Klinisk och genetisk heterogenitet hos 15q13.3-mikrodeletionssyndromet

Abstract

Mikrodeletionen 15q13.3 är en återkommande CNV, som förmodligen förmedlas av NAHR mellan segmentala duplikationer i kromosom 15. 15q13.3-deletionen och duplikationen är förknippade med ett brett spektrum av kliniska manifestationer, såsom intellektuella brister, kramper, autism, språk- och utvecklingsförsening, neuropsykiatriska funktionsnedsättningar och beteendeproblem som illustrerar ofullständig penetrering och expressivitet. Denna studie omfattar en utvärdering av 106 symtomatiska patienter som bär på den heterozygota deletionen, samt av 21 patienter som bär på duplikationen, vilka har beskrivits i tidigare studier. Analysen visar på betydande heterogenitet när det gäller manifestationen av olika nyckelsymtom och familjär förekomst. Dessutom presenteras 8 nya patienter. Konvoluterade bekanta samband ger nya insikter om komplexiteten i symtommanifestationen. I tidigare studier har olika åsikter uttryckts om karaktären och den exakta placeringen av deletionsbrytpunkterna. Här visar vi att inte CHRNA7 och CHRFAM7A, utan snarare FAM7A eller GOLGA8, fungerar som brytpunktsregioner när det gäller våra patienter. Deletionen beskrivs som heterogen i storlek. Vi antar dock att inte bara olika brytpunkter utan även oprecisionen i aCGH-analysen på kromosom 15 på grund av segmentala duplikationer står för variationen i storlek.

© 2016 S. Karger AG, Basel

Mikrodeletionssyndromet 15q13.3 (OMIM 612002), som först beskrevs av Sharp et al. , är en återkommande CNV, som förmodligen förmedlas av NAHR mellan segmentala duplikationer (BP3-BP5, BP4-BP5) på kromosom 15. Deletionen och duplikationen på 15q13.3 är förknippade med ett stort antal neurologiska utvecklingsstörningar, t.ex. intellektuella brister, kramper, autism, språk- och utvecklingsförseningar, neuropsykiatriska funktionsnedsättningar och beteendeproblem med ofullständig penetrering och varierande uttrycksförmåga. Den typiska deletionen på 1,6 Mb innehåller 7 gener: ARHGAP11B, MTMR10, MTMR 15, TRPM1, KLF13, OTUD7A och CHRNA7. CHRNA7 kodar för den neuronala alfa7 nikotiniska acetylkolinreceptorn och betraktas därför som den viktigaste kandidatgenen som är ansvarig för de kliniska egenskaperna som uttrycks.

I den här studien beskriver vi 6 hittills opublicerade patienter som bär på den typiska 15q13.3-mikrodeletionen mellan BP4 och BP5, inklusive en familj med 4 drabbade medlemmar som beskrivs vidare nedan. Dessutom beskrivs 1 patient med en 15q13.3-duplikation och 1 patient som bär på en 3,4 Mb-deletion mellan BP3 och BP5.

För att förklara variationen av kliniska manifestationer och symtomens svårighetsgrad har vi dessutom gått igenom data från 106 symtomatiska patienter med heterozygot 15q13.3-deletion och 21 patienter med duplikationer som har rapporterats.

I de senaste studierna har det uppstått olika åsikter om karaktären och den exakta placeringen av deletionsbrottpunkterna. Vi undersökte brytpunktslokaliseringen med hjälp av FISH för att bekräfta i vilken utsträckning dessa alternativ visar sig stämma för våra patienter.

Metoder

DNA-extraktion och Array CGH

Perifera blodleukocyter användes som DNA-källa. Array-CGH-analysen utfördes med hjälp av en array slide Sure Print 4x180K (Agilent Technologies, Santa Clara, Calif., USA). Patient-DNA märktes med Cy3, referens-DNA med Cy5. Hybridisering utfördes med Cot-1 DNA (1,0 µg/ml). Test-DNA-proverna hybridiserades med könsmatchat referens-DNA (Agilent). Rening, hybridisering och tvättsteg utfördes enligt tillverkarens anvisningar. Sure Scan microarray Scanner G2600D (Agilent), Feature Extraction software (Agilent) och Agilent Cytogenomics Software Edition 2.0.6.0 användes.

FISH och Breakpoint Analysis

Slides med metafaser av odlade perifera lymfocyter hade förvarats vid -70°C. Före hybridisering behandlades objektglasen i en alkoholserie (70, 80 och 100 %), följt av pepsinbehandling (15 min, 37 °C). Fluorescensmärkta BACs (Illumina®, BlueFish) användes som FISH-prober. Provberedning, hybridisering och tvättsteg utfördes enligt Illuminas instruktioner.

BAC-prober som användes var RP11-11H9, 22 067 176-22 300 706, kr.15q11.2; RP11-40J8, 30 546 758-30 724 265, kr.15q13.2; RP11-348B17, 31 281 641-31 502 115, kr.15q13.2.q.13.3, RP11-265I17, 32 293 149-32 457 541, kr.15q13.3, RP11-280K19, 32 654 212-32 821 799, kr.15q13.3, och RP11-232J12, 53 792 861-53 948 902, kr.15q13.3.q21.3 (se fig. 1, hg19).

Resultat

Klinisk bedömning

Patienterna observerades initialt i samband med neuropediatrisk undersökning på grund av intellektuella brister och/eller utvecklingsförsening. I tabell 1 sammanfattas de cytogenetiska och kliniska fynden.

Beskrivning av patienterna

Patient 1 (III/1)

Den 13-åriga flickan presenterade sig med ADHD (Attention deficit hyperactivity disorder), intellektuella brister, utvecklingsförsening, återkommande luftvägsinfektioner och skolios. Hennes vikt och huvudomkrets (OFC) varierar runt den 10:e percentilen (P) respektive P90. Hon går i en specialskola. Hennes mamma (II/2, i fig. 2) gick också på en skola för specialundervisning och avslutade den med framgång. Båda föräldrarna har inte varit tillgängliga för ytterligare undersökningar. Patient 1 är halvsyster till patienterna 2 och 3 och kusin till patient 4.

Patient 2 (III/2)

Den kvinnliga patienten introducerades vid 9 års ålder och uppvisade utvecklings- och språkförsening samt intellektuella brister (K-ABC-test: IQ 63). Ett vaket EEG visade generella förändringar, men hittills har inga anfall inträffat. Hennes OFC ligger mellan P3 och P10, vikt och längd ligger inom normalområdet. ADHD behandlas med metylfenidat. Hon beskrivs som en glad men också aggressiv och impulsiv person och går i specialskola. Båda föräldrarna har inte varit tillgängliga för vidare utredning.

Patient 3 (III/3)

Den 10-åriga patienten diagnostiserades med en inlärningsstörning, som inte definierades närmare. Flickans kroppsmått uppvisar en stor variation i tiden. Fram till 2 års ålder var hennes OFC P<3, för närvarande är hennes vikt P97. Hon är överviktig, visar stereotypt beteende och går i specialskola.

Patient 4 (III/6)

Undersökningen av patienten (13 år gammal) visade på språklig och psykomotorisk fördröjning samt milda intellektuella brister (HAWIK-IV: SW 56). Påtagliga kännetecken är multipel dyslalia och ADHD, som behandlas med metylfenidat (10-15 mg/dag). Pojkens EEG är obeaktat, hans OFC är normalt, längd P90 och hans vikt P97. Patientens karaktär beskrivs som vänlig men ibland aggressiv och impulsiv. Han går i en skola för handikappade. Båda föräldrarna har gått i en specialskola. Hans far (II/5) är fängslad för misshandel. Hans två systrar (III/7, III/8) besöker också en specialskola, och hans halvbror (III/9) uppvisar en försening i utveckling och språk, men bär inte på deletionen. Patienten är kusin till patienterna 1, 2 och 3. Föräldrarna har inte varit tillgängliga för utredning.

Patient 5

Patienten (14 år) presenterade sig med onormalt socialt beteende och ADHD. På grund av hans dåliga skolprestationer och diskrepansen mellan hans intellektuella prestationer (HAMIK-IV, IQ 78) och familjens medelvärde inleddes en medicinsk undersökning. Efter ett epileptiskt anfall har han behandlats framgångsrikt med Orfiril®. ADHD behandlas med metylfenidat (5-10 mg/dag). Hans föräldrar har inte varit tillgängliga för utredning.

Patient 6

Som spädbarn uppvisade patient 6 utvecklings- och språkförseningar. Han visade tecken på hypotoni. Vid undersökningstillfället uppvisade den 19-åriga patienten intellektuella brister och ADHD. Behandlingen med metylfenidat avbröts efter att patienten börjat med högpresterande idrott, vilket visade sig vara en effektiv behandling av ADHD-symptomen. Hans mor är inte en deletionsbärare. Hans far har inte varit tillgänglig för utredning.

Patient 7

Patienten undersöktes vid 7 års ålder och visade på milda intellektuella brister (K-ABC-test, SW: 63). Hans kroppsmått ligger alla inom P10. Han beskrivs som rastlös och ouppmärksam. Han går i en specialskola. Hans föräldrar har inte varit tillgängliga för utredning.

Patient 8

Patienten föddes med ett hjärtfel (ventrikelseptumdefekt och förmaksseptumdefekt). Han uppvisar dysmorfiska drag som lågt sittande öron, hypertelorism, strabism och hypotoni. Hans psykomotoriska utveckling är försenad. Patientens längd och OFC vid födseln var P50, hans vikt var P10. Han ärvde duplikationen från sin far som uppvisar en oansenlig fenotyp. En farbror (på den maternella sidan) med epilepsi och malign hypertermi har rapporterats.

Brytpunktsanalys

I tidigare studier har heterogeniteten i deletionens storlek varit ett ämne av intresse. Shinawi et al. antog att FAM7A1/2 fungerade som brytpunkt, medan Szafranski et al. misstänkte att CHRNA7 och CHRFAM7A var ansvariga för den återkommande deletionen i lokus 15q13,3. Antonacci et al. föreslog genfamiljen GOLGA8 som möjliga kandidater. Man försökte validera dessa teorier med hjälp av FISH. Sonde 4 markerar CHRNA7, sond 5 markerar FAM7A, sond 2 markerar CHRFAM7A och sond 3 markerar en region distalt från CHRFAM7A (fig. 1). Hos våra patienter kan FAM7A påvisas i båda kromosomerna 15. Detta fynd tyder på att den distala brytpunkten är belägen mellan CHRNA7 och FAM7A. Analysen av patienterna 7 och 4 visar att den proximala brytpunkten ligger distalt från CHRFAM7A (fig. 3, 4). Hos patient 7 överbryggar sond 3 brytpunkten. Därför förmedlar CHRNA7 och CHRFAM7A inte den återkommande deletionen när det gäller våra patienter.

Utvärdering av symtomatiska patienter som beskrivits i tidigare studier

För patienter och studier se tabell 2 och online kompletterande material 1 (för allt online kompletterande material, se www.karger.com/doi/10.1159/000443343). Statistisk analys utfördes med hjälp av Fishers exakta test med hjälp av programvaran ”R”. Resultat med p < 0,05 bedömdes som signifikanta.

Diskussion

Familjen vi presenterar uppvisar intressanta egenskaper. Å ena sidan varierar graden av släktskap, å andra sidan skiljer sig även symtomen åt (fig. 2). Det finns dock inget påvisbart samband mellan graden av relation och symtom. Patienterna 2 och 3, som är systrar, är anmärkningsvärt olika. De varierar avsevärt i kroppsmått, karaktär och symtomens svårighetsgrad, trots att de utsätts för liknande miljöfaktorer och bär på samma deletionsstorlek. Därför måste andra genetiska faktorer påverka graden av kliniska manifestationer. En möjlig förklaring skulle kunna vara ett förändrat uttryck av hennes gener i arvsmassan, vilket kan ha olika effekter . Detta tillvägagångssätt har ytterligare bekräftats av Henrichsen et al. som har visat att CNV-regioner uttrycks på lägre och mer varierande nivåer och ändrar uttrycket av angränsande gener. Chaignat et al. konstaterade att CNV:er förändrar uttryckstidpunkten för gener under utvecklingen hos möss. Dessutom kan olika tidsmässiga uttrycksmönster hittas hos olika individer. Dessutom kan förändrat uttryck eller mutationer av olika gener som kodar för olika steg i samma neurobiologiska väg intensifiera neurologiska symtom. Poot et al. föreslår olika mekanismer som kan leda till fenotypisk pleiotropi av CNVs, till exempel interaktion mellan CNVs, genetisk epistas eller allelisk uteslutning.

Tre av fyra familjemedlemmar uppvisar ADHD; alla uppvisar utvecklingsförseningar. Eftersom ursprunget till ADHD uppenbarligen är multifaktoriellt är det inte förvånande att hitta en ackumulering i en familj. Anmärkningsvärt är att alla barn påverkas av deletionen. Särskilda genetiska familjekonstellationer kan möjligen öka sannolikheten för att symtomen ska uppträda. Dessutom kan den intrauterina miljön hos den mamma som bär på en deletion ha påverkat hennes barns fenotyp. Inga gemensamma CNV som korrelerar med förekomsten av symtom kunde dock identifieras, och ingen andra patogen CNV kunde identifieras hos någon av våra patienter.

Brytpunktsanalysen visar att den distala brytpunkten är placerad distalt till CHRNA7. Möjliga platser skulle vara inom genfamiljerna FAM7A eller GOLGA8, vilket redan har föreslagits, eller inom lokusets kontrollregioner . Den proximala brytpunkten ligger distalt från CHRFAM7A. Hos patienterna 1-4, som tillhör en och samma familj, skiljer sig de deletionsstorlekar som upptäcks av aCGH-analysprogramvaran åt. Dessa skillnader beror på luckor i fördelningsmönstret för oligonukleotiderna i aCGH inom och runt brytpunktsregionerna. Små förändringar i logförhållandet för marginellt belägna oligonukleotider resulterar i en betydande förskjutning av den deletionsstorlek som upptäcks av analysprogrammet. Den uppenbara skillnaden i storlek för den återkommande deletionen 15q13.3 är sannolikt en artefakt i behandlingsprogrammet. Vi antar att deletionen är identisk i storlek för alla familjemedlemmar (se online suppl. material 2).

Differenta CNV-studier har avslöjat ett samband mellan 15q13.3 med schizofreni, epilepsi och autism. Flera publikationer har publicerats med nya fall och teorier om brytpunkter och faktorer som förändrar symtomen. Man har försökt sammanföra denna information för att hitta nya samband.

Resultaten lämnar utrymme för spekulationer. Deletioner ärvs hos 80,88 procent. Maternal decent beskrivs oproportionerligt oftare för deletioner (54,41 %, p = 0,001) och duplikationer (53,33 %, p = 0,027).

En förklaring kan ges av Sinkus et al. .De studerade effekten av CHRNA7 promotorpolymorfismer, som sänker transkriptionsnivån med ∼25 % och påverkar kortisolnivån hos mor och barn. Barnets kortisolnivå sänks ytterligare om både mamman och barnet är polymorfismbärare. Effekten av den intrauterina omgivningen kan även påverka andra faktorer. OFC är lägre hos patienterna om deletionen ärvs av modern (P<25 hos 50 %, p = 0,002). Därför antar vi att om avvikelsen ärvs från modern kommer den intrauterina omgivningen att intensifiera symptomen. Eftersom vi endast inkluderade symtomgivande patienter i denna bedömning skulle detta förklara varför majoriteten av aberrationerna uppenbarligen är av moderligt ursprung (54 %, p = 0,001). I detta sammanhang är det slående att könsfördelningen av deletionen är jämn. Våra uppgifter bekräftar resultaten från Lowther et al. . I sin omfattande genomgång av 15q13.3-deletionen kombinerade de symtomatiska och asymtomatiska patienter. Eftersom vi endast inkluderade symtomatiska patienter är proportionerna av fördelningsmönster för egenskaperna likartade, men de relativa talen skiljer sig åt. När det gäller den ökade maternella anledningen till deletioner anger de en minskad reproduktionsförmåga hos män som en möjlig förklaring.

Deletionens storlek korrelerar inte konsekvent med graden av symtom. Om man till exempel jämför graden av intellektuella brister med storleken på deletionen visar sig inget linjärt samband. Patienter med den typiska deletionen på 1,6 Mb uppvisar oftare allvarliga brister än patienter med mindre eller större deletioner (41,07 %, p = 0,00045). Intellektuella brister rapporteras betydligt oftare hos patienter med deletioner än duplikationer (79,78 % och 55,56 %, p = 0,037). Som förväntat beskrivs normal intelligens oftast hos patienter med deletioner <1 Mb (45 %, p = 0,0037).

Deletioner med en storlek på 1-1,6 Mb är vanligast (63,21 %, p = 0,0002). Duplikationer <1 Mb (66,67 %, p = 0,0004) är vanligast beskrivna. När det gäller deletioner beskrivs intellektuella brister (79,78 %), språkstörning (75,34 %), en märkbar fenotyp hos föräldrarna (66,67 %) och beteendeproblem (63,64 %) mycket oftare än epilepsi (30,61 %) eller autism (27,71 %) (p = 0,02-3,931E-09). Om man jämför duplikationer och deletioner är duplikationer oftare förknippade med autism (p = 0,039) och föräldrarnas fenotyp är märkbart mindre frekvent (p = 0,027).

Epilepsi är signifikant förknippad med milda intellektuella brister (59,09 %, p = 0,0029). Språkstörning är associerad med intellektuella brister i 79,24 % av fallen (p = 0,003).

För att sammanfatta kan man säga att den kliniska fenotypen för mikrodeletion 15q13.3 är av multifaktoriellt ursprung. Även nära familjemedlemmar som utsatts för liknande miljöfaktorer skiljer sig avsevärt i sina kliniska manifestationer. Genetisk rådgivning i familjer med 15q13.3-mikrodeletioner eller särskilt mikroduplikationer förblir därför komplex och ibland otillräcklig. Ytterligare undersökningar av genetiska förändringar avseende den icke-delekterade allelen eller promotorregioner för drabbade gener kan vara mer lovande när det gäller att upptäcka påverkansfaktorer.

Acknowledgments

Författarna tackar Margot Fliegauf, Monika Heinkelein, Helga Heitzler och Claudia Ladwig i den cytogenetiska gruppen vid institutet för humangenetik i Freiburg för deras experimentella råd och hjälp. Vi tackar också Ekkehart Lausch, Elke Botzenhart, Susanne Munk-Schulenburg och Andreas Busche för patientvård. Vi är tacksamma mot patienterna och deras familjer för deras vänliga samarbete.

Etikförklaring

Författarna har inga etiska konflikter att redovisa.

Oppenbarhetsförklaring

Författarna har inga intressekonflikter att redovisa.

Le Pichon JB, Yu S, Kibiryeva N, Graf WD, Bittel DC: Genome-wide genexpression in a patient with 15q13.3 homozygous microdeletion syndrome. Eur J Hum Genet 21:1093-1099 (2013).

Externa resurser

• Pubmed/Medline (NLM)
• Crossref (DOI)

Lowther C, Costain G, Stavropoulos DJ, Melvin R, Silversides CK, et al: Delineating the 15q13.3 microdeletion phenotype: a case series and comprehensive review of the literature. Genet Med 17:149-157 (2015).

Externa resurser

• Pubmed/Medline (NLM)
• Crossref (DOI)

Mikhail FM, Lose EJ, Robin NH, Descartes MD, Rutledge KD, et al: Kliniskt relevant enskild gen eller intragenisk deletion som omfattar kritiska gener för neuroutveckling hos patienter med utvecklingsförsening, mental retardation och/eller autismspektrumstörning. Am J Med Genet A 155A:2386-2396 (2011).

Externa resurser

• Pubmed/Medline (NLM)
• Crossref (DOI)

Poot M, van der Smagt JJ, Brilstra EH, Bourgeron T: Disentangling the myriad genomics of complex disorders, specifically focusing on autism, epilepsy, and schizophrenia. Cytogenet Genome Res 135:228-240 (2011).

Externa resurser

• Pubmed/Medline (NLM)
• Crossref (DOI)

Sharp AJ, Mefford HC, Li K, Baker C, Skinner C, et al: A recurrent 15q13.3 microdeletion syndrome associated with mental retardation and seizures. Nat Genet 40:322-328 (2008).

Externa resurser

• Pubmed/Medline (NLM)
• Crossref (DOI)

Shinawi M, Schaaf CP, Bhatt SS, Xia Z, Patel A, et al: En liten återkommande deletion inom 15q13.3 är förknippad med en rad olika neurologiska fenotyper. Nat Genet 41:1269-1271 (2009).

Externa resurser

• Pubmed/Medline (NLM)
• Crossref (DOI)

Sinkus ML, Wamboldt MZ, Barton A, Fingerlin TE, Laudenslager ML, Leonard S: The α7 nicotinic acetylcholin receptor and the acute stress response: maternal genotype determines offspring phenotype. Physiol Behav 104:321-326 (2011).

Externa resurser

• Pubmed/Medline (NLM)
• Crossref (DOI)

Szafranski P, Schaaf CP, Person RE, Gibson IB, Xia Z, et al: Structures and molecular mechanisms for common 15q13.3 microduplications involving CHRNA7: benign or pathological? Hum Mutat 31:840-850 (2010).

Externa resurser

• Pubmed/Medline (NLM)
• Crossref (DOI)

Author Contacts

Artikel- och publikationsuppgifter

Copyright / Läkemedelsdosering / Ansvarsfriskrivning

Copyright: Alla rättigheter förbehållna. Ingen del av denna publikation får översättas till andra språk, reproduceras eller utnyttjas i någon form eller på något sätt, elektroniskt eller mekaniskt, inklusive fotokopiering, inspelning, mikrokopiering eller genom något informationslagrings- och informationssökningssystem, utan skriftligt tillstånd från utgivaren.
Läkemedelsdosering: Författarna och förlaget har gjort sitt yttersta för att säkerställa att det val av läkemedel och den dosering som anges i denna text överensstämmer med aktuella rekommendationer och praxis vid tidpunkten för publiceringen. Med tanke på pågående forskning, förändringar i statliga bestämmelser och det ständiga flödet av information om läkemedelsbehandling och läkemedelsreaktioner uppmanas läsaren dock att kontrollera bipacksedeln för varje läkemedel för eventuella förändringar i indikationer och dosering och för tillagda varningar och försiktighetsåtgärder. Detta är särskilt viktigt när det rekommenderade medlet är ett nytt och/eller sällan använt läkemedel.
Disclaimer: Uttalandena, åsikterna och uppgifterna i denna publikation är enbart de enskilda författarnas och bidragsgivarnas och inte utgivarnas och redaktörernas. Förekomsten av annonser eller/och produktreferenser i publikationen är inte en garanti, ett stöd eller ett godkännande av de produkter eller tjänster som annonseras eller av deras effektivitet, kvalitet eller säkerhet. Utgivaren och redaktören/redaktörerna frånsäger sig ansvar för eventuella skador på personer eller egendom till följd av idéer, metoder, instruktioner eller produkter som det hänvisas till i innehållet eller annonser.