Molecular and functional characterization of mutations in SPG4 and SPG7 gene

Die hereditären spastischen Paraplegien (HSP), auch hereditäre spastische Spinalparalysen oder spastische Paraplegien (SPG) genannt, stellen eine sehr heterogene Gruppe von Erkrankungen mit autosomal dominantem (70-80%), autosomal rezessivem (15-20%) oder X-chromosomal rezessivem Erbgang dar. Bis zum jetzigen Zeitpunkt konnten über 40 Loci bzw. 17 Gene für die Erkrankung identifiziert worden. Im Rahmen dieser kumulativen Doktorarbeit werden 3 Publikationen zum Thema HSP vorgestellt. In der ersten Publikation werden die Ergebnisse unserer molekulargenetischen Untersuchungen bei Patienten mit Mutationen im SPG4-Gen dargestellt (Shoukier et al. 2009). Ziel der Studie war die Erweiterung des Mutationsspektrums und die Etablierung einer aussagekräftigen Genotyp-Phänotyp-Korrelation. Weitere Ziele der Studie waren, eine mögliche mutation-cluster-region im SPG4-Gen zu identifizieren und den strukturellen und funktionellen Effekt der Missense-Mutationen in der AAA-Domäne au! f Proteinebene zu ermitteln. In der zweiten Arbeit (Klimpe et al. 2010) werden die Ergebnisse einer funktionellen Evaluation ausgewählter Splice-site-Mutationen im SPG4-Gen beschrieben. Mithilfe eines quantitativen Allel-spezifischen Expressionsassays gelang der Nachweis eines threshold-effect-models für die HSP4. Der threshold effect bedeutet, dass die Symptome der Erkrankung erst dann bei den Patienten auftreten, wenn der Prozentsatz des Wildtyp-Spastins (Wt-Spastin) unter einem Schwellenwert liegt. Das SPG7-Gen kodiert für das Protein Paraplegin, welches als eine Untereinheit der hetero-oligomeric-mAAA-Protease in den Mitochondrien fungiert. In der Hefe besteht die mAAA Protease aus den zwei Untereinheiten Yta10 und Yta12, und diese Protease ist essenziell für die Aufrechterhaltung der respiratorischen Aktivität (Arlt et al. 1998). In der dritten Publikation (Bonn et al. 2010) wird ein Hefe-Komplementations-Assay für den Nachweis der Pathogenität verschiedener Veränderungen im SPG7-Gen verwendet. Diese Methode kann weiterhin für die Beurteilung der klinischen Relevanz weiterer Mutationen im SPG7-Gen verwendet werden.Hereditary spastic paraplegias (HSP), also known as the spastic spinal paralysis or the spastic paraplegia (SPG), are a heterogeneous group of genetic disorders. HSP can be inherited in autosomal dominant (70-80%), autosomal recessive (15-20%) or X-chromosomal recessive manners. Until now, more than 48 chromosomal loci have been implicated in HSP; however, only 18 causative genes have been identified. This thesis comprises of three publications from the field of HSP. The first publication describes the molecular genetic analysis of mutations in the SPAST gene in a large HSP cohort (Shoukier et al. 2009). This study expands the mutational spectrum of SPAST gene and establishes a genotype-phenotype correlation for missense mutations. Furthermore, mutation cluster regions in different functional domains of spastin protein were also identified. In this study, the missense mutations were categorized in various functional groups by utilizing a previously reported spastin structura! l model. In the second publication (Klimpe et al. 2010), we delineate the role of SPAST splice-site mutations in HSP. Our results supports a threshold-effect-model for functional spastin in HSP, which means that the symptoms of HSP will only emerge when functional (wild-type) spastin is below a critical threshold level. The SPG7 gene encodes for paraplegin, which is a subunit of the hetero-oligomeric mitochondrial AAA protease (m-AAA protease). In yeast, the m-AAA protease is composed of two conserved subunits (Yta10 and Yta12), which are essential for the maintenance of respiration [Arlt et al.,1998]. For this reason, we used the yeast complementation assay to evaluate the functional consequence of novel SPG7 sequence variants detected in the HSP patients. The results of this study are described in the third publication (Bonn et al., 2010). Our finding suggests that the yeast complementation assay is a reliable system to distinguish a pathogenic mutation from a silent polymorphism in SPG7 gene