Pathophysiological role of pyrroline-5-carboxylate synthase (P5CS) in cutis laxa with progeroid features
Final Report Abstract
Pathogene Varianten in ALDH18A1 sind ursächlich für unterschiedliche monogenen Erkrankungen. Das Gen kodiert für das mitochondrial lokalisierte Enzym Pyrrolin-5-Carboxylat Synthase (P5CS), involviert in die de novo Synthese der Aminosäure Prolin. Wir konnten zeigen, dass pathogene de dovo Varianten, die mit ADCL3 assoziiert sind, zu einer uniformen Verteilung des Proteins im mitochondrialen Netzwerk und zu einem Verlust von physiologischen "Akkumulationen" führen. Rezessive Funktionsverlustvarianten, die zu ARCL3A führen, sind für einen kompletten Verlust des Proteins verantwortlich. Bi-allelische Missense Veränderungen verhalten sich noch einmal anders und führen in der extremsten Form zu einer konstanten Lokalisation in diesen "Akkumulationen" und keinem nachweisbaren Protein im mitochondrialen Netzwerk. Durch die Nutzung eines stabilen Glutaminsäureisotops in vitro zeigte sich, dass abhängig von den zugrundeliegenden pathogenen Varianten unterschiedlich starke Beeinträchtigungen der Akkumulation von Isotopen Prolin zu beobachten sind. Dies reicht von extremen Effekten bei kompletten Funktionsverlustvarianten bis zu sehr subtilen Effekten bei bestimmten Missense-Varianten. Interessanterweise sind die Varianten mit den geringsten Effekten diese, die eine veränderte Lokalisation aufweisen. Bei den ADCL3-Patient:innen sind die Beeinträchtigungen durch unterschiedliche dominante Allele relativ gleichbleibend. Diese Daten unterstützen die Hypothese, dass unterschiedliche Varianten unterschiedliche Effekte auf die Funktion und Lokalisation des P5CS Enzyms haben und dadurch zu funktionellen Störungen der Prolinsynthese führen. Zur weiteren Aufklärung der mechanistischen Prozesse wurden zwei Mauslinien etabliert. Ein Funktionsverlust-Allel wurde erworben und es wurde zusätzlich mittels CRISPR/Cas 9 mono-allelisch die Veränderung p.(Arg138Trp) in murine embryonale Stammzellen inseriert. Die Zucht dieser Tiere gelang, führte aber bei dem Funktionsverlust-Allel zu keinen lebensfähigen Nachkommen mit einem homozygoten Genotyp. Die genomeditierten embryonalen Stammzellen wurden für tetraploide Aggregationen genutzt, um Nachkommen mit einem heterozygoten Genotyp zu erzeugen. Überraschenderweise führte jedoch die Aggregation von unterschiedlichen Klonen zu einer frühen embryonalen Letalität (nach Tag E13). Neben diesen Arbeiten wurden im Rahmen dieses Projektes weitere Exom-Sequenzierungen von Patient:innen mit progeroiden Phänotypen durchgeführt. Diese Arbeiten führten unter anderem zur Identifikation der genetischen Ursache des Fontaine progeroid syndrome (OMIM: 612289). Darüber hinaus konnten wir die Ursache eines progeroiden Phänotyps mit systemischer Lipodystrophy identifizieren. Des Weiteren fanden wir biallelische pathogene Varianten in NBAS, die in der frühen Kindheit ebenfalls einen progeroiden, der ARCL3 ähnlichen, Phänotyp verursachen können. Zusätzlich konnten in zwei Familien pathogene Varianten in ATP6V1A als Ursache einer schweren metabolischen Form von Cutis laxa identifiziert werden. Aufgrund der schweren Myopathie und der identifizierten mitochondrialen Auffälligkeiten dieser Patient:innen stellt sich die Frage, warum der Funktionsverlust einer V-ATPase-Untereinheit zu sekundären mitochondrialen Auffälligkeiten führt. Daher machen diese Erkenntnisse weitere Untersuchungen bzgl. eines Zusammenspiels zwischen dem Golgi-Apparat und den Mitochondrien notwendig.
Publications
- De Novo Mutations in SLC25A24 Cause a Craniosynostosis Syndrome with Hypertrichosis, Progeroid Appearance, and Mitochondrial Dysfunction. Am J Hum Genet 101 (2017) 833-843
N. Ehmke, L. Graul-Neumann, L. Smorag, R. Koenig, L. Segebrecht, P. Magoulas, F. Scaglia, E. Kilic, A.F. Hennig, N. Adolphs, N. Saha, B. Fauler, V.M. Kalscheuer, F. Hennig, J. Altmuller, C. Netzer, H. Thiele, P. Nurnberg, G. Yigit, M. Jager, J. Hecht, U. Kruger, T. Mielke, P.M. Krawitz, D. Horn, M. Schuelke, S. Mundlos, C.A. Bacino, P.E. Bonnen, B. Wollnik, B. Fischer-Zirnsak, U. Kornak
(See online at https://doi.org/10.1016/j.ajhg.2017.09.016) - SOPH syndrome in three affected individuals showing similarities with progeroid cutis laxa conditions in early infancy. J Hum Genet 64 (2019) 609-616
B. Fischer-Zirnsak, R. Koenig, F. Alisch, N. Gunes, I. Hausser, N. Saha, S. Beck-Woedl, T.B. Haack, C. Thiel, C. Kamrath, B. Tuysuz, S. Henning, S. Mundlos, K. Hoffmann, D. Horn, U. Kornak
(See online at https://doi.org/10.1038/s10038-019-0602-8) - Expanding the clinical and molecular spectrum of ATP6V1A related metabolic cutis. laxa J Inherit Metab Dis (2020)
G. Vogt, N. El Choubassi, A. Herczegfalvi, H. Kolbel, A. Lekaj, U. Schara, M. Holtgrewe, S. Krause, R. Horvath, M. Schuelke, C. Hubner, S. Mundlos, A. Roos, H. Lochmuller, V. Karcagi, U. Kornak, B. Fischer-Zirnsak
(See online at https://doi.org/10.1002/jimd.12341) - Alternative splicing of BUD13 determines the severity of a developmental disorder with lipodystrophy and progeroid features. Genetics in Medicine, Vol. 24. 2022, Issue 9, pp. 1927-1940.
Kornak U., Saha N., Keren B., Neumann A., Taylor Tavares A.L., Piard J., Kopp J., Rodrigues Alves J.G., Rodríguez de Los Santos M., El Choubassi N., Ehmke N., Jäger M, Spielmann M., Pantel J.T., Lejeune E., Fauler B., Mielke T., Hecht J., Meierhofer D., Strom T.M., Laugel V., Brice A., Mundlos S., Bertoli-Avella A., Bauer P., Heyd F., Boute O, Dupont J., Depienne C., Van Maldergem L., Fischer-Zirnsak B.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.gim.2022.05.004)
