Identification of genes for autosomal recessive forms of mental retardation: mutation screening for the TUSC3-gene and homozygosity mapping to identify new gene loci

Die vorliegende Arbeit dient der Aufklärung genetischer Ursachen für autosomal-rezessiv vererbte Formen der mentalen Retardierung. Trotz intensiver Diagnostik bleiben die Ursachen für mentale Retardierung in über der Hälfte der Fälle ungeklärt. Daher ist es eine wichtige Herausforderung für die medizinische Forschung, auf diesem Gebiet weitere Erkenntnisse zu gewinnen. In dieser experimentellen Arbeit wurde die Bedeutung des Gens TUSC3 untersucht, das vor kurzem als ursächlich für mentale Retardierung beschrieben wurde. Des Weiteren wurden zur Identifikation neuer Kandidatengene für autosomal-rezessiv vererbte mentale Retardierung genomweite Homozygotie Kartierungen bei Betroffenen konsanguiner Abstammung durchgeführt. Im Rahmen der Arbeit wurden Personen mit mentaler Retardierung aus dem Kollektiv des German Mental Retardation Network (MRNET) untersucht. Für die Analyse des TUSC3-Gens wurden die kodierenden Bereiche in der auf Arbeitsplatten verteilten DNA von 315 Betroffenen mit mentaler Retardierung mit geeigneten Primern amplifiziert, sequenziert und analysiert. Für die genomweite Homozygotie Kartierung konnten aus dem gleichen Kollektiv 12 Familien mit 13 Betroffenen nach dem Kriterium Konsanguinität der Eltern ausgewählt werden. Nach der genomweiten Genotypisierung und der anschließenden molekularen Karyotypisierung wurden homozygote Regionen mit dem Programm Homozygosity Mapper kartiert. Die Sequenzanalyse des TUSC3-Gens ergab einige Varianten, die zum Teil in der Literatur noch nicht beschrieben wurden. Computergestützte Analysen ergaben jedoch keine Sequenzvarianten, die als ursächlich für mentale Retardierung erachtet werden könnten. Durch genomweite Homozygotie Kartierung konnte bei einer Familie mit einem Betroffenen eine einzelne homozygote Region mit einer Länge von 28 Mbp detektiert werden, in der 346 Gene liegen. Anhand des Expressionsmusters und funktioneller Überlegungen konnten die Gene bezüglich ihres Zusammenhangs mit mentaler Retardierung priorisiert werden. Vier dieser Gene (KIRREL3, PVRL1, SC5DL und ZBTB16) sind von besonderem Interesse und könnten im Rahmen weiterführender Arbeiten untersucht werden. Die anderen 11 Familien (mit insgesamt 12 betroffenen Personen) zeigten 8 bis 36 homozygote Regionen mit einer Gesamtlänge von 43 bis 420 Mbp. Aufgrund der Vielzahl an Kandidatengenen können keine einzelnen Kandidatengene genannt werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit verweisen auf die enorme genetische Heterogenität der mentalen Retardierung. Durch die Untersuchung des TUSC3-Gens konnte gezeigt werden, dass Mutationen in diesem Gen keine häufige Ursache für mentale Retardierung sind. Unter der Annahme einer autosomal-rezessiven Vererbung konnte die Homozygotie Kartierung die Zahl der Kandidatengene stark reduzieren und somit den Weg für weitere Untersuchungsschritte bahnen.This paper discusses the genetic cause of autosomal recessive forms of mental retardation. Despite intensive medical diagnostics, the aetiology in more than half of the cases involving mental retardation remains unresolved. Therefore, it is an important challenge to gain more knowledge in this field through medical research. The main focus of this work is the evaluation of the gene TUSC3, mutations in which have previously been associated with mental retardation. In addition, genome-wide homozygosity mapping was performed in consanguineous families to identify new candidate genes for autosomal recessive mental retardation. The individuals for this study were recruited from the German Mental Retardation Network (MRNET). To analyze the TUSC3-gene, the coding DNA sequences of the 315 study participants were then amplified, sequenced and analysed. Based on consanguinity, 13 individuals from 12 families were chosen for genome-wide homozygosity mapping out of the same study group. After genome-wide genotyping and subsequent molecular karyotyping for copy number changes, homozygous regions were mapped using the Homozygosity Mapper program. The sequence analysis of the TUSC3-gene revealed several variants, which were not yet published in literature. However, a computer based analysis did not reveal any sequence variant, that could convincingly be associated with mental retardation. Using genome-wide homozygosity mapping, it was possible to detect a single homozygous region with a length of 28 Mbp in one individual. This region contained 346 genes. These genes were analyzed in respect to mental retardation based on the expression pattern and functional considerations and were prioritized accordingly. Four of these genes (KIRREL3, PVRL1, SC5DL and ZBTB16) are highly interesting and could be further investigated in additional studies. The other 11 families (in total 12 affected individuals) showed 8 to 36 homozygous regions with a total length of 43 to 420 Mbp. Because of the huge number of candidate genes it is impossible to mention single candidate genes. The results of this paper demonstrate the enormous genetic heterogeneity of mental retardation. In investigating the TUSC3-gene, it was possible to show that mutations in this gene are a rare cause of mental retardation. On the assumption of an autosomal recessive inheritance homozygosity mapping was able to reduce the number of candidate genes and therefore pave the way for further investigations in the families investigated