Unraveling the genetic background of disease in Austrian hearing loss patients using traditional and next generation DNA sequencing

Hintergrund: Schwerhörigkeit ist eine weit verbreitete Erkrankung und kann sich in jedem Alter manifestieren. Bei Neugeborenen als auch bei Kindern und jungen Erwachsenen mit isolierter Schwerhörigkeit sind genetische Faktoren die Hauptursache für die Erkrankung. Auch bei Fällen von fortschreitender Schwerhörigkeit im Erwachsenenalter liegt oft eine genetische Veränderung zugrunde. Zudem sind über 400 genetische Syndrome beschrieben, die mit Hörverlust einhergehen. Homoyzgote Mutationen im offenen Leserahmen des GJB2 Gens sind für 50% der Fälle isolierter Schwerhörigkeit bei Kaukasiern, inklusive Österreich, verantwortlich. Bei der zweiten Hälfte der Patienten mit isolierter Schwerhörigkeit, ohne Mutationen im GJB2 Gen, liegt die molekulare Ursache der Erkrankung in einem von weiteren 92 bekannten Schwerhörigkeits-Genen oder in einem bis dato nicht mit Schwerhörigkeit assoziierten Gen. Interessanterweise ist die Trägerfrequenz pathogener GJB2 Mutationen im offenen Leserahmen bei Schwerhörigen im Vergleich zur normal hörenden Bevölkerung 5-fach überrepräsentiert. Man nimmt an, dass bei dieser Patientengruppe entweder zusätzliche unbekannte GJB2 Mutationen ausserhalb des offenen Leserahmens oder Mutationen in einem weiteren Schwerhörigkeits-Gen vorliegen. Die molekulare Diagnostik der erblichen Schwerhörigkeit ist durch die Vielzahl der möglichen ursächlichen Gene und Mutationen erschwert. Zudem ähneln sich die Phänotypen der Erkrankten unabhängig des ursächlichen Gens, was die gezielte Suche nach einem Kandidatengen weiter verkompliziert. Traditionelle DNA Sequenziermethoden erlauben lediglich die gezielte Untersuchung jeweils eines einzigen Gens oder weniger Gene. Die Whole Exome Sequenzierung ist in der Lage diese diagnostische Lücke zu schließen, da es erlaubt alle Protein kodierenden Gene gleichzeitig zu untersuchen. Patienten und Methoden: In dieser Arbeit wurde mittels aufeinander folgender traditioneller und Whole Exome DNA Sequenzierungen eine Kohorte unterschiedlicher Patienten mit Schwerhörigkeit untersucht, welche syndromische sowie isolierte rezessive und dominante Fälle beinhaltete. Ergebnisse: Es konnten erfolgreich bekannte und neuartige Alterationen in den Genen NDP, GJB2, SLC26A4, MYO15A und COCH identifiziert werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind besonders für die große Untergruppe der heterozygoten GJB2 Patienten von Bedeutung. Bei dieser Gruppe konnte eine Assoziation einer Alteration ausserhalb des GJB2 Leserahmens mit Schwerhörigkeit festgestellt werden. Zudem konnte bei einem Patienten dieser Gruppe eine bi-allelische SLC26A4 Mutation und bei einem weiteren Patienten eine homozygote pathogene MYO15A Mutation festgestellt werden. Diskussion: Die Whole Exome Sequenzierung konnte die traditionelle genetische Diagnostik in unserer Kohorte erfolgreich ergänzen. Bei der Gruppe der heterozygoten GJB2 Patienten ist eine Untersuchung alternativer Schwerhörigkeits-Gene im Rahmen des genetischen Screenings unerlässlich. Durch die Erkenntnise der molekularen Krankheitsmechanismen bei unseren Patienten kann eine genetische Beratung erfolgen und das genetische Screening in Österreich hinkünftig verbessert werden. Ausserdem ist die molekulare Diagnose eine wichtige Voraussetzung für mögliche künftige personalisierte Therapien.Background: Hearing loss is a widespread disability and can affect people of all ages. Genetic alterations are the main cause of permanent monosymptomatic hearing loss among newborns, children and young adults and a major factor for progressive late-onset hearing loss in adults. Genetic defects are also responsible for more than 400 diverse syndromes involving hearing impairment. The most common form of monosymptomatic hearing loss is caused by mutations in the GJB2 gene. Homozygous mutations in the open reading frame of this gene cause approximately 50% of all genetic forms of hearing loss in Caucasians and the carrier frequency of pathogenic heterozygous mutations can be up to 2% in normal hearing Caucasian populations, including Austria. The remaining cases are caused by alterations in 92 known genes or unknown genetic elements. Among hereditary monosymptomatic patients in Austria, the carrier rate of heterozygous mutations in GJB2 is 11%. This overrepresentation compared to the normal hearing population and the molecular cause of disease is unclear in this patient group and suggests the involvement of further mutations either within the GJB2 gene, outside the open reading frame, or in additional hearing loss genes. Molecular diagnosis is impeded by the large amount of potential genes and alterations involved in hearing loss disorders, limiting the application of traditional molecular DNA screening methods that allow routine screening of a few candidate genes. Whole-exome sequencing can close this diagnostic gap by screening all known protein coding genes in parallel. Subjects and methods: We have applied a sequential approach of traditional and whole-exome DNA sequencing to test a diverse collective of hereditary hearing impaired patients, including syndromic and monosymptomatic recessive and dominant cases. Results: We successfully identified novel and known alterations in the NDP, GJB2, SLC26A4, MYO15A and COCH genes. Our results are particularly relevant for the large group of heterozygous GJB2 patients. We found an association of a variant in a region upstream of the open reading frame with deafness in this group and identified biallelic SLC26A4 mutations and a known homozygous pathogenic MYO15A mutation in this patient group. Discussion: Whole-exome sequencing successfully complemented traditional genetic screening in our cohort. Other hearing loss genes should be included in the genetic screening of heterozygous GJB2 patients. Understanding the molecular base of disease will allow genetic counseling, will improve genetic screening in Austria and is an important prerequisite for prospective personalized treatment options.submitted by Dr. med. univ. Thomas Maximilian ParzefallZusammenfassung in deutscher SpracheAbweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersMedizinische Universität, Dissertation, 2017OeBB(VLID)192744