Sequenzierung des ganzen Exoms von Patienten mit defekter neuronaler Migration

Dem Aufbau des menschlichen Gehirns liegt das Phänomen der neuronalen Migration zu Grunde. Jedes Neuron wird in den proliferativen Ventrikularzonen geboren, muss aber dann zu seiner endgültigen Position radial order tangential wandern. Wenn während dieser Migration Probleme auftreten, dann führt dies zu verheerenden Konsequenzen: Cortikale Missbildungen, die zusammen mit Epilepsie und/oder geistiger Behinderung auftreten. Lissenzephalie, Doppel-Cortex-Syndrom, periventrikuläre noduläre Heterotopie und Polymicrogyria sind alles Beispiele von Krankheiten, die durch defekte Migration entstehen. Zusätzlich zu diesen wird angenommen, dass fokale Cortex-Dysplasien (engl. Focal Cortical Dysplasias; FCDs) ebenso durch eine solche Störung entstehen. Traditionelle genetische Methoden konnten mehrere Gene identifizieren, die für neuronale Migrationsstörungen (engl. Neuronal Migration Disorders; NMDs) verantwortlich sind (e.g. DCX, LIS1, FLNA). Diese können aber bei weitem nicht alle Erkrankungen erklären. Die verbliebenen genetischen Ursachen zu identifizieren, stellte sich bisher problematisch dar, da die meisten, größeren Mendelschen Familien bereits analysiert wurden, und es nicht unüblich ist, dass Patienten an sporadischen Erkrankungen leiden. Darüber hinaus können auch nicht alle Erkrankungen mit den bereits gefundenen Genen erklärt werden. Nur 25% der sporadischen periventrikulären nodulären Hetertopien können durch Mutationen in FLNA erklärt werden, für 80% der Polymicrogyriaerkrankungen ist die gentische Ursache unklar und nur 5% der FCD-Fälle können durch genetische Defekte im tuberkulären Sklerose-Komplex erklärt werden. Die zentrale Hypothese dieses Forschungsprojekts beruht auf der Annahme, dass die Sequenzierung von ganzen Exomen (engl. Whole-Exome Sequencing) uns erlaubt, neuartige de novo-Mutationen in Genen zu finden, die NMDs verursachen. Weiters gehen wir davon aus, dass Typ-1 fokale Cortex-Dysplasien durch somatische Mutationen in bekannten oder unbekannten Genen entstehen, die in klonalen Zelllinien resultieren, die Defekte in neuronaler Migration aufweisen. Um diese Annahmen zu testen wird unser Team, bestehend aus klinischen und molekularen Genetikern, pädiatrischen Neurologen und Bioinformatikern, Folgendes tun: (1) Detaillierte, klinische Informationen und DNS- Proben von 100 Patienten mit NMDs zu und 30 mit Typ-1 FCDs sammeln;(2) das gesamte Exom von 20 Patienten- Eltern-Trios sequenzieren, bei denen das betroffene Individuum an einer sporadischen NMD leidet;(3) untersuchen, ob somatische genetische Mutationen Typ-1 FCDs verursachen können durch Whole-Exome Sequencing von erkranktem Gehirngewebe von 20 Patienten, die eine Epilepsie-Operation hinter sich haben; (4) bioinformatische und funktionelle Analyse von Genen durchführen, in denen de novo-Mutationen gefunden wurden, und (5) robuste Genotyp-Phänotyp-Korrelationen für diese neue Gene etablieren durch die Identifizierung und Charakterisierung zusätzlicher Patienten durch bereits existierende Netzwerke. Wir rechnen damit, zwei bis fünf neue Genen zu identifizieren, die NMDs verursachen. Unsere Entdeckungen werden sich in neuen genetischen Tests niederschlagen, die die genetische Diagnose erleichtern und den Eltern bei der Kinderplanung helfen können, und in neuen Erkenntnissen über die zu Grunde liegenden pathophysiologischen Mechanismen von NMDs. Langfristig bilden sie auch die Grundlage für die Entwicklung von Medikamenten und innovativen Therapieansätzen.

Neurologische Entwicklungsstörungen wie Autismus, Epilepsie und mentale Retardierung betreffen Millionen von Menschen. Dies führt, neben der dramatischen Beeinträchtigung in der Lebensqualität der Patienten, zu enormen sozioökonomischen Lasten. Sechs Millionen Bürger in Europa beispielsweise leiden an Epilepsie, mit jährlich 40000 neuen Fällen, was in Kosten von über mehr als 20 Milliarden Euros pro Jahr resultiert. Oben genannten Erkrankungen zugrunde liegen oftmals Störungen in der Proliferation, Migration und Reifung von Neuronen während früher Embryonalstadien als Folge genetischer Mutationen. Einige ursächliche Gene (z.B. DCX, LIS1, TUBA1A und FLNA) wurden dabei bereits identifiziert; in vielen Fällen ist die zugrundeliegende Mutation jedoch unbekannt. In der vorliegenden Studie haben wir DNA Proben von Patienten mit neurologischen Entwicklungsstörungen gesammelt, um ihre Gensequenzen mit der ihrer nicht-betroffenen, gesunden Eltern zu vergleichen. In Zusammenarbeit mit Forschern weltweit konnten wir dadurch eine Vielzahl von neuen Genen identifizieren, die mit der Migration und dem Überleben von Neuronen assoziiert sind und dabei Epilepsie und mentale Retardierung verursachen können. Die Liste dieser Gene beinhaltet unter anderem DENR, C6orf70, NEDD4L, TUBB5 und MAST1. Durch Versuche im Mausmodel waren wir in der Lage, die Mechanismen zu untersuchen, mit welchen Mutationen in den jeweiligen Genen zu unterschiedlichen Pathologien führen. Die Ergebnisse dieser Arbeit werden somit zur verbesserten Diagnostizierung von Patienten beitragen; des Weiteren legen sie auch den Grundstein für die Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze.