The molecular basis of Marinesco-Sjögren syndrome

Marinesco-Sjögren syndrome (MSS) is a rare autosomal recessive neurodegenerative disorder characterized by cerebellar ataxia due to cerebellar cortical atrophy, infantile- or childhood-onset bilateral cataracts, progressive myopathy, and mild to severe mental retardation. Additional features include hypergonadotropic hypogonadism, various skeletal abnormalities, short stature, and strabismus. The neuroradiologic hallmarks are hypoplasia of both the vermis and cerebellar hemispheres. The histopathologic findings include severe cerebellar atrophy and loss of Purkinje and granule cells. The common pathologic findings in muscle biopsy are variation in muscle fiber size, atrophic fibers, fatty replacement, and rimmed vacuole formation. The presence of marked cerebellar atrophy with myopathy distinguishes MSS from another rare syndrome, the congenital cataracts, facial dysmorphism, and neuropathy syndrome (CCFDN). Previously, work by others had resulted in the identification of an MSS locus on chromosome 5q31. A subtype of MSS with myoglobinuria and neuropathy had been linked to the CCFDN locus on chromosome 18qter, at which mutations in the CTDP1 gene had been identified. We confirmed linkage to the previously identified locus on chromosome 5q31 in two Finnish families with eight affected individuals, reduced the critical region by fine-mapping, and identified SIL1 as a gene underlying MSS. We found a common homozygous founder mutation in all Finnish patients. The same mutation was also present in patient samples from Norway and Sweden. Altogether, we identified eight mutations in SIL1, including nonsense, frameshift, splice site alterations, and one missense mutation. SIL1 encodes a nucleotide exchange factor for the endoplasmic reticulum (ER) resident heat-shock protein 70 chaperone GRP78. GRP78 functions in protein synthesis and quality control of the newly synthesized polypeptides. It senses and responds to stressful cellular conditions. We showed that in mice, SIL1 and GRP78 show highly similar spatial and temporal tissue expression in developing and mature brain, eye, and muscle. Studying endogenous proteins in mouse primary hippocampal neurons, we found that SIL1 and GRP78 colocalize and that SIL1 localizes to the ER. We studied the subcellular localization of two mutant proteins, a missense mutant found in two patients and an artificial mutant lacking the ER retrieval signal, and found that both mutant proteins formed aggregates within the ER. Well in line with our findings and the clinical features of MSS, recent work by Zhao et al. showed that a truncation of SIL1 causes ataxia and cerebellar Purkinje cell loss in the naturally occurring woozy mutant mouse. Prior to Purkinje cell degeneration, the unfolded protein response is initiated and abnormal protein accumulations are present. MSS thus joins the group of protein misfolding and accumulation diseases. These findings highlight the importance of SIL1 and the role of the ER in neuronal function and survival. The results presented in this thesis provide tools for the molecular genetic diagnostics of MSS and give a basis for future studies on the molecular pathogenesis of MSS. Understanding the mechanisms behind this pleiotropic syndrome may provide insights into more common forms of ataxia, myopathy, and neurodegeneration.

Marinesco-Sjögrenin oireyhtymä (MSS) on varhaisella lapsuusiällä alkava harvinainen peittyvästi periytyvä sairaus. MSS:n pääoireita ovat pikkuaivojen surkastumisesta johtuva ataksia, kaihi, lihasheikkous sekä liikunnallisen ja älyllisen suorituskyvyn heikkeneminen. Potilailla voi lisäksi esiintyä mm. hypogonadismia, luustomuutoksia, karsastusta sekä lyhyt aikuispituus. Harvinaisten, yhden perintötekijän aiheuttamien sairauksien tutkiminen voi olla apuna yleisempien keskushermostoa rappeuttavien sairauksien tautimekanismien selvittämistyössä. Tässä väitöstyössä selvitettiin Marinesco-Sjögrenin oireyhtymän taustalla oleva perintötekijä, sen mutaatiot sekä alustavasti molekyylitason tautimekanismia. Tutkimuksen tärkein löydös oli oireyhtymän taustalla olevan virheellisen SIL1-geenin tunnistaminen paikkaan perustuvaa kloonausstrategiaa käyttäen. Aikaisempien tutkimusten perusteella tiedetään, että SIL1 toimii saperoniproteiini GRP78:n nukleotidivaihtajana. Häiriintyneen saperoniproteiinien toiminnan on havaittu liittyvän perinnöllisen kaihin, tiettyjen lihastautien ja myös monien etenevien, aikuisiällä alkavien neurodegeneratiivisten sairauksien tautimekanismeihin. SIL1:n kanssa samankaltaisia proteiineja voidaankin pitää ehdokasgeeneinä muissa neurodegeneratiivisissa sairauksissa. Väitöstyössä tunnistettiin yhteensä kahdeksan SIL1-geenin mutaatiota eurooppalaisissa ja japanilaisissa perheissä. Kuusi löytämäämme mutaatiota johtaa joko suoraan tai lukukehyksen muuttumisen kautta tynkäproteiiniin, joka voi joko olla toiminnaltaan puutteellinen tai hajota. Yhden mutaation seurauksena valmiista proteiinista puuttuu joko 30 tai 64 aminohappoa, mikä viittaa siihen, että nämä aminohapot ovat oleellisia SIL1 proteiinin toiminnalle tai laskostumiselle. Lisäksi yksi mutaatio aiheuttaa valmiin proteiinin loppuosaan yhden aminohapon muutoksen, mikä johtaa virheellisen proteiinin kertymiseen solun sisään. MSS:ä aiheuttavien mutaatioiden löydyttyä uusien potilaiden diagnoosi voidaan varmistaa molekyyligeneettisin tutkimuksin. Väitöstyön tulokset antavat tärkeää tietoa MSS:n taudinkuvasta niillä potilailla, joilta löytyy mutaatio SIL1-geenissä. Kaikilta potilailta ei kuitenkaan löydy SIL1-geenin mutaatioita, ja oireyhtymän syytä näillä potilailla tutkittiin ehdokasgeeni-strategiaa käyttäen. Ehdokasgeeneiksi valittiin kolme geeniä, joilla on tunnettu tai todennäköinen interaktio SIL1-proteiinin kanssa ja jotka voisivat siten aiheuttaa samankaltaisen oirekuvan. Näiden joukosta ei kuitenkaan voitu osoittaa muita MSS:n taustalla olevia perintötekijöitä. Havaitsimme, että SIL1 ilmentyy monissa ihmisen kudoksissa ja mm. aivoissa usealla eri alueella. Hiiren kudoksissa SIL1 ja sen kanssa yhdessä toimiva GRP78 ilmenevät kehityksen aikana samankaltaisella tavalla, ja niiden ilmentyminen on runsainta pikkuaivojen purkinjensolukerroksessa, joka puuttuu MSS:ä sairastavilta potilailta lähes kokonaan. Hermosolun sisällä molemmat proteiinit sijaitsevat solulimakalvostossa. MSS:n tautimekanismin ymmärtäminen on perustana uusien hoitomuotojen kehittämiselle tulevaisuudessa ja auttaa myös muiden neurodegeneratiivisten sairauksien syiden selvittämisessä. Tutkimuksen tulokset antavat myös lisätietoa normaalin keskushermoston ja lihaskudoksen kehityksestä ja toiminnasta.