Genetik der psychomotorischen Entwicklungsstörung: Systematische Trio-Exom-Analyse zur Identifizierung und Charakterisierung neuer Gene der psychomotorischen Entwicklungsstörung

Die psychomotorische Entwicklungsstörung (neurodevelopmental disorder, Abkürzung: NDD) bezeichnet eine Gruppe von Erkrankungen, die auf Störungen des sich entwickelnden Gehirns und/oder des Zentralnervensystems pränatal bzw. in den ersten Lebensjahren zurückzuführen ist. Die Ursachen sind aufgrund der zeitlichen und räumlichen Komplexität der kindlichen Entwicklung vielfältig und sowohl auf exogene, genetische als auch (noch) unbekannte Ursachen zurückzuführen. Bisher konnten mehr als 1000 Gene, die im Zusammenhang mit kindlicher Entwicklung stehen, identifiziert werden. Doch trotz enormen Entwicklungen diagnostischer Möglichkeiten in den letzten Jahren, insbesondere im Bereich der Exom- und Genomsequenzierung, bleiben viele Fälle wegen einer großen genetischen Heterogenität und häufig unspezifischem Phänotyp ungeklärt. Man geht derzeit davon aus, dass nach wie vor tausende Gene unbekannt sind. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Identifizierung und Charakterisierung neuer bisher unbekannter NDD-Gene. Die Durchführung dieser Arbeit erfolgte mittels (in der Mehrheit Trio-) Exomsequenzierung von 130 Patient:innen mit NDD in Einzelfallanalysen. In einem ersten Schritt wurden alle Patient:innen individuell auf Varianten in bereits bekannten NDD-Genen untersucht. Bei 31 Fällen konnte eine solche Variante identifiziert, systematisch klassifiziert und der Phänotyp mit bereits beschriebenen Symptomen verglichen werden. In einem nächsten Schritt wurden die übrigen 99 Patient:innen hinsichtlich sogenannter Kandidatengene analysiert. Diese wurden anhand Expressionsmuster, Funktion, in silico Analysen, Literaturrecherche und Assoziation mit anderen neurologischen Krankheitsbildern ausgewählt und mithilfe eines Kandidatengen-Scoring-Tools standardisiert und systematisch priorisiert. In Austausch und Kooperation mit anderen Wissenschaftler:innen weltweit wurden ausgewählte Kandidatengene anschließend mittels funktioneller Analysen auf ihre Pathogenität hin untersucht. Von den insgesamt 99 Patient:innen konnten so in 48 Fällen insgesamt 60 Kandidatengene eruiert werden, von denen mittlerweile drei (POU3F3, MADD und TAOK1) publiziert wurden und für weitere drei (UNC13C, GABRA2 und NARS) funktionelle Analysen durchgeführt werden und kurz vor der Publikation stehen. Es zeigte sich, dass sich Einzelfallanalysen, die auf den ersten Blick vor allem nach zeitintensiver und kleinschrittiger Arbeit aussehen, im Vergleich zu großen rein statistischen Kohortenstudien als sehr ertragreich erweisen. Die bisher größte statistische Kohortenstudie, die über 30.000 Fälle umschloss, führte zur Identifizierung von 49 (0,15% der Fälle) neuen NDD-Genen. Hiergegen konnten beispielsweise in der hier vorliegenden Arbeit mit einer Kohorte von 130 Fällen schon mindestens drei (2,3% der Fälle) neue Krankheitsbilder beschrieben werden und weitere werden folgen. Somit stellt dies einen vielversprechenden Ansatz (min. 2,3% vs. 0,15%) zur Identifizierung von neuen NDD-Genen dar. Darüber hinaus zeichnete sich ab, dass das Kandidatengen-Scoring-Tool als geeignetes Werkzeug zur systematischen und standardisierten Priorisierung von Kandidatengenen genutzt werden kann, um eine Fokussierung auf Kandidatengene zu ermöglichen, die mit größerer Wahrscheinlichkeit krankheitsverursachend sind. So konnte beispielsweise dem Kandidatengen UNC13C, das eine maßgebliche Rolle beim molekularen und/oder positionellen „Superpriming“ spielt, trotz einer Kohortengröße von bisher nur vier Patient:innen weltweit, eine relevante Bedeutung zugeschrieben werden, was weiterführende Untersuchungen mittels funktioneller Analysen zur Sicherung der potenziellen Pathogenität ermöglichte.:1. Einleitung 1.1. Genetische Erkrankungen 1.2. Psychomotorische Entwicklungsstörung 1.2.1. Exogene Ursachen von NDD 1.2.2. Genetische Ursachen von NDD 1.2.3. Relevanz der Identifizierung von NDD-Genen 1.3. Strategien zur Identifizierung von neuen NDD-Genen 2. Ziel der Arbeit 3. Untersuchungskollektiv, Materialien und Methoden 3.1. Untersuchungskollektiv 3.2. Methoden 3.2.1. DNA-Isolierung 3.2.2. Next Generation Sequencing-Technologien 3.2.3. Filterungsschritte mit VARVIS und weitere Beurteilung 3.2.4. Systematische Klassifikation von Varianten 3.2.5. Kandidatengen-Scoring 3.2.6. Genematcher 4. Ergebnisse 4.1. Exomsequenzierung von 130 Fällen mit NDD 4.2. Mutationen in bereits beschriebenen NDD-Genen 4.3. Varianten in neuen NDD-Kandidatengenen 4.4. UNC13C-Varianten in vier Patient:innen mit NDD 4.4.1. Phänotypische Beschreibung der Patient:innen 4.4.2. Neurozelluläre Grundlagen von UNC13C 4.4.3. Molekulare Modellierung der Varianten 5. Diskussion 5.1. Identifizierung der genetischen Ursachen von NDD mittels NGS 5.1.1. Vergleich Einzelfallanalysen vs. Große Kohortenstudien 5.1.2. Identifizierung von Mutationen in bereits bekannten Genen für NDD 5.1.3. Identifizierung und Priorisierung von Mutationen in neuen NDD-Genen 5.2. UNC13C als Kandidatengen für NDD 5.3. Ausblick 6. Zusammenfassung 7. Verzeichnis 7.1. Abbildungsverzeichnis 7.2. Tabellenverzeichnis 8. Referenzen 8.1. Webreferenzen 8.2. Literaturverzeichnis 9. Anhang 10. Selbstständigkeitserklärung 11. Lebenslauf 12. Mitarbeit an Veröffentlichungen 13. Danksagun