Molecular genetics of X-linked cone-rod dystrophy and Åland Island eye disease

Inherited retinal diseases are the most common cause of vision loss among the working population in Western countries. It is estimated that ~1 of the people worldwide suffer from vision loss due to inherited retinal diseases. The severity of these diseases varies from partial vision loss to total blindness, and at the moment no effective cure exists. To date, nearly 200 mapped loci, including 140 cloned genes for inherited retinal diseases have been identified. By a rough estimation 50% of the retinal dystrophy genes still await discovery. In this thesis we aimed to study the genetic background of two inherited retinal diseases, X-linked cone-rod dystrophy and Åland Island eye disease. X-linked cone-rod dystrophy (CORDX) is characterized by progressive loss of visual function in school age or early adulthood. Affected males show reduced visual acuity, photophobia, myopia, color vision defects, central scotomas, and variable changes in fundus. The disease is genetically heterogeneous and two disease loci, CORDX1 and CORDX2, were known prior to the present thesis work. CORDX1, located on Xp21.1-11.4, is caused by mutations in the RPGR gene. CORDX2 is located on Xq27-28 but the causative gene is still unknown. Åland Island eye disease (AIED), originally described in a family living in Åland Islands, is a congenital retinal disease characterized by decreased visual acuity, fundus hypopigmentation, nystagmus, astigmatism, red color vision defect, myopia, and defective night vision. AIED shares similarities with another retinal disease, congenital stationary night blindness (CSNB2). Mutations in the L-type calcium channel α1F-subunit gene, CACNA1F, are known to cause CSNB2, as well as AIED-like disease. The disease locus of the original AIED family maps to the same genetic interval as the CACNA1F gene, but efforts to reveal CACNA1F mutations in patients of the original AIED family have been unsuccessful. The specific aims of this study were to map the disease gene in a large Finnish family with X-linked cone-rod dystrophy and to identify the disease-causing genes in the patients of the Finnish cone-rod dystrophy family and the original AIED family. With the help of linkage and haplotype analyses, we could localize the disease gene of the Finnish cone-rod dystrophy family to the Xp11.4-Xq13.1 region, and thus establish a new genetic X-linked cone-rod dystrophy locus, CORDX3. Mutation analyses of candidate genes revealed three novel CACNA1F gene mutations: IVS28-1 GCGTC>TGG in CORDX3 patients, a 425 bp deletion, comprising exon 30 and flanking intronic regions in AIED patients, and IVS16+2T>C in an additional Finnish patient with a CSNB2-like phenotype. All three novel mutations altered splice sites of the CACNA1F gene, and resulted in defective pre-mRNA splicing suggesting altered or absent channel function as a disease mechanism. The analyses of CACNA1F mRNA also revealed novel alternative wt splice variants, which may enhance channel diversity or regulate the overall expression level of the channel. The results of our studies may be utilized in genetic counseling of the families, and they provide a basis for studies on the pathogenesis of these diseases. In the future, the knowledge of the genetic defects may be used in the identification of specific therapies for the patients.

Perinnölliset verkkokalvorappeumat ovat suurin näkövammaisuuden aiheuttaja työikäisten keskuudessa teollistuneissa maissa. Retiniitikoita eli periytyvää verkkokalvon rappeumaa sairastavia ihmisiä arvioidaan olevan noin promille maailman väestöstä. Periytyvät verkkokalvorappeumat ovat itse asiassa suuri joukko sairauksia, joiden periytymismalli ja taudin kuva vaihtelevat suuresti. Näihin osittaiseen tai täydelliseen sokeuteen johtaviin tauteihin ei tunneta tehokasta hoitokeinoa. Vilkkaan geenitutkimuksen ansiosta viime vuosina on tunnistettu useita kymmeniä geenejä, joiden virheet johtavat verkkokalvorappeuman syntyyn. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää kahden harvinaisen X-kromosomissa peittyvästi periytyvän verkkokalvorappeuman, tappi-sauvadystrofian ja Ahvenanmaan silmäsairauden, geneettistä taustaa. X-kromosomaalinen tappi-sauvadystrofia (CORDX) on etenevä, yleensä lapsuudessa alkava verkkokalvoa rappeuttava sairaus, joka ilmenee ainoastaan miehillä. Taudin tyypillisimpiä piirteitä ovat merkittävä näöntarkkuuden aleneminen, näkökentän puutokset, voimakas likinäköisyys ja värinäön häiriöt. Taudin kantajanaiset ovat useimmiten oireettomia. CORDX on geneettisesti monimuotoinen tauti ja taudin taustalla tiedetään olevan ainakin kahden eri geenin virheet. Ahvenanmaan silmäsairaus (AIED) kuvattiin ensimmäisen kerran vuonna 1964 yhden suomalaisen suvun miespotilailla. Taudin tyypillisimpiä piirteitä ovat alentunut näöntarkkuus, likinäköisyys, hajataitteisuus, silmävärve ja puutteellinen hämäränäkö. Alkuperäisen AIED-suvun lisäksi Suomessa ja ulkomailla on kuvattu perheitä, joiden potilailla on AIED:n kaltainen tauti (AIED-like). AIED-like potilaiden taudin taustalla on virheet solukalvon kalsiumkanavageenissä, CACNA1F. Alkuperäisen AIED-suvun tautigeeni on paikannettu X-kromosomiin samalle alueelle, jolla CACNA1F geeni sijaitsee, mutta geenitutkimuksissa ei ole löytynyt virheitä kyseisestä geenistä. Tutkimusaineistoomme kuului suuri suomalainen CORDX-suku sekä alkuperäinen AIED-suku. Tutkimuksen tavoitteena oli tunnistaa sekä CORDX:n että AIED:n taustalla olevat geenivirheet. Tutkimuksemme tärkein tulos oli virheellisen geenin löytyminen sekä CORDX- että AIED-potilailta paikkaan perustuvan kloonausmenetelmän avulla. Molempien perheiden potilailta löytyi aiemmin kuvaamaton virhe CACNA1F-geenistä. Jatkotutkimuksissa löysimme vielä kolmannen uuden virheen CACNA1F geenistä yksittäiseltä suomalaiselta hämäräsokeutta sairastavalta potilaalta. CACNA1F-geenin virheet aiheuttavat pääasiassa hämäräsokeutta (CSNB2), mutta geenin virheet voivat johtaa myös muihin samantyyppisiin verkkokalvon sairauksiin. Kaikki löytämämme geenivirheet vaikuttavat geenistä tuotettavan RNA:n silmukointiin ja saavat todennäköisesti aikaan geenistä tuotettavan kalsiumkanavaproteiinin puuttumisen tai virheellisen toiminnan potilaiden soluissa. Löysimme tutkimuksissamme myös luonnollista vaihtelua CACNA1F-geenin silmukoinnissa, mikä todennäköisesti vaikuttaa geenistä tuotettavan kalsiumkanavaproteiinin monimuotoisuuteen tai ilmentymisen tasoon normaaleissa soluissa. Tutkimustuloksemme lisäävät perinnöllisten verkkokalvorappeumien geneettisen taustan ja sen monimuotoisuuden ymmärrystä. Geenivirheiden tunnistaminen antaa pohjan näiden tautien syntymekanismin selvittämiselle ja täsmähoitojen kehittämiselle, sekä mahdollistaa näissä perheissä molekyyligenetiikkaan perustuvat diagnostiset tutkimukset.