Oppdagelse av nye repeterende ekspansjonsforstyrrelser ved ataksi og utover

Dato: November 2023
Utarbeidet av SIC-medlemKatja Lohmann, PhD
ForfattereMelanie Bahlo, PhD, AM, FAHMS; Mathilde Renaud, MD, PhD; Stephan Züchner, MD, PhD, FAAN
editorLorraine Kalia, lege, PhD

Introduksjon

Sent debuterende cerebellar ataksi (LOCA) er en gruppe nevrodegenerative lidelser som manifesterer seg med et progressivt cerebellart syndrom etter fylte 30 år og ofte er sporadiske (dvs. negativ familiehistorie). Inntil nylig har det vært et utilfredsstillende gap i den genetiske diagnosen av pasienter med LOCA.¹ I 2019 ble imidlertid en ny milepæl innen feltet nådd da bialleliske repetisjonsutvidelser (hovedsakelig involverte AAGGG-repetisjoner) ble funnet i et intron av RFC1-genet, som koder for Replication Factor C-subenheten. Slike ekspansjoner forårsaker utvilsomt cerebellar ataksi-nevropati-vestibulær arefleksi-syndrom (CANVAS) og andre typer LOCA, ofte ledsaget av nevropati og/eller bilateral vestibulopati.^2,3 En ytterligere spennende milepæl ble nådd enda nylig da to uavhengige forskerteam oppdaget GAA-repeterte ekspansjoner i et intron av FGF14-genet, som koder for Fibroblast Growth Factor 14, som en årsak til en annen LOCA-subtype (SCA27B) med et tilsynelatende bredere fenotypisk spektrum.^4,5 Disse oppdagelsene knyttet til LOCA kaster nytt lys over ataksiforskning. For tiden får mer enn 20 % av pasienter som tidligere har blitt diagnostisert med idiopatisk LOCA en genetisk diagnose i noen studier,^4,6 slik at genetisk rådgivning kan gis til familiemedlemmer. Før disse to genene ble identifisert med tidligere ukjente introniske repetisjonsutvidelser, var mange skeptiske til at det fortsatt fantes utbredte genetiske årsaker til LOCA. Selv om det gjenstår å se hvordan disse nye innsiktene kan oversettes til bedre behandlinger for pasienter, er det spennende å se den nye utviklingen innen genetikken til ataksi.

 

Artikkel Oversikt Hoppe til:  Hva var ledetrådene som førte til identifiseringen av de introniske repetisjonsutvidelsene i RFC1 og FGF14? Ataksi er en svært heterogen gruppe sykdommer, både klinisk og genetisk. For tiden kan ikke de introniske repetisjonsekspansjonene i RFC1 og FGF14 detekteres med standard genpaneler eller eksomsekvensering, og krever dermed spesifikk testing. Finnes det visse kliniske trekk som kan flagge pasienter for testing? Tror du det finnes flere repeterende ekspansjonsforstyrrelser som kan oppdages? Kan introniske repetisjonsutvidelser også ha en rolle i andre nevrodegenerative lidelser, som Parkinsons sykdom? Hva er kjent om de funksjonelle konsekvensene av de introniske repetisjonsutvidelsene og rollen til det spesifikke motivet? Hva er de neste stegene for å forbedre genetisk testing for pasienter med ataksi ytterligere? Hvordan kan disse innsiktene omsettes til nye behandlinger? Konklusjoner

 

Hva var ledetrådene som førte til identifiseringen av de introniske repetisjonsutvidelsene i RFC1 og FGF14? 

Dr. Bahlo:  

En rekke fremskritt skjedde over noen få år for å gjøre disse oppdagelsene mulige. Disse inkluderte: 1) billigere helgenomsekvensering, som tillater sekvensering av flere individer fra familier, og nå i økende grad kohorter på hundrevis eller til og med tusenvis av individer for oppdagelse, og 2) utvikling av nye bioinformatiske verktøy som gjorde oppdagelsen av gjentatte utvidelser i helgenom- (og eksom-) sekvenseringsdata mulig.⁷ For både RFC1 og FGF14 fantes det imidlertid ytterligere ledetråder som bidro til disse oppdagelsene. For RFC1-koblet CANVAS hadde stamtavlestudier tidligere lokalisert den kausale varianten til en liten region av genomet, mens det for FGF14 fantes sterke tidligere bevis siden små sekvensvarianter i FGF14 allerede var kjent for å forårsake en form for ataksi.⁸ 

 

Ataksi er en svært heterogen gruppe sykdommer, både klinisk og genetisk. For tiden kan ikke de introniske repetisjonsekspansjonene i RFC1 og FGF14 detekteres med standard genpaneler eller eksomsekvensering, og krever dermed spesifikk testing. Finnes det visse kliniske trekk som kan flagge pasienter for testing? 

Dr. Renaud:  

Kjernefenotypen til SCA27B (GAA-FGF14 ataksi) består av et sakte progressivt cerebellært syndrom karakterisert ved gangataksi og cerebellar okulomotorisk svekkelse. Mens de fleste pasienter presenterer ustø gangart ved sykdomsdebut, rapporterer nesten halvparten av pasientene episodiske symptomer som vertigo og/eller svimmelhet, synsforstyrrelser (diplopi, oscillopsi, tåkesyn) og dysartri. Episoder kan være indusert av alkohol, fysisk aktivitet eller noen ganger koffein. Mer enn halvparten av pasientene med SCA27B viser følsomhet for alkohol, noe som kan utløse episoder med ataksi eller dramatisk forverre baseline ataksi. Nedsatt nystagmus, cerebellare okulomotoriske tegn, nedsatt visuell fiksering og undertrykkelse av den vestibulær-okulære refleksen, vertiginøse symptomer og synsforstyrrelser opptrer ofte samtidig ved sykdomsdebut. I tillegg til cerebellar svekkelse kan vestibulær hypofunksjon og afferent sensorisk defekt observeres i SCA27B. Bilateral vestibulopati er mulig med SCA27B, men forblir relativt mild, mens den nesten alltid er tilstede i RFC1-relatert CANVAS og sykdomsspektrum. Polynevropati er ikke et kjernetrekk ved SCA27B, selv om noen pasienter kan utvikle mild aksonal sensorisk eller sensorimotorisk polynevropati. Til sammenligning er motorisk nevropati vanligvis mild eller fraværende ved RFC1-relatert CANVAS. Diagnosen RFC1-relatert CANVAS og sykdomsspektrum er svært usannsynlig ved isolert cerebellar ataksi uten sensorisk nevropati. Sykdomsprogresjon ved SCA27B, med et gjennomsnitt på 0.23–0.40 SARA-poeng per år, er betydelig langsommere enn ved andre vanlige genetiske ataksier med sen debut, som SCA6 (0.80 SARA-poeng per år) og RFC1-relatert CANVAS (1.30 SARA-poeng per år). 

  

Tror du det finnes flere repeterende ekspansjonsforstyrrelser som kan oppdages?  

Dr. Bahlo:  

Ja, jeg tror det finnes flere repeterende ekspansjoner å oppdage. Jeg tror det er to hovedområder der det sannsynligvis finnes «skjulte» repeterende ekspansjonsforstyrrelser. For det første er repeterende ekspansjoner hendelser med lav mutasjonsrate som ofte bare finnes i spesifikke menneskelige populasjoner eller blant personer med bestemte avstamninger. Noen menneskelige populasjoner er sterkt underrepresentert i våre genomsekvenseringsarbeid og er også underrepresentert for repeterende ekspansjonssammensetninger. Det vil være fruktbart å se på slike populasjoner for nye repeterende ekspansjoner. Det andre området er deteksjonen av de mer utfordrende å identifisere repeterende ekspansjoner med «ufullstendig penetrans», dvs. der det er økt risiko for sykdom snarere enn sikkerhet for å få sykdommen. Oppdagelsen av disse typene repeterende ekspansjoner krever større kohorter og forskjellige statistiske metoder. Repeterende ekspansjoner i FGF14 er et eksempel på slike varianter, men repetisjonen er fortsatt svært penetrerende. 

 

Kan introniske repetisjonsutvidelser også ha en rolle i andre nevrodegenerative lidelser, som Parkinsons sykdom?

Dr. Renaud: 

Ja, det er tenkelig at introniske repetisjonsutvidelser har en rolle i andre nevrodegenerative lidelser, som Parkinsons sykdom. Nye patogene introniske repetisjonsutvidelser vil sannsynligvis bli oppdaget i nær fremtid takket være den utbredte implementeringen av long-read-sekvensering og avanserte bioinformatiske verktøy. Detaljert dyp fenotyping av pasientkohorter er imidlertid en viktig forutsetning for å øke sjansene for å finne nye patogene repetisjonsutvidelser i nevrodegenerative sykdommer. 

 

Hva er kjent om de funksjonelle konsekvensene av de introniske repetisjonsutvidelsene og rollen til det spesifikke motivet? 

Dr. Züchner: 

Vi har fortsatt bare så vidt begynt å forstå de molekylære mekanismene bak repetisjonsforstyrrelsene i RFC1 og FGF14. De nye repetisjonsutvidelsene i RFC1 og FGF14 er begge lokalisert innenfor den ikke-kodende introniske regionen og har ingen åpenbar innvirkning på proteinsekvensen. Videre ser avbrudd i den repeterte sekvensen ut til å være beskyttende. Det finnes publiserte bevis for redusert genuttrykk som sannsynligvis er transkriptspesifikk.⁴ Det er også interessant at FGF14 ikke er bredt uttrykt; dermed er dens cellespesifikke roller i visse nevronpopulasjoner kjernen i virkningsmekanismen. Utover disse hypotesene om funksjonstap, kan det finnes andre mekanismer, som RAN (Repeat Associated Non-AUG)-oversettelse, som faktisk vil føre til en giftig funksjonsgevinst. Vi kan forvente mange interessante funksjonelle studier av disse genene og deres signalveier i årene som kommer.  

Rollen til repetisjonsmotivene er høyt verdsatt. Den bredere tilpasningen av langtidsavlesningssekvenseringsmetoder gjør det mulig å dissekere sammensetningen av svært lange repetisjonsstrekninger med utmerket gjengivelseskvalitet. Det viser seg at et betydelig spekter av repetisjonsmotiver, avbrudd og periodisitet kan observeres i den generelle befolkningen og hos pasienter. Patogeniteten til hvert av disse motivene studeres for tiden intenst og vil informere diagnostiske analyser. Til slutt, spennende nye funn publisert av Pellerin et al.⁹, indikerer at et spesifikt 17 bp sekvensmotiv plassert umiddelbart 5' for FGF14 GAA-repetisjonen bestemmer den meiotiske ekspansjonsstabiliteten til locus. Oppdagelsen av et så robust prediktivt motiv er en førstegangshendelse innen feltet repetisjonsutvidelser. 

 

Hva er de neste stegene for å forbedre genetisk testing for pasienter med ataksi ytterligere? 

Dr. Bahlo: 

Vi må implementere vårt nåværende sett med bioinformatiske verktøy som svært potente screeningsverktøy i kliniske og forskningskohorter. Presis genotyping er ikke nødvendig for at disse skal ha en betydelig innvirkning på kliniske prosesser, der de vil oppdage tapte repetisjonsutvidelser. Dette vil føre til rediagnoser for noen pasienter og økte løsningsrater totalt sett. Flere store kohortstudier med omfattende valideringsarbeid med tradisjonelle metoder har vist at metodene er svært sensitive og spesifikke, over 95 %, spesielt for de mindre repetisjonsutvidelsene. Treff bør deretter valideres med nåværende, repetisjonsspesifikke gullstandardtester, som repeat-primed PCR og Southern blots. I fremtiden vil disse analysene bli erstattet av dyp long-read-sekvensering, som allerede viser seg å være effektiv for å karakterisere de stadig mer heterogene komplekse motivene som finnes. 

 

Hvordan kan disse innsiktene omsettes til nye behandlinger? 

Dr. Züchner: 

Genspesifikke behandlinger, som genredigering eller små molekyler målrettet mot spesifikke repetisjonsmotiver, vil snart bli testet i RFC1- og FGF14-relaterte sykdommer. For å være effektive vil det være viktig å forstå om taps- og/eller gevinstmekanismer for funksjon spiller inn. Dette vil sannsynligvis kreve godt karakteriserte dyremodeller for disse sykdommene, som det jobbes med i vårt laboratorium og av andre. For FGF14 har en veletablert behandling for episodisk ataksi, 4-aminopyridin, nylig blitt utforsket.¹⁰, og en større studie vil muligens følge. Det faktum at en kaliumkanalblokker kan modifisere utfallet av FGF14-relatert ataksi peker på en mekanistisk kobling som sannsynligvis kan utnyttes ytterligere i fremtiden. Oppsummert er det grunn til optimisme med tanke på rettidige translasjonsstudier for disse sykdommene. 

 

Konklusjoner 

Det nylige gjennombruddet innen genetikk til LOCA er identifiseringen av to nye repetisjonsforstyrrelser som står for et betydelig antall pasienter. Som påpekt av de intervjuede ekspertene, forventes det mer innsikt når det gjelder en bedre molekylær forståelse av disse to repetisjonsforstyrrelsene, men også for nye og absolutt også utover fenotypen til LOCA. Forskning på hvordan man kan oversette disse nye funnene til bedre behandlinger for berørte individer er allerede i gang. Dermed inkluderer de neste trinnene i dette raskt utviklende feltet: 1) søken etter nye repetisjonsforstyrrelser ved å inkludere underrepresenterte populasjoner og vurdere redusert penetrans, 2) ytterligere belyse det fenotypiske og genotypiske spekteret av RFC1- og FGF14-relaterte sykdommer, ta hensyn til sammensetningen av repetisjonsmotivene og andre varianter i disse og andre gener, og 3) oversettelse av funnene til forbedrede terapier. Riktignok er det menneskelige genomet med sine hundretusenvis av repetisjonssekvenser svært komplekst, og vi er fortsatt langt unna å forstå hele bildet, men fremtiden lover enda dypere innsikt. 

 

Referanser: 

1. van Gaalen J, van de Warrenburg BP. En praktisk tilnærming til sent debuterende cerebellar ataksi: å sette orden på lidelsen med mangel på orden. Pract Neurol 2012;12:14-24. 

2. Cortese A, Simone R, Sullivan R, et al. Biallelisk ekspansjon av en intronisk repetisjon i RFC1 er en vanlig årsak til sen ataksi. Nat Genet 2019;51:649-658. 

3. Rafehi ​​H, Szmulewicz DJ, Bennett MF, et al. Bioinformatikkbasert identifisering av utvidede repetisjoner: En ikke-referanse intronisk pentamerekspansjon i RFC1 forårsaker CANVAS. Am J Hum Genet 2019;105:151-165. 

4. Pellerin D, Danzi MC, Wilke C, et al. Dyp intronisk FGF14 GAA-repetisjonsekspansjon ved sent debuterende cerebellar ataksi. N Engl J Med 2023;388:128-141. 

5. Rafehi ​​H, Read J, Szmulewicz DJ, et al. En intronisk GAA-repetisjonsekspansjon i FGF14 forårsaker den autosomalt dominante ataksien med debut i voksen alder SCA50/ATX-FGF14. Am J Hum Genet 2023;110:105-119. 

6. Iruzubieta P, Pellerin D, Bergareche A, et al. Frekvens og fenotypisk spektrum av spinocerebellar ataksi 27B og andre genetiske ataksier i en spansk kohort av sent debuterende cerebellar ataksi. Eur J Neurol 2023. 

7. Bahlo M, Bennett MF, Degorski P, Tankard RM, Delatycki MB, Lockhart PJ. Nyere fremskritt innen deteksjon av repeterende ekspansjoner med kortlest neste generasjons sekvensering. F1000Res 2018;7. 

8. van Swieten JC, Brusse E, de Graaf BM, et al. En mutasjon i fibroblastvekstfaktor 14-genet er assosiert med autosomal dominant cerebellar ataksi [korrigert]. Am J Hum Genet 2003;72:191-199. 

9. Pellerin D, Gobbo GD, Couse M, et al. En vanlig flankerende variant er assosiert med forbedret meiotisk stabilitet av FGF14-SCA27B-locuset. bioRxiv 2023. 

10. Wilke C, Pellerin D, Mengel D, et al. GAA-FGF14 ataksi (SCA27B): fenotypisk profil, naturlig historieprogresjon og behandlingsrespons med 4-aminopyridin. Brain 2023;146:4144-4157.