Genetic analysis of HEY1, HEY2, HEYL in patients with congenital heart disease

Hintergrund und Ziele Angeborene Herzfehler betreffen 1% aller Neugeborenen und gehören somit zu den häufigsten angeborenen Organfehlbildungen. Sie sind mit einer signifikanten Morbidität und Mortalität von Kindern, Jugendlichen und Erwachsenen vergesellschaftet, weshalb die Ursachenforschung zur Klärung ihrer Ätiologie einen hohen Stellenwert aufweist. Wegweisende Fortschritte im Verständnis molekularer und genetischer Ursachen angeborener Herzfehler konnten in den letzten Jahren durch zahlreiche genetische sowie funktionelle Analysen erzielt werden. Jedoch sind die zugrunde liegenden Pathomechanismen nur unzureichend verstanden und somit die Ursachen kardialer Fehlbildungen bis dato nur unvollständig beschrieben. Zahlreiche molekulargenetische Veränderungen sowohl syndromaler als auch sporadischer angeborener Herzfehler konnten inzwischen identifiziert und beschrieben werden. Die Mehrzahl angeborener Herzfehler tritt sporadisch und ohne extrakardiale Fehlbildungen auf. Hierbei scheinen Veränderungen in Transkriptionsfaktoren eine bedeutende Rolle zu spielen. Wie im Tiermodell gezeigt, nimmt hierbei die HEY-Genfamilie eine Schlüsselrolle in der Kardiogenese ein. HEY1, HEY2 und HEYL kodieren für bHLH Transkriptionsfaktoren und sind direkte Zielstrukturen der NOTCH-Signalkaskade, weshalb sie gute Kandidatengene für angeborene Herzfehler darstellen. Methoden Es wurde eine Methode zum Mutationsscrening der drei HEY-Gene (mit je 5 Exons) mittels Sanger-Sequenzierung etabliert. Die Mutationssuche erfolgte in einem Patientenkollektiv von 244 Patienten mit angeborenem Herzfehler. Die gefundenen nicht-synonymen Varianten wurden im Fall einer Schnittstellenänderung der Restriktionsendonucleasen durch einen enzymatischen Verdau bestätigt oder wurden resequenziert. Eine Kontrollkohorte mit 350 kardial gesunden Kontrollen wurde auf die gefunden Varianten mittels enzymatischem Verdau und Sequenzierung überprüft. Ergebnisse und Beobachtungen Es konnten drei bis dato noch nicht beschriebene nicht-synonyme Varianten und zahlreiche bekannte und unbekannte synonyme Varianten identifiziert werden. Zwei der gefundenen nicht-synonymen Varianten betreffen eine konservierte Region nahe des funktionellen Abschnitts YRPW in HEY1 und HEY2. Die Varianten in HEY1 und HEYL konnten inzwischen von Projekten wie dem 1000 Genomes Project bestätigt werden und entsprechen am ehesten einem seltenen Polymorphismus. Bei der Variante in HEY2 (P315S) handelt es sich um eine neue missense Variante, die noch nicht in den Datenbanken beschrieben ist und in einer kardial gesunden Kontrollgruppe mit 350 Kontrollen nicht identifiziert werden konnte. Phänotypisch weist der Träger der P315S Variante eine Pulmonalatresie und einen atrioventrikulären Septumdefekt (AVSD) auf. Praktische Schlussfolgerung Die Bedeutung der HEY-Gene in der Kardiogenese konnte in Studien am Tiermodell illustriert werden. Diese Studie stellt das erste Kandidatengenscreening der HEY-Gene am Menschen dar und ergab zahlreiche bekannte aber auch neue synonyme Varianten, sowie drei Varianten die zum Aminosäureaustausch führen. Die identifizierte nicht-synonyme Variante in HEY2 (P315S) muss als potenziell pathogene Variante diskutiert werden. Der Träger dieser Variante weist einen komplexen kardialen Phänotyp mit Pulmonalatresie und atrioventrikulärem Septumdefekt auf. Ein sehr ähnlicher Phänotyp konnte bereits im Tiermodell an HEY2 Knockout Mäusen beschrieben werden. Weiterführende Analysen, beispielsweise in einem HEY2 P315S Knock-in Tiermodell, sind für eine Validierung notwendig.Background Congenital heart defects (CHD) affect 1% of all newborns. Thus, they represent the most common congenital organ malformation in human. CHD are associated with a significant morbidity and mortality of children, adolescents and increasingly also in adults. Therefore, investigations to elucidate the molecular cause and pathomechanism of inborn heart defects have been in the focus of developmental genetic research for many years. As a result, significant progress in the understanding of cardiac development in human an mammals could be achieved in the last decades. However, the molecular mechanisms leading to cardiac malformation, particularly in human, are still poorly understood. Various genetic alterations in individuals with CHD, syndromic or sporadic, were identified and described. The majority of CHD are non-syndromic malformations and occur sporadically without extra cardiac anomalies. In this cases, mutations in transcription factors seem to play an important role. In animal models, the HEY-gene family has been shown to play a significant role in cardiogenesis. HEY1, HEY2 and HEYL are bHLH transcription factors and direct targets of NOTCH signaling. Therefor we decided to analyze this gene family by standard candidate-gene approach in a cohort of CHD patients. Methods We performed standard Sanger sequencing of all three HEY-genes (5 exons) in a cohort of 244 patients with CHD. The identified variants were confirmed by enzymatic digestion in those where a restriction site was altered or by resequencing of stock DNA and compared with a control cohort of 350 controls with healthy cardiac phenotypes. Results Three new missense variants as well as numerous known and unknown synonymous variants could be identified. Two of the missense variants were detected in a conserved region close to the functional YRPW-motif in HEY1 and HEY2. Meanwhile the variant in HEY1 and HEYL were confirmed in the 1000 Genomes Project. Thus, they resemble most likely a rare polymorphism. The variant in HEY2 (P315S) remained a de novo variant, which hasn’t been described by any databases and couldn’t be identified in our control cohort of 350 cardiac healthy controls. The affected individual exhibits a complex cardiac phenotype with pulmonary atresia and atrioventricular septal defect. Conclusions Based on preliminary data in various mouse models, the HEY-genes are valuable candidate-genes for the development of congenital heart disease. This study represents the first candidate gene screening of the HEY-genes in human with congenital heart disease. Several known synonymous and non-synonymous variants as well as three new missense variants could be identified. The missense variant in HEY2 (P315S) represents a potential disease-causing variant. The individual with the P315S variant expresses a complex cardiac phenotoype with atresia of the pulmonary artery and atrioventricular septal defect. A similar cardiac malformation has been described in the literature in mice with HEY2 deficiency. Further investigations are necessary to validate the genetic relevance of this variant. Therefore a HEY2 P315S knock-in mouse model could be discussed