Identification and characterization of the candidate genes FAR1, EDC3, FRRS1L and HMG20A in individuals with autosomal recessive intellectual disability

Abstract

Mentale Retardierung (MR) stellt mit einer Frequenz von etwa 2-3% der Bevölkerung ein großes und dennoch oft ungelöstes Gesundheitsproblem dar. In dieser Arbeit habe ich mittels positioneller Kartierung und massiv-paralleler Sequenzierung 16 große konsanguine Familien mit mehreren Betroffenen auf die genetischen Ursachen der MR hin untersucht. Identifizierte Kandidatenmutationen habe ich daraufhin funktionell weiter charakterisiert, um die Pathoge-nese weiter zu klären. Auf diese Weise konnten 3 Mutationen in bereits bekannten Genen (C12orf65, ALDH5A1, GPR56) für mentale Retardierung identifiziert und als ursächlich bestätigt werden. Dieses Ergebnis unterstützt die Anwendung von massiv-paralleler Sequenzierung in der genetischen Diagnostik, denn die gestellten Diagnosen konnten aufgrund unspezifischer Ausprägung des Krankheitsbildes nicht differential-diagnostisch in Erwägung gezogen werden. In einer Familie mit schwerer mentaler Retardierung, Epilepsie und Katarakten konnte eine Mutation in FAR1 identifiziert werden, dessen Genprodukt eine Funktion in der Plasmalogen-synthese hat. Nachfolgende in vitro Analysen zeigten eine starke Einschränkung der Enzym-aktivität durch die Mutation. Die Identifikation eines weiteren Patienten mit ähnlichem Krankheitsbild und compound heterozygoten Mutationen in FAR1 bestätigte FAR1 als ursächlich für die neu etablierte peroxisomale FAR1 Funktionsstörung. In einer weiteren Familie mit nicht-spezifischer MR konnte eine homozygote missense Muta-tion in EDC3 identifiziert werden. EDC3 ist ein enhancer des RNA decappings und in vitro Decapping-Assays zeigten eine starke Einschränkung der Decapping-Aktivität, vermutlich aufgrund von einer verringerten Domänen-Stabilität durch die identifizierte Veränderung. Eine Transkriptomanalyse von Patientenzellen zeigte weiterhin eine signifikante Veränderung der RNA Expression von Zielgenen. In einer weiteren Familie mit schwerer mentaler Retardierung wurde eine homozygote Muta-tion in FRRS1L identifiziert. FRRS1L ist Teil des AMPA-Rezeptors und spielt somit eine prominente Rolle in der synaptischen Plastizität. Die Identifikation von 2 weiteren Familien mit ähnlichem Krankheitsbild und missense bzw. trunkierenden Mutationen in FRRS1L unter-stützt FRRS1L als ein weiteres MR-Gen. Eine Kandidatenmutation in HMG20A wurde in einer weiteren Familie identifiziert. HMG20A spielt eine Rolle in der Genregulation insbesondere von neuronalen Genen. Funkti-onelle Analysen ergaben eine Veränderung der Expression von Zielgenen durch die identifi-zierte Variante, welche jedoch nicht signifikant war. Daher konnte die Variante in diesem Gen nicht als ursächlich bestätigt, jedoch auch nicht ausgeschlossen werden. Insgesamt konnten im Rahmen dieser Arbeit die genetischen Grundlagen der mentalen Retar-dierung in 6 Familien gelöst werden und dabei 3 neue MR-Gene identifiziert und weiter cha-rakterisiert werden.Intellectual disability (ID) has a frequency of 2-3% of the population and thus poses huge and still often unresolved health problem. In the course of this thesis I have examined the causes of intellectual disability in 16 large consanguineous families with several affected individuals using autozygositiy mapping and whole exome sequencing. Then I characterized the identified candidate mutations in more detail to establish their impact on the pathogenesis. With this approach 3 mutations in previously reported genes involved in ID (C12orf65, ALDH5A1, GPR56) were identified and confirmed as disease causing mutations. This result supports the use of massive parallel sequencing in genetic diagnostics, since these diagnoses could not have been suspected by the clinical appearance. In one family with profound intellectual disability, epilepsy and cataracts a mutation in FAR1, which has a function in plasmalogen synthesis, could be identified. Following in vitro analysis of the mutation showed a strong impact on enzyme activity. The identification of another in-dividual with a similar phenotype and compound heterozygous mutations in FAR1 confirmed FAR1 as causative for the newly established peroxisomal FAR1 deficiency disorder. In a further family with non-specific ID a homozygous missense mutation in EDC3 could be identified. EDC3 is an enhancer of mRNA decapping and in decapping assays we could show a strong impairment of the decapping activity likely due to decreased domain stability. Whole-transcriptome sequencing of patient cells in comparison to unaffected family members showed a significant change in RNA levels of target genes. In another family with profound intellectual disability a homozygous mutation in FRRS1L was identified. FRRS1L is part of the AMPA receptor and thus plays a prominent role in syn-aptic plasticity. The identification of 2 further families with a similar phenotype and loss-of function or missense mutations in FRRS1L supports FRRS1L as a good candidate gene for ID. A candidate mutation in HMG20A was identified in a further family. HMG20A plays a role in gene regulation of especially neuronal genes and functional studies showed a slight, yet not significant change in expression levels of target genes by the identified variant. Thus, this variant could not be confirmed as causative, but could not be excluded either. In total the genetic causes of intellectual disability could be solved in 6 families during this project and 3 new ID-genes were identified and further characterized