet for enkelte familier der vi ikke finner noen forklaring på sykdommen med eksomsekvensering. Introniske mutasjoner har blitt videre karakterisert ved RNA-sekvensering (både målrettet og hel-transkriptom sekvensering). Mutasjoner i ABCA4 genet er årsaken til Stargardt sykdom (makula degenerasjon). Her har vi vist at en hyppig intronisk mutasjon (5461-10T>C) gir feil i RNA spleising og opphav til et ustabilt protein. For BRCA1 varianten c.5407-25T>A har vi vist at denne fører til feilspleising av RNA, men at denne varianten ikke gir en fullstendig feilspleising, noe som kan forklare den reduserte penetransen som vi observerer hos bryst/ovarie-kreft pasienter med denne varianten. Vi har klinisk karakterisert og analysert en stor familie med muskelsykdom. I denne familien blir sykdommen nedarvet i et dominant mønster. Her har vi ved en kombinasjon av koblingsanalyser (SNP-chip), eksom- og helgenom-sekvensering funnet en genforandring hos de syke familiemedlemmene. Det eksisterer svært lite informasjon om normalfunksjonen til dette genet og vi har undersøkt funksjonen til både det normale og det muterte genproduktet i ulike cellesystemer. Funksjonelle studier av det normale og det muterte genproduktet pågår fremdeles i cellesystem og i muskelbiopsier fra pasientene. Det planlegges å lage en dyremodell. Her vil vi ved CRISPR teknologi introdusere den samme varianten som vi har funnet hos våre pasienter i Zebrafisk. Vi var blant de første til å beskrive mutasjoner i STUB1 genet hos pasienter med nevrologisk sykdom (cerebellar degenerasjon). Vi har nå studert sykdomsassosierte mutante former av dette proteinet i E.coli og i eukaryote cellesystemer og vist molekylære mekanismene som fører til tap av funksjon til STUB1 proteinet. Det normale STUB1-genet og "knock out"-mutasjoner er også studert videre i dyremodell (Zebrafisk). Ved hjelp av CRISPR teknologi har vi slått ut funksjonen til det normale STUB1-genet. De muterte Zebrafiskene blir nå undersøkt ved hjelp av MRI analyser av hjernen og ved adferds-tester. Analyse av eksom- og helgenom- sekvenser er kompliserte prosesser som krever avanserte dataprogrammer og tilgang til computere med stor kapasitet. Etableringen av en forskningspipline for dette har gitt verdifull erfaring og gjort det mulig å kunne etablere disse analysene som diagnostiske verktøy. Analysene har også resultert i at vi har funnet den genetiske forklaringen på sykdommen til en rekke pasienter der vi ikke har funnet mutasjoner i kjente sykdomsgener. Å finne den eksakte årsaken til pasientenes sykdom er viktig både for pasientene og med tanke på fremtidig risiko for familiemedlemmer. Ved funn av nye sjeldne varianter er det ofte vanskelig å vite om den spesifikke varianten er årsaken til pasientens sykdom eller om dette er en naturlig sjelden variant som ikke påvirker genfunksjonen. For å kunne vise om en variant påvirker genfunksjonen er det nødvendig med funksjonelle studier, analyser man normalt ikke har kapasitet til i en ren diagnostisk rutine. I dette prosjektet har vi ved funksjonelle studier (RNA og protein) påvist de molekylære mekanismene som fører til redusert funksjon av genproduktet og dermed mekanismene for sykdom. Ved funn av mutasjoner i nye ukjente gener er det krevende å vise at den gitte mutasjonen er årsaken til familiens sykdom. Ofte er det lite kjent om det normale genets funksjon og dermed må det utføres en funksjonell analyse av funksjonen til det normale genproduktet. Dette er resurskrevende arbeid, men dette vil gi den nødvendige forståelsen som må til for å kunne tilby ny diagnostikk til andre pasienter med samme type sykdom. I dette prosjektet har vi hatt fokus på å finne nye gener og mutasjoner som kan gi sykdom og funksjonell karakterisering av disse for å kunne få en bedre forståelse av de molekylære mekanismene som fører til sykdom. For de fleste av disse sykdommene finnes det i dag ingen effektiv behandling. For å kunne utvikle en målrettet effektiv behandling må en imidlertid ha inngående kjennskap til funksjonen til det normale genet og de muterte formene. I dette prosjektet har vi etablert effektive ekspresjonsystemer både i eukaryote celler (A293 celler) og i E.coli. Videre har vi etablert Zebrafisk som modell for cerebellar atrofi (STUB1-genet). Vi har også etablert CRISPR teknologi for spesifikke endringer i DNA sekvensen. CRISPR teknologi er en meget lovende metode for gen-editering og vil trolig bli benyttet til målrettet behandling i fremtiden.

2018

Identifisering av nye sykdomsgener og molekylære mekanismer i sjeldne arvelige sykdommerVi tilbyr i dag diagnostiske gen-pakker for en rekke arvelige sykdommer, men for en del av de undersøkte familiene finner vi ingen feil i kjente sykdomsgener. Et utvalg av dissefamiliene er blitt videre undersøkt ved hel-eksom eller hel-genom sekvensering. Nye genfeil har blitt undersøkt i både cellesystemer og i dyremodell.De fleste arvelige sykdommer er sjeldne, men samlet rammes omtrent 6% av befolkningen av sjeldne arvelige sykdommer. Det er nødvendig å kjenne årsaken til sjeldne genetiske tilstander for å komme frem til bedre diagnostikk og behandling, men ettersom de hver for seg er uhyre sjeldne, er det nødvendig å finne måter å studere dem på som er så ”generiske” som mulig. I dette prosjektet har vi fokusert på pasienter med øyesykdom,nevrologisk sykdom og utviklingshemming. Ved diagnostiske genpanel-analyser finner vi den genetiske årsaken til sykdommen for ca. 30% av disse pasientene.Siden det i diagnostisk sammenheng allerede finnes sekvensdata for hele den proteinkodende delen av genomet (eksomet) kan det åpnes opp for forskning utover de kjente sykdomsgenene. I dette prosjektet har vi etablert en”forskningspipeline” der vi benytter data fra diagnostiske analyser for å finne årsaken til arvelige sykdommer. Her blir hele den proteinkodende delen av genomet (eksomet) analysert og vi har identifisert mutasjoner i flere nye gener som kan være assosiert ved sykdom. I tillegg har vi sekvensert helegenomet for enkelte familier der vi ikke finner noen forklaring på sykdommen med eksomsekvensering. Vi har også analysert alle RNA transkripter (hel transkriptom analyse) hos pasienter der vi har tilgjengelig relevant biologisk materiale. Funksjonelle studier (RNA / protein) for flere av disse genene er startet opp. Vi har analysert en stor familie med muskelsykdom. I denne familien blir sykdommen nedarvet i et dominant mønster. Her har vi ved en kombinasjon av koblingsanalyser, eksom- og hel-genomanalysert identifisert en genforandring hos de syke familiemedlemmene. Dette eksisterer svært lite informasjon om normalfuksjonen til dette genet og vi har undersøkt funksjonen til både det normale og det muterte genproduktet i ulike cellesystemer. Nylig var vi blandt de første til å beskrive mutasjoner i STUB1 genet hos pasienter med nevrologisk sykdom. Vi har nå studert sykdomsassosierte mutante former av dette proteinet i cellesystemer. Et utvalg av disse mutantene blir nå studert videre i dyremodell (Zebrafisk). Ved hjelp av CRISPR teknologi har vi slått ut det normale STUB1 genet og vil erstatte dette med varianter av genet funnet hos ataksipasienter.

2017

Identifisering av nye sykdomsgener og molekylære mekanismer i sjeldne arvelige sykdommerDe fleste arvelige sykdommer er sjeldne,men amlet rammes omtrent 6% av befolkningen av sjeldne arvelige sykdommer.Vi tilbyr i dag diagnostiske gen-pakker for en rekke sykdomsgrupper og utvalgte familier der vi ikke finner feil i kjente gener vil bli videre undersøkt ved dypsekvenseringsteknologi. Nye genfeil blir undersøkt i modellsystemer.I dette prosjektet har vi fokusert på pasienter med Øyesykdom,nevrologisk sykdom og utviklingshemming.Ved diagnostiske genpanel-analyser finner vi den genetiske årsaken til sykdommen for ca. 30% av disse pasientene.Siden det i diagnostisk sammenheng allerede finnes sekvensdata for hele den proteinkodende delen av genomet kan det åpnes opp for forskning utover de kjente sykdomsgenene. Det er nødvendig å kjenne årsaken til sjeldne genetiske tilstander for å komme frem til bedre diagnostikk og behandling, men ettersom de hver for seg er uhyre sjeldne, er det nødvendig å finne måter å studere dem på som er så ”generiske” som mulig. I dette prosjektet har vi etablert en ”forskningspipeline” der vi benytter ”overskuddsdata” fra diagnostiske analyser for å finne årsaken til arvelige sykdommer. Her blir hele den proteinkodende delen av genomet (eksomet) analysert og vi har allerede funnet flere nye gener som kan være mutert ved sykdom.Vi har sekvensert hele genomet for enkelte pasienter der vi ikke finner noen forklaring på sykdommen med eksomsekvensering. Vi har også analysert alle RNA transkripter (hel transkriptom analyse) hos enkelte pasienter der vi har tilgjengelig relevant biologisk materiale. Funksjonelle studier (RNA / protein) for flere av disse genene er startet opp. Videre har vi etablert samarbeid med Biologisk institutt, UiB der vi nå studerer utvalgte mutasjoner funnet hos pasienter med nevrologisk sykdom i Zebrafisk. Her har vi ved hjelp av CRISPR teknologi slått ut det normale STUB1 genet og vil erstatte dette med varianter av genet funnet hos ataksi-pasienter.

Beskriv brukermedvirkningen i prosjektet

Prosjektet går ut på å identifisere nye sykdomsgener og funksjonelle studier av mutasjoner. For den forskningen som nå pågår er det ikke relevant å involvere brukere i forskningsarbeidet. dette kan imidlertid bli aktuelt hvis det blir aktuelt å prøve ut nye behandlingsformer.

Vitenskapelige artikler

Szigetvari PD, Muruganandam G, Kallio JP, Hallin EI, Fossbakk A, Loris R, Kursula I, Møller LB, Knappskog PM, Kursula P, Haavik J

The quaternary structure of human tyrosine hydroxylase: effects of dystonia-associated missense variants on oligomeric state and enzyme activity.

J Neurochem 2019 01;148(2):291-306. Epub 2018 des 9

PMID: 30411798

Aubi O, Knappskog PM, Martinez A

Early Stage Discovery and Validation of Pharmacological Chaperones for the Correction of Protein Misfolding Diseases.

Methods Mol Biol 2019;1873():279-292.

PMID: 30341617

Gudmundsson OO, Walters GB, Ingason A, Johansson S, Zayats T, Athanasiu L, Sonderby IE, Gustafsson O, Nawaz MS, Jonsson GF, Jonsson L, Knappskog PM, Ingvarsdottir E, Davidsdottir K, Djurovic S, Knudsen GPS, Askeland RB, Haraldsdottir GS, Baldursson G, Magnusson P, Sigurdsson E, Gudbjartsson DF, Stefansson H, Andreassen OA, Haavik J, Reichborn-Kjennerud T, Stefansson K

Attention-deficit hyperactivity disorder shares copy number variant risk with schizophrenia and autism spectrum disorder.

Transl Psychiatry 2019 Oct 17;9(1):258. Epub 2019 okt 17

PMID: 31624239

Holtan JP, Teigen K, Aukrust I, Bragadóttir R, Houge G

Dominant ARL3-related retinitis pigmentosa.

Ophthalmic Genet 2019 04;40(2):124-128. Epub 2019 apr 1

PMID: 30932721

Hamanaka K, Sugawara Y, Shimoji T, Nordtveit TI, Kato M, Nakashima M, Saitsu H, Suzuki T, Yamakawa K, Aukrust I, Houge G, Mitsuhashi S, Takata A, Iwama K, Alkanaq A, Fujita A, Imagawa E, Mizuguchi T, Miyake N, Miyatake S, Matsumoto N

De novo truncating variants in PHF21A cause intellectual disability and craniofacial anomalies.

Eur J Hum Genet 2019 03;27(3):378-383. Epub 2018 nov 28

PMID: 30487643

Frints SGM, Hennig F, Colombo R, Jacquemont S, Terhal P, Zimmerman HH, Hunt D, Mendelsohn BA, Kordaß U, Webster R, Sinnema M, Abdul-Rahman O, Suckow V, Fernández-Jaén A, van Roozendaal K, Stevens SJC, Macville MVE, Al-Nasiry S, van Gassen K, Utzig N, Koudijs SM, McGregor L, Maas SM, Baralle D, Dixit A, Wieacker P, Lee M, Lee AS, Engle EC, Houge G, Gradek GA, Douglas AGL, Longman C, Joss S, Velasco D, Hennekam RC, Hirata H, Kalscheuer VM

Deleterious de novo variants of X-linked ZC4H2 in females cause a variable phenotype with neurogenic arthrogryposis multiplex congenita.

Hum Mutat 2019 12;40(12):2270-2285. Epub 2019 aug 21

PMID: 31206972

Bell S, Rousseau J, Peng H, Aouabed Z, Priam P, Theroux JF, Jefri M, Tanti A, Wu H, Kolobova I, Silviera H, Manzano-Vargas K, Ehresmann S, Hamdan FF, Hettige N, Zhang X, Antonyan L, Nassif C, Ghaloul-Gonzalez L, Sebastian J, Vockley J, Begtrup AG, Wentzensen IM, Crunk A, Nicholls RD, Herman KC, Deignan JL, Al-Hertani W, Efthymiou S, Salpietro V, Miyake N, Makita Y, Matsumoto N, Østern R, Houge G, Hafström M, Fassi E, Houlden H, Klein Wassink-Ruiter JS, Nelson D, Goldstein A, Dabir T, van Gils J, Bourgeron T, Delorme R, Cooper GM, Martinez JE, Finnila CR, Carmant L, Lortie A, Oegema R, van Gassen K, Mehta SG, Huhle D, Abou Jamra R, Martin S, Brunner HG, Lindhout D, Au M, Graham JM, Coubes C, Turecki G, Gravel S, Mechawar N, Rossignol E, Michaud JL, Lessard J, Ernst C, Campeau PM

Mutations in ACTL6B Cause Neurodevelopmental Deficits and Epilepsy and Lead to Loss of Dendrites in Human Neurons.

Am J Hum Genet 2019 May 02;104(5):815-834. Epub 2019 apr 25

PMID: 31031012

Marbach F, Rustad CF, Riess A, Ðukic D, Hsieh TC, Jobani I, Prescott T, Bevot A, Erger F, Houge G, Redfors M, Altmueller J, Stokowy T, Gilissen C, Kubisch C, Scarano E, Mazzanti L, Fiskerstrand T, Krawitz PM, Lessel D, Netzer C

The Discovery of a LEMD2-Associated Nuclear Envelopathy with Early Progeroid Appearance Suggests Advanced Applications for AI-Driven Facial Phenotyping.

Am J Hum Genet 2019 04 04;104(4):749-757. Epub 2019 mar 21

PMID: 30905398

Drage Berentsen R, Haukanes BI, Júlíusson PB, Rosendahl K, Houge G

A Novel

Mol Syndromol 2019 Jan;9(5):228-234. Epub 2018 aug 15

PMID: 30733656

Bredrup C, Stokowy T, McGaughran J, Lee S, Sapkota D, Cristea I, Xu L, Tveit KS, Høvding G, Steen VM, Rødahl E, Bruland O, Houge G

A tyrosine kinase-activating variant Asn666Ser in PDGFRB causes a progeria-like condition in the severe end of Penttinen syndrome.

Eur J Hum Genet 2019 Apr;27(4):574-581. Epub 2018 des 20

PMID: 30573803

Tronstad RR, Polushina T, Brattbakk HR, Stansberg C, von Volkmann HL, Hanevik K, Ellinghaus E, Jørgensen SF, Ersland KM, Pham KD, Gilja OH, Hovdenak N, Hausken T, Vatn MH, Franke A, Knappskog PM, Le Hellard S, Karlsen TH, Fiskerstrand T

Genetic and transcriptional analysis of inflammatory bowel disease-associated pathways in patients with GUCY2C-linked familial diarrhea.

Scand J Gastroenterol 2018 Oct 24. Epub 2018 okt 24

PMID: 30353760

Gaare JJ, Nido GS, Sztromwasser P, Knappskog PM, Dahl O, Lund-Johansen M, Maple-Grødem J, Alves G, Tysnes OB, Johansson S, Haugarvoll K, Tzoulis C

Rare genetic variation in mitochondrial pathways influences the risk for Parkinson's disease.

Mov Disord 2018 Oct;33(10):1591-1600. Epub 2018 sep 5

PMID: 30256453

Stige KE, Gjerde IO, Houge G, Knappskog PM, Tzoulis C

Beta-propeller protein-associated neurodegeneration: a case report and review of the literature.

Clin Case Rep 2018 02;6(2):353-362. Epub 2018 jan 4

PMID: 29445477

Gaare JJ, Nido GS, Sztromwasser P, Knappskog PM, Dahl O, Lund-Johansen M, Alves G, Tysnes OB, Johansson S, Haugarvoll K, Tzoulis C

No evidence for rare TRAP1 mutations influencing the risk of idiopathic Parkinson's disease.

Brain 2018 Jan 24. Epub 2018 jan 24

PMID: 29373637

Menke LA, , Gardeitchik T, Hammond P, Heimdal KR, Houge G, Hufnagel SB, Ji J, Johansson S, Kant SG, Kinning E, Leon EL, Newbury-Ecob R, Paolacci S, Pfundt R, Ragge NK, Rinne T, Ruivenkamp C, Saitta SC, Sun Y, Tartaglia M, Terhal PA, van Essen AJ, Vigeland MD, Xiao B, Hennekam RC

Further delineation of an entity caused by CREBBP and EP300 mutations but not resembling Rubinstein-Taybi syndrome.

Am J Med Genet A 2018 04;176(4):862-876. Epub 2018 feb 20

PMID: 29460469

Pakdaman Y, Sanchez-Guixé M, Kleppe R, Erdal S, Bustad HJ, Bjørkhaug L, Haugarvoll K, Tzoulis C, Heimdal K, Knappskog PM, Johansson S, Aukrust I

In vitro characterization of six STUB1 variants in spinocerebellar ataxia 16 reveals altered structural properties for the encoded CHIP proteins.

Biosci Rep 2017 Apr 30;37(2). Epub 2017 apr 28

PMID: 28396517

Macia MS, Halbritter J, Delous M, Bredrup C, Gutter A, Filhol E, Mellgren AEC, Leh S, Bizet A, Braun DA, Gee HY, Silbermann F, Henry C, Krug P, Bole-Feysot C, Nitschké P, Joly D, Nicoud P, Paget A, Haugland H, Brackmann D, Ahmet N, Sandford R, Cengiz N, Knappskog PM, Boman H, Linghu B, Yang F, Oakeley EJ, Saint Mézard P, Sailer AW, Johansson S, Rødahl E, Saunier S, Hildebrandt F, Benmerah A

Mutations in MAPKBP1 Cause Juvenile or Late-Onset Cilia-Independent Nephronophthisis.

Am J Hum Genet 2017 02 02;100(2):372.

PMID: 28157543

Haugarvoll K, Johansson S, Rodriguez CE, Boman H, Haukanes BI, Bruland O, Roque F, Jonassen I, Blomqvist M, Telstad W, Månsson JE, Knappskog PM, Bindoff LA

GBA2 Mutations Cause a Marinesco-Sjögren-Like Syndrome: Genetic and Biochemical Studies.

PLoS One 2017;12(1):e0169309. Epub 2017 jan 4

PMID: 28052128

Aukrust I, Jansson RW, Bredrup C, Rusaas HE, Berland S, Jørgensen A, Haug MG, Rødahl E, Houge G, Knappskog PM

The intronic ABCA4 c.5461-10T>C variant, frequently seen in patients with Stargardt disease, causes splice defects and reduced ABCA4 protein level.

Acta Ophthalmol 2017 May;95(3):240-246. Epub 2016 okt 24

PMID: 27775217

Johansson BB, Irgens HU, Molnes J, Sztromwasser P, Aukrust I, Juliusson PB, Søvik O, Levy S, Skrivarhaug T, Joner G, Molven A, Johansson S, Njølstad PR

Targeted next-generation sequencing reveals MODY in up to 6.5% of antibody-negative diabetes cases listed in the Norwegian Childhood Diabetes Registry.

Diabetologia 2017 Apr;60(4):625-635. Epub 2016 des 2

PMID: 27913849

Deltagere

Torunn Fiskerstrand Prosjektdeltaker
Ståle Ellingsen Prosjektdeltaker
Laurence Bindoff Prosjektdeltaker
Cecilie Bredrup Prosjektdeltaker
Kristoffer Haugarvoll Prosjektdeltaker
Eyvind Rødahl Prosjektdeltaker
Ove Bruland Prosjektdeltaker
Bjørn Ivar Haukanes Prosjektdeltaker
Charalampos Tzoulis Prosjektdeltaker
Helge Boman Prosjektdeltaker
Gunnar Houge Prosjektdeltaker
Stefan Johansson Prosjektdeltaker
Ingvild Aukrust Prosjektdeltaker
Per Knappskog Prosjektleder

eRapport er utarbeidet av Sølvi Lerfald og Reidar Thorstensen, Regionalt kompetansesenter for klinisk forskning, Helse Vest RHF, og videreutvikles av de fire RHF-ene i fellesskap, med støtte fra Helse Vest IKT

Alle henvendelser rettes til Faglig rapportering, Helse Vest

Personvern - Informasjonskapsler