Myocilin and the genetics of open-angle glaucoma in Finland

Glaucoma, the leading cause of irreversible blindness in the world, is a group of diseases characterized by progressive optic neuropathy that may lead to distinct patterns of visual field loss. The risk of developing glaucoma is markedly influenced by genetic factors. Adult-onset forms of glaucoma tend to have a complex pattern of inheritance, while early-onset glaucoma (diagnosed before the age of 40) often exhibits Mendelian inheritance pattern. Furthermore, intraocular pressure (IOP) remains the only therapeutic target in glaucoma management due to the current absence of neuroprotective or gene-based therapies to promote the survival of retinal ganglion cells (RGCs). A better molecular understanding of the disease is warranted for future drug development. Diagnostic testing of early-onset glaucoma can help detect pre-symptomatic disease and preserve visual function. Myocilin (MYOC) was the first gene to be discovered in families with autosomal dominant glaucoma, and subsequently, pathogenic variants in MYOC have been identified in 2% to 4% of individuals with adult-onset and 6% to 36% of individuals with juvenile open-angle glaucoma (JOAG). In the first study, I assessed the clinical relevance of published MYOC variants and estimated their prevalence in different populations using public population databases and bioinformatics tools. I found six likely pathogenic missense variants that were listed in the gnomAD database. They were most prevalent in the East and South Asian populations. Furthermore, I identified five nonsense variants, with p.(Gln368Ter) being the most common risk variant for glaucoma in individuals of European ancestry, and with the highest population prevalence in the Finnish population. Pathogenic and likely pathogenic MYOC variants appear to be population-specific. In the second study, I examined the association and penetrance of the MYOC c.1102C>T, p.(Gln368Ter) variant with different types of glaucoma in the Finnish population, utilizing the genetic and digital health record data of 218,792 individuals from the FinnGen study. This was the first large population cohort analysis to reveal that this variant is associated with exfoliation glaucoma. I also confirmed the earlier findings of its association with open-angle glaucoma but could not replicate the association with normal-tension glaucoma, supporting the hypothesis that disease-associated myocilin variants primarily contribute to glaucoma pathogenesis by increasing IOP. The genetic background of Finnish patients with JOAG has not been studied in any larger cohorts. In the third study, I studied germline variants in MYOC and 28 other known monogenic glaucoma genes in 53 Finnish individuals with JOAG, using Sanger and exome sequencing. Five probands had probably pathogenic variants in MYOC, including one with MYOC p.(Gln368Ter). Furthermore, a novel loss-of-function variant in FOXC1 was identified in one proband and his mother, and one patient had a homozygous likely pathogenic variant in LTBP2. All the variants, except for LTBP2, suggested a dominant inheritance pattern. The genetic variants explained 14 % of JOAG in the studied cohort. This frequency is low compared to other studied populations, reflecting the distinct genetic background of Finns. APOE4, a known risk factor for late-onset Alzheimer’s disease, has been associated with a reduced risk of glaucoma and age-related macular degeneration (AMD). In the fourth study, I systematically quantified the associations of APOE haplotypes with age-related ocular diseases using the genetic and health record data from 412,171 Finnish individuals from the FinnGen study. I detected the protective effect of APOE ε4 haplotype against glaucoma in the Finnish population but with a weaker effect than in AMD. I could not show an association with exfoliation glaucoma, supporting the hypothesis that APOE is involved in RGC degeneration rather than IOP. This thesis accentuates the genetic basis of open-angle glaucoma and its subtype JOAG in a genetically relatively homogeneous and unique Finnish population. Myocilin, the most common monogenic glaucoma gene is prominently population-associated with its most prevalent risk variant, p.(Gln368Ter), enriched in the Finnish population. This variant is linked to glaucoma subtypes characterized by elevated IOP, including exfoliation glaucoma. Furthermore, we observed a protective effect of the APOE ε4 allele, commonly found in Nordic countries, although this protective effect appeared relatively modest. Additionally, this thesis delves into the genetic profiles of established glaucoma genes in a cohort of Finnish individuals with JOAG and provides comprehensive clinical descriptions.Glaukooma on ryhmä eteneviä, hermosäikeitä ja näköhermoa rappeuttavia sairauksia, jotka johtavat näkökenttäpuutoksiin. Maailmanlaajuisesti se on yleisin pysyvän sokeuden aiheuttaja, ja perintötekijät vaikuttavat vahvasti taudin syntyyn. Tyypillisesti glaukooma puhkeaa myöhemmällä iällä ja sen syntyyn vaikuttavat monitekijäisesti perintö- ja ympäristötekijät. Nuorella iällä (alle 40-vuotiaana) todettu glaukooma periytyy useammin yhden geenin virheiden seurauksena. Silmänpaine on taudin ainoa merkittävä riskitekijä, johon nykyhoidoilla voidaan vaikuttaa. Molekyylitason tautimekanismien ymmärtäminen voi auttaa kehittämään uusia hoitomuotoja, jotka parantavat hermosolujen eloonjäämistä. Perinnöllisen taustan tunteminen mahdollistaa myös geenitestauksen, jonka avulla voidaan tunnistaa korkean riskin potilaita ja estää näkövammaisuuden kehittymistä. Myosiliinigeeni (MYOC) oli ensimmäisenä tunnistettu glaukooman aiheuttajageeni. Sen geenivirheitä on havaittu 2–4 % aikuistyypin ja 6–36 % nuoruustyypin eli juveniiliglaukoomaa sairastavista potilaista. Väärin laskostuneet myosiliiniproteiinit näyttävät kertyvän soluihin ja estävän kammionesteen ulosvirtausta kammiokulman trabekkelivyöhykkeessä. Myös muita glaukooman perinnöllisiä riskitekijöitä on myöhemmin löydetty. Toisaalta hiljattain on tunnistettu myös perinnöllisiä suojatekijöitä, kuten variantit apolipoproteiini E:ssa (APOE). Väitöskirjan ensimmäisessä työssä arvioimme julkaistujen MYOC-geenivarianttien kliinistä merkittävyyttä ja niiden esiintymistä eri populaatioissa käyttäen julkisia varianttitietokantoja ja bioinformatiikkatyökaluja. Löysimme kuusi vaihtomutaatiota (missense) eli proteiinin aminohappojärjestystä muuttavaa geenivarianttia, jotka olivat todennäköisesti tautia aiheuttavia ja listattuna gnomAD-väestötietokantaan. Nämä variantit olivat yleisimpiä Itä- ja Etelä-Aasiassa. Tunnistimme myös viisi pysäytysmutaatiota (nonsense), jotka johtavat aminohappoketjun ennenaikaiseen katkeamiseen. Pysäytysmutaatioista MYOC c.1102C>T, p.(Gln368Ter) -variantti on eurooppalaisessa väestössä yleisin glaukooman riskivariantti, ja sen väestöesiintyvyys on Suomessa maailman suurin. Tautia aiheuttavien geenivarianttien yleisyys näytti olevan hyvin väestösidonnaista. Toisessa työssä tutkimme MYOC p.(Gln368Ter) -variantin ilmenemisyleisyyttä ja tilastollista yhteyttä eri glaukoomatyyppeihin suomalaisessa väestössä hyödyntäen 218 792 suomalaisen geneettisiä ja kliinisiä tietoja yhdistävää FinnGen-biopankkiaineistoa. Tutkimuksemme oli ensimmäinen suureen väestökohorttiin perustuva tutkimus, joka osoitti, että variantti on selvästi yhteydessä myös mykiön hilsetykseen liittyvään eksfoliaatioglaukoomaan. Tuloksemme vahvistivat myös aiempia tuloksia, joiden mukaan geenivariantti linkittyy avokulmaglaukoomaan. Emme kuitenkaan pystyneet toistamaan tilastollista yhteyttä matalapaineglaukoomaan. Tämä tukee hypoteesia, jonka mukaan myosiliinigeenin variantit pääasiallisesti vaikuttavat glaukooman syntyyn nostamalla silmänpainetta. Suomalaisten juveniiliglaukoomaa sairastavien potilaiden perinnöllistä taustaa ei ole aiemmin selvitetty useita perheitä ja potilaita käsittävissä suurissa potilaskohorteissa. Kolmannessa tutkimuksessa selvitimme myosiliini- ja 28 muun tunnetun glaukoomageenin esiintyvyyttä 53 suomalaisella juveniiliglaukoomaa sairastavalla potilaalla. Hyödynsimme tutkimuksessa Sanger- ja eksomisekvensointia. Raportoimme myös potilaiden kliinisen taudinkuvan ja annetut hoidot. Viideltä indeksipotilaalta löytyi todennäköisesti patogeeninen mutaatio MYOC-geenissä, joista yksi oli p.(Gln368Ter). Neljällä heistä sukuhistoria viittasi autosomissa vallitsevasti periytyvään sairauteen. Lisäksi yhdeltä indeksipotilaalta ja hänen perheestään löytyi uusi aiemmin havaitsematon pysäytysmutaatio FOXC1-geenissä, ja yhdellä potilaalla oli todennäköisesti tautia aiheuttava homotsygoottinen variantti LTBP2-geenissä. Nämä variantit selittivät 14 % juveniiliglaukoomasta kohortissamme. Tautia aiheuttavien varianttien esiintyvyys Suomessa näyttää olevan suhteellisen matala muihin väestöihin verrattuna kuvastaen suomalaisten muista väestöistä poikkeavaa perintötekijärakennetta. APOE4 on tunnettu vanhuusiän Alzheimerin taudin riskitekijä. Hiljattain se on yhdistetty alentuneeseen riskiin sairastua glaukoomaan ja silmänpohjan ikärappeumaan. Neljännessä työssä arvioimme systemaattisesti APOE-haplotyyppien yhteyttä ikään liittyviin silmäsairauksiin hyödyntäen 412 171 suomalaisen geneettisiä ja kliinisiä tietoja FinnGen-aineistossa. Havaitsimme, että APOE ε4 -alleeli oli yhteydessä alentuneeseen glaukoomariskiin suomalaisessa väestössä, mutta suojaava vaikutus oli selvästi pienempi kuin silmänpohjan ikärappeumassa. APOE ε4 ei ollut yhteydessä eksfoliaatioglaukoomaan. Tämä tukee hypoteesia, että APOE vaikuttaa ensisijaisesti verkkokalvon gangliosolujen rappeutumisprosessiin eikä niinkään silmänpaineen säätelyyn. Tämä väitöskirja syventää ymmärrystämme avokulmaglaukooman ja sen nuorena puhkeavan alatyypin, juveniiliglaukooman perinnöllisestä taustasta Suomessa. Perintötekijöiltään suhteellisen homogeeninen ja omintakeinen suomalainen väestö soveltuu hyvin geneettiseen tutkimukseen. Myosiliinigeenin tautia aiheuttavien varianttien yleisyys vaihtelee runsaasti eri väestöissä. Yleisellä MYOC-geenin riskivariantilla, p.(Gln368Ter) on maailman suurin esiintyvyys Suomessa, ja se on yhteydessä moniin eri korkeapaineisiin glaukoomatyyppeihin suomalaisessa väestössä. Toisaalta myös APOE ε4 -alleeli on varsin yleinen Pohjoismaissa, ja sillä näyttää olevan suojaavaa vaikutusta taudin puhkeamista vastaan. Lisääntynyt ymmärrys avokulmaglaukooman geneettisestä taustasta Suomessa helpottaa geenitestauksen suunnittelua ja voi tulevaisuudessa auttaa kehittämään tehokkaampia hoitomuotoja