Upptäckten av nya repeterande expansionsstörningar vid ataxi och därefter
Datum: November 2023
Utarbetad av SIC-medlemKatja Lohmann, fil.dr.
FörfattarnaMelanie Bahlo, PhD, AM, FAHMS; Mathilde Renaud, MD, PhD; Stephan Züchner, MD, PhD, FAAN
redaktörLorraine Kalia, läkare, doktor
Beskrivning
Sent debuterande cerebellär ataxi (LOCA) är en grupp neurodegenerativa sjukdomar som manifesterar sig med ett progressivt cerebellärt syndrom efter 30 års ålder och ofta är sporadiska (dvs. negativ familjehistoria). Fram tills nyligen har det funnits en otillfredsställande lucka i den genetiska diagnosen av patienter med LOCA.1 År 2019 nåddes dock en ny milstolpe inom området när bialleliska upprepningsexpansioner (främst involverande AAGGG-upprepningar) hittades i en intron i RFC1-genen, som kodar för Replication Factor C-subenheten. Sådana expansioner orsakar utan tvekan cerebellär ataxi-neuropati-vestibulärt areflexisyndrom (CANVAS) och andra typer av LOCA, ofta åtföljda av neuropati och/eller bilateral vestibulopati.2,3 En ytterligare spännande milstolpe uppnåddes ännu nyligen när två oberoende forskargrupper upptäckte upprepade GAA-expansioner i en intron av FGF14-genen, som kodar för Fibroblast Growth Factor 14, som en orsak till en annan LOCA-subtyp (SCA27B) med ett till synes bredare fenotypiskt spektrum.4,5 Dessa upptäckter relaterade till LOCA kastar nytt ljus över ataxiforskningen. För närvarande får mer än 20 % av patienter som tidigare diagnostiserats med idiopatisk LOCA en genetisk diagnos i vissa studier,4,6 vilket möjliggör genetisk rådgivning för familjemedlemmar. Innan dessa två gener med tidigare okända intronupprepningsexpansioner identifierades var många skeptiska till att det fortfarande fanns vanliga genetiska orsaker till LOCA att upptäcka. Även om det återstår att se hur dessa nya insikter kan omsättas i bättre behandlingar för patienter, är det spännande att se den nya utvecklingen inom ataxiens genetik.
Vilka ledtrådar ledde till identifieringen av de introniska upprepningsexpansionerna i RFC1 och FGF14?
Dr. Bahlo:
En mängd framsteg har skett under några år för att möjliggöra dessa upptäckter. Dessa inkluderade: 1) billigare helgenomsekvensering, vilket möjliggör sekvensering av flera individer från familjer, och nu i allt högre grad kohorter på hundratals eller till och med tusentals individer för upptäckt, och 2) utveckling av nya bioinformatiska verktyg som möjliggjorde upptäckten av upprepade expansioner i helgenom- (och exom-) sekvenseringsdata.7 För både RFC1 och FGF14 fanns det dock ytterligare ledtrådar som hjälpte till att göra dessa upptäckter. För RFC1-kopplad CANVAS hade stamtavlastudier tidigare lokaliserat den kausala varianten till en liten region av genomet, medan det för FGF14 fanns starka tidigare bevis eftersom små sekvensvarianter i FGF14 redan var kända för att orsaka en form av ataxi.8
Ataxi är en mycket heterogen grupp av sjukdomar, både kliniskt och genetiskt. För närvarande kan de introniska upprepningsexpansionerna i RFC1 och FGF14 inte detekteras med standardgenpaneler eller exomsekvensering, vilket kräver specifik testning. Finns det vissa kliniska egenskaper som gör att patienter kan flaggas för testning?
Dr. Renaud:
Kärnfenotypen av SCA27B (GAA-FGF14 ataxi) består av ett långsamt progressivt cerebellärt syndrom som kännetecknas av gångataxi och cerebellär okulomotorisk nedsättning. Medan de flesta patienter uppvisar gångostadighet vid sjukdomsdebut, rapporterar nästan hälften av patienterna episodiska symtom som vertigo och/eller yrsel, synstörningar (diplopi, oscillopsi, dimsyn) och dysartri. Episoder kan induceras av alkohol, fysisk aktivitet eller ibland koffein. Mer än hälften av patienterna med SCA27B uppvisar alkoholkänslighet, vilket kan utlösa episoder av ataxi eller dramatiskt förvärra baslinjeataxi. Nedsatt nystagmus, cerebellära okulomotoriska tecken, försämrad visuell fixering och undertryckande av den vestibulär-okulära reflexen, vertiginösa symtom och synstörningar förekommer ofta samtidigt vid sjukdomsdebut. Förutom cerebellär nedsättning kan vestibulär hypofunktion och afferent sensorisk defekt observeras vid SCA27B. Bilateral vestibulopati är möjlig med SCA27B men förblir relativt mild, medan den nästan alltid förekommer i RFC1-relaterad CANVAS och sjukdomsspektrum. Polyneuropati är inte ett kärnsymptom vid SCA27B, även om vissa patienter kan utveckla mild axonal sensorisk eller sensorimotorisk polyneuropati. Som jämförelse är motorisk neuropati vanligtvis mild eller frånvarande vid RFC1-relaterad CANVAS. Diagnosen av RFC1-relaterad CANVAS och sjukdomsspektrum är högst osannolik vid isolerad cerebellär ataxi utan sensorisk neuropati. Sjukdomsprogressionen vid SCA27B, med i genomsnitt 0.23–0.40 SARA-poäng per år, är betydligt långsammare än vid andra vanliga genetiska ataxier med sen debut, såsom SCA6 (0.80 SARA-poäng per år) och RFC1-relaterad CANVAS (1.30 SARA-poäng per år).
Tror du att det finns ytterligare upprepade expansionsstörningar att upptäcka?
Dr. Bahlo:
Ja, jag tror att det finns fler upprepade expansioner att upptäcka. Jag tror att det finns två huvudområden där det sannolikt finns "dolda" upprepade expansionsstörningar. För det första är upprepade expansioner händelser med låg mutationsfrekvens som ofta bara finns i specifika mänskliga populationer eller bland personer med specifika härkomst. Vissa mänskliga populationer är starkt underrepresenterade i våra genomsekvenseringsinsatser och är också underrepresenterade för upprepade expansionskompositioner. Det kommer att vara fruktbart att undersöka sådana populationer för nya upprepade expansioner. Det andra området är detektion av de mer utmanande att identifiera upprepade expansioner med "ofullständig penetrans", dvs. där det finns en ökad risk för sjukdom snarare än säkerhet att få sjukdomen. Upptäckten av dessa typer av upprepade expansioner kräver större kohorter och olika statistiska metoder. Upprepade expansioner i FGF14 är ett exempel på sådana varianter, men upprepningen är fortfarande mycket penetrerande.
Kan introniska upprepningsexpansioner också spela en roll i andra neurodegenerativa sjukdomar, såsom Parkinsons sjukdom?
Dr. Renaud:
Ja, det är tänkbart att introniska upprepningsexpansioner har en roll i andra neurodegenerativa sjukdomar, såsom Parkinsons sjukdom. Nya patogena introniska upprepningsexpansioner kommer sannolikt att upptäckas inom en snar framtid tack vare den utbredda implementeringen av long-read-sekvensering och avancerade bioinformatiska verktyg. Detaljerad djup fenotypning av patientkohorter är dock en viktig förutsättning för att öka chanserna att hitta nya patogena upprepningsexpansioner i neurodegenerativa sjukdomar.
Vad är känt om de funktionella konsekvenserna av de introniska upprepningsexpansionerna och det specifika motivets roll?
Dr. Züchner:
Vi har fortfarande bara börjat förstå de molekylära mekanismerna bakom RFC1- och FGF14-repetitionsstörningarna. De nya repetitionsexpansionerna i RFC1 och FGF14 är båda belägna inom den icke-kodande intronregionen och har ingen uppenbar inverkan på proteinsekvensen. Dessutom verkar avbrott i den repetitiva sekvensen vara skyddande. Det finns publicerade bevis för ett reducerat genuttryck som sannolikt är transkriptspecifikt.4 Det är också intressant att FGF14 inte uttrycks i stor utsträckning; därför är dess cellspecifika roller i vissa neuronpopulationer kärnan i verkningsmekanismen. Utöver dessa hypoteser om funktionsförlust kan det finnas andra mekanismer, såsom RAN (Repeat Associated Non-AUG)-translation, som faktiskt skulle leda till en toxisk funktionsförstärkning. Vi kan förvänta oss många intressanta funktionella studier av dessa gener och deras signalvägar under de kommande åren.
Rollen av de upprepade motiven är mycket uppskattad. Den bredare anpassningen av långtidssekvenseringsmetoder möjliggör dissekering av sammansättningen av mycket långa upprepade sträckor med utmärkt noggrannhet. Det visar sig att ett betydande spektrum av upprepade motiv, avbrott och periodicitet kan observeras i den allmänna befolkningen och hos patienter. Patogeniciteten hos vart och ett av dessa motiv studeras för närvarande intensivt och kommer att informera diagnostiska analyser. Slutligen, spännande nya fynd publicerade av Pellerin et al.9, indikerar att ett specifikt 17 bp sekvensmotiv beläget omedelbart 5' om FGF14 GAA-upprepningen bestämmer den meiotiska expansionsstabiliteten hos locus. Upptäckten av ett sådant robust prediktivt motiv är den första inom området upprepade expansioner.
Vilka är nästa steg för att ytterligare förbättra genetisk testning för patienter med ataxi?
Dr. Bahlo:
Vi behöver implementera vår nuvarande uppsättning bioinformatiska verktyg som mycket kraftfulla screeningsverktyg i kliniska och forskningskohorter. Exakt genotypning krävs inte för att dessa ska ha en betydande inverkan på kliniska pipelines där de kommer att upptäcka nuvarande missade upprepade expansioner. Detta kommer att leda till omdiagnoser för vissa patienter och ökade lösfrekvenser totalt sett. Flera stora kohortstudier med omfattande valideringsarbete med traditionella metoder har visat att metoderna är mycket känsliga och specifika, över 95 %, särskilt för de mindre upprepade expansionerna. Träffar bör sedan valideras med nuvarande, upprepade expansionsspecifika, guldstandardtester, såsom repeat-primed PCR och Southern blots. I framtiden kommer dessa analyser att ersättas av djup long-read-sekvensering, vilket redan visar sig vara effektivt för att karakterisera de alltmer heterogena komplexa motiv som hittats.
Hur kan dessa insikter omsättas i nya behandlingar?
Dr. Züchner:
Genspecifika behandlingar, såsom genredigering eller små molekyler riktade mot specifika upprepningsmotiv, kommer mycket snart att testas för RFC1- och FGF14-relaterade sjukdomar. För att vara effektiva är det viktigt att förstå om mekanismer för funktionsförlust och/eller funktionsförstärkning spelar in. Detta kommer mycket sannolikt att kräva välkarakteriserade djurmodeller för dessa sjukdomar, vilka vi arbetar med i vårt laboratorium och av andra. För FGF14 har en länge existerande behandling för episodisk ataxi, 4-aminopyridin, nyligen utforskats.10, och en större studie kommer eventuellt att följa. Det faktum att en kaliumkanalblockerare kan modifiera resultatet av FGF14-relaterad ataxi pekar på ett mekanistiskt samband som sannolikt kan utnyttjas ytterligare i framtiden. Sammanfattningsvis finns det anledning till optimism när det gäller aktuella translationella studier för dessa sjukdomar.
Slutsatser
Det senaste genombrottet inom genetiken för LOCA är identifieringen av två nya repetitiva expansionsstörningar som står för ett betydande antal patienter. Som de intervjuade experterna påpekat förväntas fler insikter i form av en bättre molekylär förståelse av dessa två repetitiva expansionsstörningar, men även för nya och definitivt även bortom LOCA:s fenotyp. Forskning om hur man kan omsätta dessa nya fynd till bättre behandlingar för drabbade individer är redan igång. Därför inkluderar nästa steg inom detta snabbt föränderliga område: 1) sökande efter nya repetitiva expansioner genom att inkludera underrepresenterade populationer och beakta minskad penetrans, 2) ytterligare belysande av det fenotypiska och genotypiska spektrumet av RFC1- och FGF14-relaterade sjukdomar med hänsyn till sammansättningen av repetitionsmotiven och andra varianter i dessa och andra gener, och 3) översättning av resultaten till förbättrade behandlingar. Visst är det mänskliga genomet med sina hundratusentals repetitionssekvenser mycket komplext, och vi är fortfarande långt ifrån att förstå hela bilden, men framtiden lovar ännu djupare insikter.
Referenser:
1. van Gaalen J, van de Warrenburg BP. En praktisk metod för sen debut av cerebellär ataxi: att sätta ordning på sjukdomen med bristande ordning. Pract Neurol 2012;12:14-24.
2. Cortese A, Simone R, Sullivan R, et al. Biallelisk expansion av en intronisk upprepning i RFC1 är en vanlig orsak till sen ataxi. Nat Genet 2019;51:649-658.
3. Rafehi H, Szmulewicz DJ, Bennett MF, et al. Bioinformatikbaserad identifiering av expanderade upprepningar: En icke-referensintronisk pentamerexpansion i RFC1 orsakar CANVAS. Am J Hum Genet 2019;105:151-165.
4. Pellerin D, Danzi MC, Wilke C, et al. Djup intronisk FGF14 GAA-upprepningsexpansion vid sen debut av cerebellär ataxi. N Engl J Med 2023;388:128-141.
5. Rafehi H, Read J, Szmulewicz DJ, et al. En intronisk GAA-upprepningsexpansion i FGF14 orsakar den autosomalt dominanta ataxi med debut i vuxen ålder SCA50/ATX-FGF14. Am J Hum Genet 2023;110:105-119.
6. Iruzubieta P, Pellerin D, Bergareche A, et al. Frekvens och fenotypiskt spektrum av spinocerebellär ataxi 27B och andra genetiska ataxier i en spansk kohort av sent debuterande cerebellär ataxi. Eur J Neurol 2023.
7. Bahlo M, Bennett MF, Degorski P, Tankard RM, Delatycki MB, Lockhart PJ. Nya framsteg inom detektion av upprepade expansioner med kortläst nästa generations sekvensering. F1000Res 2018;7.
8. van Swieten JC, Brusse E, de Graaf BM, et al. En mutation i fibroblasttillväxtfaktor 14-genen är associerad med autosomal dominant cerebellär ataxi [korrigerad]. Am J Hum Genet 2003;72:191-199.
9. Pellerin D, Gobbo GD, Couse M, et al. En vanlig flankerande variant är associerad med förbättrad meiotisk stabilitet hos FGF14-SCA27B-locuset. bioRxiv 2023.
10. Wilke C, Pellerin D, Mengel D, et al. GAA-FGF14 ataxi (SCA27B): fenotypisk profil, naturlig progression och behandlingssvar med 4-aminopyridin. Brain 2023;146:4144-4157.