Recurrent CDKN1B (p27) mutations in hairy cell leukemia

Hairy cell leukemia (HCL) is marked by near 100% mutational frequency of BRAFV600E mutations. Recurrent cooperating genetic events that may contribute to HCL pathogenesis or affect the clinical course of HCL are currently not described. Therefore, we performed whole exome sequencing to explore the mutational landscape of purine analog refractory HCL. In addition to the disease-defining BRAFV600E mutations, we identified mutations in EZH2, ARID1A, and recurrent inactivating mutations of the cell cycle inhibitor CDKN1B (p27). Targeted deep sequencing of CDKN1B in a larger cohort of HCL patients identify deleterious CDKN1B mutations in 16% of patients with HCL (n = 13 of 81). In 11 of 13 patients the CDKN1B mutation was clonal, implying an early role of CDKN1B mutations in the pathogenesis of HCL. CDKN1B mutations were not found to impact clinical characteristics or outcome in this cohort. These data identify HCL as having the highest frequency of CDKN1B mutations among cancers and identify CDNK1B as the second most common mutated gene in HCL. Moreover, given the known function of CDNK1B, these data suggest a novel role for alterations in regulation of cell cycle and senescence in HCL with CDKN1B mutations.

Intraclonal heterogeneity is a critical early event in the development of myeloma and precedes the development of clinical symptoms.

The mechanisms involved in the progression from monoclonal gammopathy of undetermined significance (MGUS) and smoldering myeloma (SMM) to malignant multiple myeloma (MM) and plasma cell leukemia (PCL) are poorly understood but believed to involve the sequential acquisition of genetic hits. We performed exome and whole-genome sequencing on a series of MGUS (n=4), high-risk (HR)SMM (n=4), MM (n=26) and PCL (n=2) samples, including four cases who transformed from HR-SMM to MM, to determine the genetic factors that drive progression of disease. The pattern and number of non-synonymous mutations show that the MGUS disease stage is less genetically complex than MM, and HR-SMM is similar to presenting MM. Intraclonal heterogeneity is present at all stages and using cases of HR-SMM, which transformed to MM, we show that intraclonal heterogeneity is a typical feature of the disease. At the HR-SMM stage of disease, the majority of the genetic changes necessary to give rise to MM are already present. These data suggest that clonal progression is the key feature of transformation of HR-SMM to MM and as such the invasive clinically predominant clone typical of MM is already present at the SMM stage and would be amenable to therapeutic intervention at that stage.

Intraclonal heterogeneity and distinct molecular mechanisms characterize the development of t(4;14) and t(11;14) myeloma.

We have used whole exome sequencing to compare a group of presentation t(4;14) with t(11;14) cases of myeloma to define the mutational landscape. Each case was characterized by a median of 24.5 exonic nonsynonymous single-nucleotide variations, and there was a consistently higher number of mutations in the t(4;14) group, but this number did not reach statistical significance. We show that the transition and transversion rates in the 2 subgroups are similar, suggesting that there was no specific mechanism leading to mutation differentiating the 2 groups. Only 3% of mutations were seen in both groups, and recurrently mutated genes include NRAS, KRAS, BRAF, and DIS3 as well as DNAH5, a member of the axonemal dynein family. The pattern of mutation in each group was distinct, with the t(4;14) group being characterized by deregulation of chromatin organization, actin filament, and microfilament movement. Recurrent RAS pathway mutations identified subclonal heterogeneity at a mutational level in both groups, with mutations being present as either dominant or minor subclones. The presence of subclonal diversity was confirmed at a single-cell level using other tumor-acquired mutations. These results are consistent with a distinct molecular pathogenesis underlying each subgroup and have important impacts on targeted treatment strategies. The Medical Research Council Myeloma IX trial is registered under ISRCTN68454111.

A Rare Loss-of-Function Variant in Scavenger Receptor Class B Type I (SCARB1) Raises HDL Cholesterol and Increases Risk of Coronary Disease

Scavenger receptor BI (SR-BI) is the major receptor for high-density lipoprotein (HDL)
cholesterol (HDL-C). In humans, high amounts of HDL-C in plasma are associated with a
lower risk of coronary heart disease (CHD). Mice that have depleted Scarb1 (SR-BI
knockout mice) have markedly elevated HDL-C levels but, paradoxically, increased
atherosclerosis. The impact of SR-BI on HDL metabolism and CHD risk in humans remains
unclear. Through targeted sequencing of coding regions of lipid-modifying genes in 328
individuals with extremely high plasma HDL-C levels, we identified a homozygote for a lossof-function
variant, in which leucine replaces proline 376 (P376L), in SCARB1, the gene
encoding SR-BI. The P376L variant impairs posttranslational processing of SR-BI and
abrogates selective HDL cholesterol uptake in transfected cells, in hepatocyte-like cells
derived from induced pluripotent stem cells from the homozygous subject, and in mice.
Large population-based studies revealed that subjects who are heterozygous carriers of
the P376L variant have significantly increased levels of plasma HDL-C. P376L carriers have
a profound HDL-related phenotype and an increased risk of CHD (odds ratio = 1.79, which is
statistically significant).

Rare coding variants in the phospholipase D3 gene confer risk for Alzheimer's disease.

Genome-wide association studies (GWAS) have identified several risk variants for late-onset Alzheimer's disease (LOAD)1, 2. These common variants have replicable but small effects on LOAD risk and generally do not have obvious functional effects. Low-frequency coding variants, not detected by GWAS, are predicted to include functional variants with larger effects on risk. To identify low-frequency coding variants with large effects on LOAD risk, we carried out whole-exome sequencing (WES) in 14 large LOAD families and follow-up analyses of the candidate variants in several large LOAD case–control data sets. A rare variant in PLD3 (phospholipase D3; Val232Met) segregated with disease status in two independent families and doubled risk for Alzheimer’s disease in seven independent case–control series with a total of more than 11,000 cases and controls of European descent. Gene-based burden analyses in 4,387 cases and controls of European descent and 302 African American cases and controls, with complete sequence data for PLD3, reveal that several variants in this gene increase risk for Alzheimer’s disease in both populations. PLD3 is highly expressed in brain regions that are vulnerable to Alzheimer’s disease pathology, including hippocampus and cortex, and is expressed at significantly lower levels in neurons from Alzheimer’s disease brains compared to control brains. Overexpression of PLD3 leads to a significant decrease in intracellular amyloid-β precursor protein (APP) and extracellular Aβ42 and Aβ40 (the 42- and 40-residue isoforms of the amyloid-β peptide), and knockdown of PLD3 leads to a significant increase in extracellular Aβ42 and Aβ40. Together, our genetic and functional data indicate that carriers of PLD3 coding variants have a twofold increased risk for LOAD and that PLD3 influences APP processing. This study provides an example of how densely affected families may help to identify rare variants with large effects on risk for disease or other complex traits.

Exploration génétique de l'hypothyroïdie congénitale par dysgénésie thyroïdienne

L'hypothyroïdie congénitale par dysgénésie thyroïdienne (HCDT, ectopie dans plus de 80 %) a une prévalence de 1 cas sur 4000 naissances vivantes. L’HCDT est la conséquence d'une défaillance de la thyroïde embryonnaire à se différencier, à se maintenir ou à migrer vers sa localisation anatomique (partie antérieure du cou), qui aboutit à une absence totale de la thyroïde (athyréose) ou à une ectopie thyroïdienne (linguale ou sublinguale). Les HCDT sont principalement non-syndromiques (soit 98% des cas sont non-familiale), ont un taux de discordance de 92% chez les jumeaux monozygotes, et ont une prédominance féminine et ethnique (i.e., Caucasienne). La majorité des cas d’HCDT n’a pas de cause connue, mais est associée à un déficit sévère en hormones thyroïdiennes (hypothyroïdie). Des mutations germinales dans les facteurs de transcription liés à la thyroïde (NKX2.1, FOXE1, PAX8, NKX2.5) ont été identifiées dans seulement 3% des patients atteints d’HCDT sporadiques et l’analyse de liaisons exclue ces gènes dans les rares familles multiplex avec HCDT. Nous supposons que le manque de transmission familiale claire d’HCDT peut résulter de la nécessité d’au moins deux « hits » génétiques différents dans des gènes importants pour le développement thyroïdien. Pour répondre au mieux nos questions de recherche, nous avons utilisé deux approches différentes: 1) une approche gène candidat, FOXE1, seul gène impliqué dans l’ectopie dans le modèle murin et 2) une approche en utilisant les techniques de séquençage de nouvelle génération (NGS) afin de trouver des variants génétiques pouvant expliquer cette pathologie au sein d’une cohorte de patients avec HCDT. Pour la première approche, une étude cas-contrôles a été réalisée sur le promoteur de FOXE1. Il a récemment été découvert qu’une région du promoteur de FOXE1 est différentiellement méthylée au niveau de deux dinucléotides CpG consécutifs, définissant une zone cruciale de contrôle de l’expression de FOXE1. L’analyse d’association basée sur les haplotypes a révélé qu’un haplotype (Hap1: ACCCCCCdel1C) est associé avec le HCDT chez les Caucasiens (p = 5x10-03). Une réduction significative de l’activité luciférase est observée pour Hap1 (réduction de 68%, p<0.001) comparé au promoteur WT de FOXE1. Une réduction de 50% de l’expression de FOXE1 dans une lignée de cellules thyroïdienne humaine est suffisante pour réduire significativement la migration cellulaire (réduction de 55%, p<0.05). Un autre haplotype (Hap2: ACCCCCCC) est observé moins fréquemment chez les Afro-Américain comparés aux Caucasiens (p = 1.7x10-03) et Hap2 diminue l’activité luciférase (réduction de 26%, p<0.001). Deux haplotypes distincts sont trouvés fréquemment dans les contrôles Africains (Black-African descents). Le premier haplotype (Hap3: GTCCCAAC) est fréquent (30.2%) chez les contrôles Afro-Américains comparés aux contrôles Caucasiens (6.3%; p = 2.59 x 10-9) tandis que le second haplotype (Hap4: GTCCGCAC) est trouvé exclusivement chez les contrôles Afro-Américains (9.4%) et est absent chez les contrôles Caucasiens (P = 2.59 x 10-6). Pour la deuxième approche, le séquençage de l’exome de l’ADN leucocytaire entre les jumeaux MZ discordants n’a révélé aucune différence. D'où l'intérêt du projet de séquençage de l’ADN et l’ARN de thyroïdes ectopiques et orthotopiques dans lesquelles de l'expression monoallélique aléatoire dans a été observée, ce qui pourrait expliquer comment une mutation monoallélique peut avoir des conséquences pathogéniques. Finalement, le séquençage de l’exome d’une cohorte de 36 cas atteints d’HCDT a permis d’identifier de nouveaux variants probablement pathogéniques dans les gènes récurrents RYR3, SSPO, IKBKE et TNXB. Ces quatre gènes sont impliqués dans l’adhésion focale (jouant un rôle dans la migration cellulaire), suggérant un rôle direct dans les défauts de migration de la thyroïde. Les essais de migration montrent une forte diminution (au moins 60% à 5h) de la migration des cellules thyroïdiennes infectées par shRNA comparés au shCtrl dans 2 de ces gènes. Des zebrafish KO (-/- et +/-) pour ces nouveaux gènes seront réalisés afin d’évaluer leur impact sur l’embryologie de la thyroïde.

Understanding the genetic basis of phenotype variability in individuals with neurocognitive disorders

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

Mutations in SNX14 cause a distinctive autosomal-recessive cerebellar ataxia and intellectual disability syndrome

Intellectual disability and cerebellar atrophy occur together in a large number of genetic conditions and are frequently associated with microcephaly and/or epilepsy. Here we report the identification of causal mutations in Sorting Nexin 14 (SNX14) found in seven affected individuals from three unrelated consanguineous families who presented with recessively inherited moderate-severe intellectual disability, cerebellar ataxia, early-onset cerebellar atrophy, sensorineural hearing loss, and the distinctive association of progressively coarsening facial features, relative macrocephaly, and the absence of seizures. We used homozygosity mapping and whole-exome sequencing to identify a homozygous nonsense mutation and an in-frame multiexon deletion in two families. A homozygous splice site mutation was identified by Sanger sequencing of SNX14 in a third family, selected purely by phenotypic similarity. This discovery confirms that these characteristic features represent a distinct and recognizable syndrome. SNX14 encodes a cellular protein containing Phox (PX) and regulator of G protein signaling (RGS) domains. Weighted gene coexpression network analysis predicts that SNX14 is highly coexpressed with genes involved in cellular protein metabolism and vesicle-mediated transport. All three mutations either directly affected the PX domain or diminished SNX14 levels, implicating a loss of normal cellular function. This manifested as increased cytoplasmic vacuolation as observed in cultured fibroblasts. Our findings indicate an essential role for SNX14 in neural development and function, particularly in development and maturation of the cerebellum.

Molecular markers for diabetic nephropathy

Type 2 diabetes is one of the most common metabolic disorders in the world. Globally, the prevalence of this disorder is predicted to increase, along with the risk of developing diabetic related complications. One of those complications is diabetic nephropathy, defined by a progressive increase in proteinuria and a gradual decline in renal function. Approximately 25% to 30% of type 2 diabetic individuals develop this complication. However, its underlying genetic mechanisms remain unclear. Thus, the aim of this study is to contribute to the discovery of the genetic mechanisms involved in the development and progression of diabetic nephropathy, through the identification of relevant genetic variants in Portuguese type 2 diabetic individuals. The exomes of 36 Portuguese type 2 diabetic individuals were sequenced on the Ion ProtonTM Sequencer. From those individuals, 19 did not present diabetic nephropathy, being included in the control group, while the 17 individuals that presented the diabetic complication formed the case group. A statistical analysis was then performed to identify candidate common genetic variants, as well as genes accumulating rare variants that could be associated with diabetic nephropathy. From the search for common variants in the study population, the statistically significant (p-value ≤ 0.05) variants rs1051303 and rs1131620 in the LTBP4 gene, rs660339 in UCP2, rs2589156 in RPTOR, rs2304483 in the SLC12A3 gene and rs10169718 present in ARPC2, were considered as the most biologically relevant to the pathogenesis of diabetic nephropathy. The variants rs1051303 and rs1131620, as well as the variants rs660339 and rs2589156 were associated with protective effects in the development of the complication, while rs2304483 and rs10169718 were considered risk variants, being present in individuals with diagnosed diabetic nephropathy. In the rare variants approach, the genes with statistical significance (p-value ≤ 0.05) found, the STAB1 gene, accumulating 9 rare variants, and the CUX1 gene, accumulating 2 rare variants, were identified as the most relevant. Both genes were considered protective, with the accumulated rare variants mainly present in the group without the renal complication. The present study provides an initial analysis of the genetic evidence associated with the development and progression of diabetic nephropathy, and the results obtained may contribute to a deeper understanding of the genetic mechanisms associated with this diabetic complication.

Exploration génétique de l'hypothyroïdie congénitale par dysgénésie thyroïdienne

L'hypothyroïdie congénitale par dysgénésie thyroïdienne (HCDT, ectopie dans plus de 80 %) a une prévalence de 1 cas sur 4000 naissances vivantes. L’HCDT est la conséquence d'une défaillance de la thyroïde embryonnaire à se différencier, à se maintenir ou à migrer vers sa localisation anatomique (partie antérieure du cou), qui aboutit à une absence totale de la thyroïde (athyréose) ou à une ectopie thyroïdienne (linguale ou sublinguale). Les HCDT sont principalement non-syndromiques (soit 98% des cas sont non-familiale), ont un taux de discordance de 92% chez les jumeaux monozygotes, et ont une prédominance féminine et ethnique (i.e., Caucasienne). La majorité des cas d’HCDT n’a pas de cause connue, mais est associée à un déficit sévère en hormones thyroïdiennes (hypothyroïdie). Des mutations germinales dans les facteurs de transcription liés à la thyroïde (NKX2.1, FOXE1, PAX8, NKX2.5) ont été identifiées dans seulement 3% des patients atteints d’HCDT sporadiques et l’analyse de liaisons exclue ces gènes dans les rares familles multiplex avec HCDT. Nous supposons que le manque de transmission familiale claire d’HCDT peut résulter de la nécessité d’au moins deux « hits » génétiques différents dans des gènes importants pour le développement thyroïdien. Pour répondre au mieux nos questions de recherche, nous avons utilisé deux approches différentes: 1) une approche gène candidat, FOXE1, seul gène impliqué dans l’ectopie dans le modèle murin et 2) une approche en utilisant les techniques de séquençage de nouvelle génération (NGS) afin de trouver des variants génétiques pouvant expliquer cette pathologie au sein d’une cohorte de patients avec HCDT. Pour la première approche, une étude cas-contrôles a été réalisée sur le promoteur de FOXE1. Il a récemment été découvert qu’une région du promoteur de FOXE1 est différentiellement méthylée au niveau de deux dinucléotides CpG consécutifs, définissant une zone cruciale de contrôle de l’expression de FOXE1. L’analyse d’association basée sur les haplotypes a révélé qu’un haplotype (Hap1: ACCCCCCdel1C) est associé avec le HCDT chez les Caucasiens (p = 5x10-03). Une réduction significative de l’activité luciférase est observée pour Hap1 (réduction de 68%, p<0.001) comparé au promoteur WT de FOXE1. Une réduction de 50% de l’expression de FOXE1 dans une lignée de cellules thyroïdienne humaine est suffisante pour réduire significativement la migration cellulaire (réduction de 55%, p<0.05). Un autre haplotype (Hap2: ACCCCCCC) est observé moins fréquemment chez les Afro-Américain comparés aux Caucasiens (p = 1.7x10-03) et Hap2 diminue l’activité luciférase (réduction de 26%, p<0.001). Deux haplotypes distincts sont trouvés fréquemment dans les contrôles Africains (Black-African descents). Le premier haplotype (Hap3: GTCCCAAC) est fréquent (30.2%) chez les contrôles Afro-Américains comparés aux contrôles Caucasiens (6.3%; p = 2.59 x 10-9) tandis que le second haplotype (Hap4: GTCCGCAC) est trouvé exclusivement chez les contrôles Afro-Américains (9.4%) et est absent chez les contrôles Caucasiens (P = 2.59 x 10-6). Pour la deuxième approche, le séquençage de l’exome de l’ADN leucocytaire entre les jumeaux MZ discordants n’a révélé aucune différence. D'où l'intérêt du projet de séquençage de l’ADN et l’ARN de thyroïdes ectopiques et orthotopiques dans lesquelles de l'expression monoallélique aléatoire dans a été observée, ce qui pourrait expliquer comment une mutation monoallélique peut avoir des conséquences pathogéniques. Finalement, le séquençage de l’exome d’une cohorte de 36 cas atteints d’HCDT a permis d’identifier de nouveaux variants probablement pathogéniques dans les gènes récurrents RYR3, SSPO, IKBKE et TNXB. Ces quatre gènes sont impliqués dans l’adhésion focale (jouant un rôle dans la migration cellulaire), suggérant un rôle direct dans les défauts de migration de la thyroïde. Les essais de migration montrent une forte diminution (au moins 60% à 5h) de la migration des cellules thyroïdiennes infectées par shRNA comparés au shCtrl dans 2 de ces gènes. Des zebrafish KO (-/- et +/-) pour ces nouveaux gènes seront réalisés afin d’évaluer leur impact sur l’embryologie de la thyroïde.

A novel mutation in the TMC1 gene causes non-syndromic hearing loss in a Moroccan family

International audience

Understanding ten-eleven translocation-2 in hematological and nervous systems

I proposed the study of two distinct aspects of Ten-Eleven Translocation 2 (TET2) protein for understanding specific functions in different body systems. ^ In Part I, I characterized the molecular mechanisms of Tet2 in the hematological system. As the second member of Ten-Eleven Translocation protein family, TET2 is frequently mutated in leukemic patients. Previous studies have shown that the TET2 mutations frequently occur in 20% myelodysplastic syndrome/myeloproliferative neoplasm (MDS/MPN), 10% T-cell lymphoma leukemia and 2% B-cell lymphoma leukemia. Genetic mouse models also display distinct phenotypes of various types of hematological malignancies. I performed 5-hydroxymethylcytosine (5hmC) chromatin immunoprecipitation sequencing (ChIP-Seq) and RNA sequencing (RNA-Seq) of hematopoietic stem/progenitor cells to determine whether the deletion of Tet2 can affect the abundance of 5hmC at myeloid, T-cell and B-cell specific gene transcription start sites, which ultimately result in various hematological malignancies. Subsequent Exome sequencing (Exome-Seq) showed that disease-specific genes are mutated in different types of tumors, which suggests that TET2 may protect the genome from being mutated. The direct interaction between TET2 and Mutator S Homolog 6 (MSH6) protein suggests TET2 is involved in DNA mismatch repair. Finally, in vivo mismatch repair studies show that the loss of Tet2 causes a mutator phenotype. Taken together, my data indicate that TET2 binds to MSH6 to protect genome integrity. ^ In Part II, I intended to better understand the role of Tet2 in the nervous system. 5-hydroxymethylcytosine regulates epigenetic modification during neurodevelopment and aging. Thus, Tet2 may play a critical role in regulating adult neurogenesis. To examine the physiological significance of Tet2 in the nervous system, I first showed that the deletion of Tet2 reduces the 5hmC levels in neural stem cells. Mice lacking Tet2 show abnormal hippocampal neurogenesis along with 5hmC alternations at different gene promoters and corresponding gene expression downregulation. Through the luciferase reporter assay, two neural factors Neurogenic differentiation 1 (NeuroD1) and Glial fibrillary acidic protein (Gfap) were down-regulated in Tet2 knockout cells. My results suggest that Tet2 regulates neural stem/progenitor cell proliferation and differentiation in adult brain.^