Εφαρμογή μεθοδολογιών αλληλούχησης επόμενης γενιάς (NGS) στη διάγνωση γενετικών ενδοκρινολογικών νοσημάτων

Abstract

Introduction: A large number of endocrinological disorders have genetic etiology. Τhe application of hitherto widely used conventional techniques of Molecular Biology (e.g. Sanger sequencing) fails to clarify in many cases the genetic defect. This weakness is covered by Next Generation Sequencing (NGS), which allows the parallel and massive sequencing of many genes in many patients simultaneously in a single assay. Typical examples of endocrinological diseases whose identification of molecular disorder is not always feasible by conventional methods are the Monogenic Diabetes Mellitus MODY, the Congenital Hyperinsulinism (CHI), the Combined Pituitary Hormone Deficiency (CPHD), and the Disorders of Sex Development (DSD). Patients with MODY and CHI have impaired insulin secretion from the beta cells of the islets of Langerhans of the pancreas. In particular, patients with MODY have reduced insulin secretion and hence hyperglycemia, whereas patients with CHI have increased insulin secretion, disproportionate to circulating blood glucose levels, and consequently hypoglycemia. Patients with CPHD may have anatomical pituitary abnormalities and facial malformations, as well as at least two pituitary hormone deficiencies, while patients with DSD may have abnormalities in sex determination and differentiation, resulting in newborns with ambiguous genitalia. The identification of molecular defect is of outmost importance, not only for the identification of the pathogenic variants of the responsible for the above disorders genes, but also for the phenotype-genotype correlation, for the treatment, the prognosis and the recognition of the accompanying features as well as providing genetic counseling to the patient and his/her family. In addition, the identification of molecular defect is important for the treatment of the newborn with DSD, as it can determine the decision on the sex of the child, a decision with significant impact on psychosocial adjustment and future quality of his/her life. Objective: The aim of the present thesis was to identify the molecular defects by employing the methodology of next generation sequencing (Targeted Gene Panel, TGP or Whole Exome Sequencing, WES) in patients with genetic endocrinological disorders, in which the used techniques of molecular analysis have failed to detect the molecular defect. Specifically, the genetic defect of 50 patients with MODY, 17 patients with CHI, 2 patients with CPHD and 2 patients with DSD was investigated.Patients and Methods: Fifty patients with MODY were screened for the detection of pathogenic variants in a group of 7 MODY genes (GCK, HNF1A, HNF4A, HNF1B, INS, ABCC8 and KCNJ11). Seventeen patients with CHI were screened for the detection of pathogenic variants in the above gene group, many of which have been linked also to CHI, and additionally in 5 CHI genes (GLUD1, HADH, INSR, SLC16A1, TRMT10A). Patients with MODY or CHI, in whom did not detect pathogenic variants employing NGS methodology, were screened for deletions and duplications of GCK, HNF1A, HNF4A, HNF1B and ABCC8 genes employing MLPA (Multiplex Ligation-dependent Probe). In addition, the genetically undiagnosed patients with CHI were also tested for the pathogenic intronic variants c.1333-1013A>G of the ABCC8 gene and c.636+471G>T of the HADH gene employing Sanger sequencing. In the present thesis, the frequency of the p.S385C variant of the KCNJ11 gene in the Greek population was also investigated. In order to detect pathogenic variants responsible for the phenotype characteristics of 2 patients with CPHD and 2 patients with DSD were used WES. All pathogenic variants detected employing the NGS methodology were confirmed by Sanger sequencing. Results: The 28% (14/50) of MODY patients carried pathogenic variants of the ABCC8 (8%, 4/50), GCK (8%, 4/50), HNF1A (6%, 3/50), HNF1B (4%, 2/50) and HNF4A (2%, 1/50) genes, while the 6% (3/50) of the patients carried variants of uncertain significance of the ABCC8 gene. No pathogenic variants were detected in the KCNJ11 and INS genes. Five novel pathogenic variants were identified: p.C371X of the GCK gene, p.N402Y of the HNF1A gene, p.E285K of the HNF4A gene, p.M1514T and p.S1386F of the ABCC8 gene. In addition, 2 unrelated patients with MODY carried de novo heterozygous deletion of the whole HNF1B gene. The 23.5% (4/17) of patients with CHI carried pathogenic variants of the ABCC8 (11.8%, 2/17), GCK (5.9%, 1/17) and HNF4A (5.9%, 1/17) genes, whereas the 11.8% (2/17) of the patients with CHI carried variants of uncertain significance of the KCNJ11, INSR and HNF4A genes. Three novel pathogenic variants were detected: p.V71A of the GCK gene, p.R333P of the HNF4A gene and p.I445Sfs * 5 of the ABCC8 gene. The frequency of p.S385C variant of the KCNJ11 gene in the Greek population was found to be polymorphism (1.35% > 1%). The application of WES in 2 patients with CPHD revealed pathogenic variants of the HS6ST1, IL17RD and SOX9 (novel variant) genes in the first patient and pathogenic variants of the BMP4, GNRH1 and SRA1 genes in the second patient, which are probably responsible for some of their clinical characteristics. Moreover, the application of WES in 2 patients with DSD unveiled pathogenic variants of the TACR3, WNT7A genes and SAMD9 (de novo variant), PMM2, ACTN4 genes respectively, which are probably responsible for their clinical characteristics. Conclusions: The application of the NGS methodology provided genetic diagnosis in 28% of patients with MODY and 23.5% of patients with CHI, allowed the identification of 5 novel pathogenic variants in patients with MODY and 3 in patients with CHI. It has also revealed that pathogenic variants of the ABCC8 gene detected in patients with MODY were equal to the pathogenic variants of the GCK gene detected in the same MODY cohort. In addition, the application of WES in previously undiagnosed patients with CPHD and patients with DSD, unveiled several variants which are probably responsible for their clinical features. It is concluded that the application of the NGS methodology provides rapid results, increases diagnostic accuracy and is more cost-effective than Sanger sequencing. Therefore, the NGS methodology constitues a useful and powerful tool for the diagnosis of genetic endocrinological disorders.

Εισαγωγή: Μεγάλος αριθμός ενδοκρινολογικών νοσημάτων έχει γενετική αιτιολογία. Η εφαρμογή των μέχρι σήμερα ευρέως χρησιμοποιούμενων συμβατικών τεχνικών της Μοριακής Βιολογίας (π.χ. αλληλούχηση κατά Sanger) αδυνατεί να αποσαφηνίσει σε πολλές περιπτώσεις την γενετική διαταραχή. Την αδυναμία αυτή καλύπτει η αλληλούχηση επόμενης γενιάς (Next Generation Sequencing, NGS), η οποία επιτρέπει την παράλληλη και μαζική αλληλούχηση πολλών γονιδίων σε πολλούς ασθενείς ταυτόχρονα σε μια μόνο δοκιμασία. Χαρακτηριστικά παραδείγματα ενδοκρινολογικών νοσημάτων, των οποίων η αναγνώριση της μοριακής διαταραχής δεν είναι πάντα εφικτή με τις συμβατικές μεθόδους, αποτελούν ο Μονογονιδιακός Σακχαρώδης Διαβήτης (ΜΣΔ) MODY, ο Συγγενής Υπερινσουλινισμός (ΣΥ), η Πολλαπλή Υποφυσιακή Ανεπάρκεια (ΠΥΑ) και οι Διαταραχές Διαφοροποίησης του Φύλου (ΔΔΦ). Ασθενείς με ΜΣΔ MODY και ΣΥ παρουσιάζουν διαταραχές στην έκκριση της ινσουλίνης από τα β-κύτταρα των νησιδίων Langerhans του παγκρέατος. Συγκεκριμένα, ασθενείς με ΜΣΔ MODY παρουσιάζουν μειωμένη έκκριση ινσουλίνης και κατά συνέπεια υπεργλυκαιμία, ενώ ασθενείς με ΣΥ παρουσιάζουν αυξημένη έκκριση ινσουλίνης, δυσανάλογη προς τα κυκλοφορούντα επίπεδα γλυκόζης στο αίμα, και κατά συνέπεια υπογλυκαιμία. Ασθενείς με ΠΥΑ μπορεί να παρουσιάζουν ανατομικές ανωμαλίες της υπόφυσης και δυσμορφίες του προσώπου, καθώς και ανεπάρκεια τουλάχιστον δύο ορμονών της υπόφυσης, ενώ ασθενείς με ΔΔΦ παρουσιάζουν διαταραχές στον εμβρυολογικό καθορισμό και στην διαφοροποίηση του χρωμοσωμικού, γοναδικού και ανατομικού φύλου, με αποτέλεσμα την γέννηση νεογνών με αμφίβολα ή ασαφή έξω γεννητικά όργανα. Η μοριακή ταυτοποίηση της διαταραχής είναι θεμελιώδους σημασίας, όχι μόνο για την αναγνώριση των παθολογικών παραλλαγών των γονιδίων, τα οποία ευθύνονται για τα παραπάνω νοσήματα, αλλά και για τον συσχετισμό φαινότυπου-γονότυπου, για τη θεραπεία, την πρόγνωση και την αναγνώριση συνοδών χαρακτηριστικών της νόσου καθώς και για την παροχή γενετικής συμβουλευτικής στον ασθενή και στην οικογένεια του. Επιπλέον, προϋπόθεση για την ορθολογική αντιμετώπιση του νεογνού με ΔΔΦ αποτελεί η ταυτοποίηση της μοριακής βλάβης, η οποία μπορεί να καθορίσει την απόφαση για το φύλο του παιδιού, απόφαση με σημαντικές συνέπειες στην ψυχοκοινωνική προσαρμογή και τη μελλοντική ποιότητα της ζωής του. Σκοπός: Ο σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η αποσαφήνιση της μοριακής διαταραχής, ασθενών με γενετικά ενδοκρινολογικά νοσήματα, στους οποίους οι μέχρι σήμερα χρησιμοποιούμενες τεχνικές μοριακής ανάλυσης απέτυχαν να εντοπίσουν την μοριακή βλάβη, με την εφαρμογή μεθοδολογιών αλληλούχησης επόμενης γενιάς (Next Generation Sequencing Targeted Gene Panel, NGS TGP και Whole Exome Sequencing, WES). Συγκεκριμένα, διερευνήθηκε η γενετική αιτία 50 ασθενών με MODY, 17 ασθενών με ΣΥ, 2 ασθενών με ΠΥΑ και 2 ασθενών με ΔΔΦ. Ασθενείς και Μέθοδοι: Πενήντα ασθενείς με MODY ελέγχθηκαν για την παρουσία παθολογικών παραλλαγών σε μια ομάδα 7 γονιδίων (GCK, HNF1A, HNF4A, HNF1B, INS, ABCC8 και KCNJ11), τα οποία είναι γνωστό ότι συνδέονται με τον ΜΣΔ MODY. Δεκαεπτά ασθενείς με ΣΥ ελέγχθηκαν για την παρουσία παθολογικών παραλλαγών στην παραπάνω ομάδα γονιδίων, πολλά από τα οποία έχουν συνδεθεί με το ΣΥ αλλά και σε ακόμα 5 γονίδια (GLUD1, HADH, INSR, SLC16A1, TRMT10A), τα οποία επίσης σχετίζονται με τον ΣΥ. Οι ασθενείς με MODY ή ΣΥ, στους οποίους δεν ανιχνεύθηκε παθολογική παραλλαγή με την μεθοδολογία του NGS, ελέγχθηκαν για απαλείψεις και διπλασιασμούς των γονιδίων GCK, HNF1A, HNF4A, HNF1B και ABCC8 με την μέθοδο του MLPA (Multiplex Ligation-dependent Probe Amplification). Επιπλέον, οι ασθενείς με ΣΥ στους οποίους δεν ανιχνεύθηκε παθολογική παραλλαγή με την μεθοδολογία του NGS, ελέγχθηκαν και για την παρουσία των παθολογικών ιντρονικών παραλλαγών c.1333-1013A>G του γονιδίου ABCC8 και c.636+471G>T του γονιδίου HADH με την αλληλούχηση κατά Sanger. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας, ακόμη, διερευνήθηκε η συχνότητα της παραλλαγής p.S385C του γονιδίου KCNJ11 στον Ελληνικό πληθυσμό. Με τη μέθοδο WES ελέγχθηκαν 2 ασθενείς με ΠΥΑ και 2 ασθενείς με ΔΔΦ, με σκοπό την ανίχνευση παθολογικών παραλλαγών που ευθύνονται για το φαινότυπό τους. Όλες οι παθολογικές παραλλαγές που ανιχνεύθηκαν με την μεθοδολογία του NGS, επιβεβαιώθηκαν με την αλληλούχηση κατά Sanger. Αποτελέσματα: Στο 28% (14/50) των ασθενών με MODY ανιχνεύθηκαν παθολογικές παραλλαγές των γονιδίων ABCC8 (8%, 4/50), GCK (8%, 4/50), HNF1A (6%, 3/50), HNF1B (4%, 2/50) και HNF4A (2%, 1/50). Στο 6% (3/50) βρέθηκαν αβέβαιης σημασίας παραλλαγές του γονιδίου ABCC8. Καμία παθολογική παραλλαγή δεν ανιχνεύθηκε στα γονίδια KCNJ11 και INS. Πέντε νέες παθολογικές παραλλαγές ανιχνεύθηκαν: η p.C371X του γονιδίου GCK, η p.N402Y του γονιδίου HNF1A, η p.E285K του γονιδίου HNF4A, η p.M1514T και η p.S1386F του γονιδίου ABCC8. Ακόμη, 2 ασθενείς με MODY έφεραν εκ νέου απάλειψη ολόκληρου του γονιδίου HNF1Β. Στο 23.5% (4/17) των ασθενών με ΣΥ ανιχνεύθηκαν παθολογικές παραλλαγές των γονιδίων ABCC8 (11.8%, 2/17), GCK (5.9%, 1/17) και HNF4A (5.9%, 1/17), ενώ στο 11.8% (2/17) των ασθενών με ΣΥ βρέθηκαν αβέβαιης σημασίας παραλλαγές των γονιδίων KCNJ11, INSR και HNF4A. Τρεις νέες παθολογικές παραλλαγές ανιχνεύθηκαν: η p.V71A του γονιδίου GCK, η p.R333P του γονιδίου HNF4A και η p.I445Sfs*5 του γονιδίου ABCC8. Η συχνότητα της παραλλαγής p.S385C του γονιδίου KCNJ11 στον Ελληνικό πληθυσμό βρέθηκε να είναι 1.35% (>1%), δηλαδή πολυμορφισμός. Με την εφαρμογή του WES στους 2 ασθενείς με ΠΥΑ ανιχνεύθηκαν παθολογικές παραλλαγές των γονιδίων HS6ST1, IL17RD, SOX9 (νέα παραλλαγή) και ΒΜΡ4, GNRH1, SRA1 αντίστοιχα, οι οποίες πιθανώς ευθύνονται για κάποια από τα κλινικά χαρακτηριστικά που παρουσιάζουν, ενώ στους 2 ασθενείς με ΔΔΦ ανιχνεύθηκαν παθολογικές παραλλαγές των γονιδίων TACR3, WNT7A και SAMD9 (εκ νέου παραλλαγή), PMM2, ACTN4 αντίστοιχα, οι οποίες πιθανώς ευθύνονται για τα κλινικά χαρακτηριστικά που παρουσιάζουν. Συμπεράσματα: Η εφαρμογή της μεθοδολογίας του NGS προσέφερε γενετική διάγνωση στο 28% των ασθενών με MODY και στο 23.5% των ασθενών με ΣΥ, επέτρεψε την ταυτοποίηση 5 νέων παθολογικών παραλλαγών σε ασθενείς με MODY και 3 σε ασθενείς με ΣΥ και αποκάλυψε ότι οι παθολογικές παραλλαγές του γονιδίου ABCC8 στους ασθενείς με MODY ήταν ισάριθμες με τις παθολογικές παραλλαγές του γονιδίου GCK των ασθενών με MODY. Επιπλέον, με την εφαρμογή του WES στους προηγουμένως αδιάγνωστους ασθενείς με ΠΥΑ και στους ασθενείς με ΔΔΦ ανιχνεύθηκαν αρκετές παραλλαγές, οι οποίες ευθύνονται για τα κλινικά χαρακτηριστικά τους. Συμπεραίνεται ότι η εφαρμογή της μεθοδολογίας του NGS προσφέρει γρήγορα αποτελέσματα, αυξάνει την διαγνωστική ακρίβεια και είναι πιο οικονομική σε σύγκριση με την αλληλούχηση κατά Sanger. Συνεπώς, η μεθοδολογία του NGS αποτελεί ένα χρήσιμο εργαλείο για τη διάγνωση γενετικών ενδοκρινολογικών νοσημάτων.