Identifying the genetic basis of rare neurological disorders

Abstract

Durch diagnostische Exom-Sequenzierung sowie Trio-Exom-Sequenzierung bei neurogenetisch erkrankten Patienten identifizierten wir neue de novo Varianten in den Genen HIVEP2, KCNC1 und SLC12A6. Wir berichten hier nicht nur von neuen Varianten, sondern auch von neuen Phänotypen, die bisher noch nicht mit diesen Genen assoziiert worden waren.

Patienten mit trunkierenden de novo Varianten im HIVEP2-Gen zeigten eine unspezifische Intelligenzminderung mit verschiedenen neurologischen Symptomen. Eine eindeutige Genotyp-Phänotyp-Korrelation bezüglich des Schweregrads der Erkrankung konnte nicht festgestellt werden.

Eine zuvor berichtete heterozygote Arg320His Variante im KCNC1-Gen verursachte ein MEAK-Syndrom (Progressive Myoklonusepilepsie und Ataxie durch Kaliumkanaldefekt), und Patienten mit einer heterozygoten de novo Ala421Val Variante zeigten eine globale Entwicklungsverzögerung mit Epilepsie, so dass für diese beiden Varianten eine klare Genotyp-Phänotyp-Korrelation festgestellt werden konnte. Es wurden noch zwei weitere de novo Varianten im KCNC1-Gen gefunden, die jeweils eine Intelligenzminderung ohne Krampfanfälle oder einen nicht progressiven leichten Myoklonus/Tremor verursachten. Daher gehen wir davon aus, dass das phänotypische Spektrum von KCNC1 noch vielfältiger sein könnte. Zudem möchten wir hervorheben, dass seltene de novo Varianten bei Patienten mit Epilepsie, Intelligenzminderung oder auch Myoklonus/Tremor in Betracht gezogen werden sollten.

Heterozygote de novo Varianten im SLC12A6-Gen wurden bei Patienten mit frühbeginnender progredienter Neuropathie identifiziert. Wir klassifizierten die Erkrankung als DI-CMT (dominant intermediate Charcot-Marie-Tooth). Bisher wurden homozygote oder compound-heterozygote Nonsense-, Splice- und Frameshift Varianten mit dem Andermann-Syndrom assoziiert.

Die funktionelle Auswertung in den Xenopus Oozyten zeigte für alle neu identifizierten Varianten in den Genen KCNC1 und SLC12A6, eine Loss-of-Function (LoF). Ein eindeutiger Zusammenhang zwischen den Funktionen der Genvarianten und den verschiedenen Phänotypen konnte jedoch nicht abgeleitet werden. Der genaue Pathomechanismus, der zu einem bestimmten Phänotyp führt, ist wahrscheinlich komplexer und wird vermutlich durch andere bisher unbekannte Faktoren verursacht, so dass weitere funktionelle Studien zur Entwicklung einer zielgerichteten Therapie eine wichtige Rolle spielen werden.

Unsere Studien unterstreichen, dass das phänotypische Spektrum von Mutationen in den drei Genen breiter ist als zuvor beschrieben. Eine ausführliche Phänotypisierung durch längere Beobachtung sowie weitere Rekrutierung von Patienten könnten das phänotypische Spektrum sogar noch mehr erweitern und vielleicht in der Zukunft einen klaren Zusammenhang zwischen den verschiedenen Varianten und Phänotypen liefern. Es ist jedoch auch möglich, dass der klinische Verlauf unabhänging von der spezifischen Position oder Funktion einer einzelnen Variante immer etwas unterscheiden wird.

Using diagnostic WES and trio-WES, we found new de novo variants in the genes HIVEP2, KCNC1 and SLC12A6. Clinical phenotypes of our patients were different from the previously reported HIVEP2, KCNC1 and SLC12A6 related disorders.

Patients with de novo truncating variants in HIVEP2 had ID with other non-specific variable clinical characteristics (Park et al., 2019a, Srivastava et al., 2016, Steinfeld et al., 2016). A clear genotype-phenotype regarding the severity of ID and neurological features could not be concluded. The de novo Arg320His variant in KCNC1 caused MEAK syndrome and patients with a de novo Ala421Val change showed GDD with epilepsy, thus a clear genotype-phenotype correlation could be assessed for these two variants (Cameron et al., 2019, Muona et al., 2015, Oliver et al., 2017, Park et al., 2019c). However, trio-WES revealed other de novo variants causing ID without seizures or non-progressive mild myoclonus/tremor. Therefore, we propose that the phenotypic spectrum of KCNC1 related disorder might be more diverse, and rare de novo variants in KCNC1 should be considered in patients with epilepsy, ID as well as myoclonus/tremor. Heterozygous de novo variants in SLC12A6 have been identified in infantile-onset progressive neuropathy patients; we classified the disorder as DI-CMT. Homozygous or compound-heterozygous truncating variants are known to cause Andermann syndrome (Hauser et al., 1993, Larbrisseau et al., 1984, Rudnik-Schoneborn et al., 2009, Uyanik et al., 2006).

Functional evaluation in Xenopus oocytes displayed LoF for all our new identified variants in KCNC1 and SLC12A6, but a clear correlation between the gene variant function and phenotype could not be deduced. Therefore, it should be reflected that variant-specific pathomechanism leading to a certain phenotype can be far more complex. Clarifying the consequences of pathogenic variants in vivo may play an important role for developing a molecular targeted therapy.

Our publications demonstrate that the phenotypic spectrum of all three genes is wider than first described. Further identification of patients and functional analyses might provide a clear genotype-phenotype correlation and even further extend the phenotypic spectrum, but they might also reveal that the clinical presentation, disease severity and progression will vary between individuals regardless of the specific location or function of a single variant.