Non-Syndromic Hearing Impairment in India: High Allelic Heterogeneity among Mutations in TMPRSS3, TMC1, USHIC, CDH23 and TMIE

Mutations in the autosomal genes TMPRSS3, TMC1, USHIC, CDH23 and TMIE are known to cause hereditary hearing loss. To study the contribution of these genes to autosomal recessive, non-syndromic hearing loss (ARNSHL) in India, we examined 374 families with the disorder to identify potential mutations. We found four mutations in TMPRSS3, eight in TMC1, ten in USHIC, eight in CDH23 and three in TMIE. Of the 33 potentially pathogenic variants identified in these genes, 23 were new and the remaining have been previously reported. Collectively, mutations in these five genes contribute to about one-tenth of ARNSHL among the families examined. New mutations detected in this study extend the allelic heterogeneity of the genes and provide several additional variants for structure-function correlation studies. These findings have implications for early DNA-based detection of deafness and genetic counseling of affected families in the Indian subcontinent.

Unexpected genetic heterogeneity in a large consanguineous Brazilian pedigree presenting deafness

Nonsyndromic autosomal recessive deafness accounts for 80% of hereditary deafness. To date, 52 loci responsible for autosomal recessive deafness have been mapped and 24 genes identified. Here, we report a large inbred Brazilian pedigree with 26 subjects affected by prelingual deafness. Given the extensive consanguinity found in this pedigree, the most probable pattern of inheritance is autosomal recessive. However, our linkage and mutational analysis revealed, instead of an expected homozygous mutation in a single gene, two different mutant alleles and a possible third undetected mutant allele in the MYO15A gene (DFNB3 locus), as well as evidence for other causes for deafness in the same pedigree. Among the 26 affected subjects, 15 were homozygous for the novel c.10573delA mutation in the MYO15A gene, 5 were compound heterozygous for the mutation c.10573delA and the novel deletion c.9957_9960delTGAC and one inherited only a single c.10573delA mutant allele, while the other one could not be identified. Given the extensive consanguinity of the pedigree, there might be at least one more deafness locus segregating to explain the condition in some of the subjects whose deafness is not clearly associated with MYO15A mutations, although overlooked environmental causes could not be ruled out. Our findings illustrate a high level of etiological heterogeneity for deafness in the family and highlight some of the pitfalls of genetic analysis of large genes in extended pedigrees, when homozygosity for a single mutant allele is expected.

Analysen zur molekularen Charakterisierung von Proteinen des humanen Usher-Syndroms und Evaluation genbasierter Therapiestrategien

Analysen zur molekularen Charakterisierung von Proteinen des humanen Usher-Syndroms und Evaluation genbasierter Therapiestrategien rnDas humane Usher Syndrom (USH) ist die häufigste Form vererbter Taub-Blindheit. In der vorliegenden Dissertation wurde diese komplexe Erkrankung auf verschiedenen Ebenen analysiert: in Arbeiten zur Expression und Lokalisation von USH-Proteinen, der Analyse der USH-Proteinnetzwerke und deren Funktionen sowie darauf aufbauend die Entwicklung von Therapiestrategien für USH.rnIm Rahmen der Arbeit wurde die Expression und (sub)-zelluläre Lokalisation des USH1D-Genproduktes CDH23 in der Retina und Cochlea analysiert. CDH23-Isoformen werden in der Maus zeitlich und räumlich differentiell exprimiert. In den Retinae von Mäusen, nicht humanen Primaten und Menschen zeigten Analysen eine unterschiedliche Expression und Lokalisation des Zell-Zelladhäsionsmoleküls CDH23, was auf Funktions-unterschiede der einzelnen Isoformen in den analysierten Spezies hindeutet.rnAnalysen zur Aufklärung der USH-Proteinnetzwerke ergaben eine potentielle Interaktion des USH1G-Gerüstproteins SANS mit dem Golgi- und Centrosom-assoziierten Protein Myomegalin. Die direkte Interaktion der Proteine konnte durch unabhängige Experimente verifiziert werden. Beide Interaktionspartner sind in den Retinae verschiedener Spezies partiell ko-lokalisiert und partizipieren im periciliären USH-Proteinnetzwerk. Die Assoziation von SANS und Myomegalin mit dem Mikrotubuli-Cytoskelett weist auf eine Funktion des Proteinkomplexes in gerichteten Transportprozessen innerhalb der Photorezeptoren hin und bekräftigt die Hypothese einer Rolle von SANS und assoziierten Netzwerken mit Transportprozessen.rnDas hier gewonnene erweiterte Verständnis der molekularen Grundlagen sowie die Aufklärung der zellulären Funktion der Proteinnetzwerke ermöglichen die Entwicklung therapeutischer Strategien für USH. Ein Fokus der vorliegenden Arbeit lag auf der Entwicklung genbasierter Therapiestrategien und deren Evaluation, wobei der Schwerpunkt auf der Therapiestrategie der Genreparatur lag. Die mit Hilfe von Zinkfinger-Nukleasen (ZFN) induzierte Homologe Rekombination für die Genkorrektur wurde exemplarisch an der 91C>T/p.R31X-Mutation im USH1C-Gen gezeigt. Effiziente ZFN wurden identifiziert, generiert und erfolgreich im Zellkulturmodellsystem eingesetzt. Die Analysen demonstrierten eine Reparatur der Mutation durch Homologe Rekombination auf genomischer Ebene und die Expression des wiederhergestellten Proteins. Durch die Genkorrektur im endogenen Lokus sind Größe des Gens, Isoformen oder die Art der Mutation keine limitierenden Faktoren für die Therapie. Die in der vorliegenden Arbeit durchgeführten Experimente unterstreichen das enorme Potential ZFN-basierter Therapiestrategien hin zu personalisierten Therapieformen nicht nur für USH sondern auch für andere erbliche Erkrankungen, deren genetische Grundlagen bekannt sind.rn

Integrity and regeneration of mechanotransduction machinery regulate aminoglycoside entry and sensory cell death

Sound perception requires functional hair cell mechanotransduction (MET) machinery, including the MET channels and tip-link proteins. Prior work showed that uptake of ototoxic aminoglycosides (AG) into hair cells requires functional MET channels. In this study, we examined whether tip-link proteins, including Cadherin 23 (Cdh23), regulate AG entry into hair cells. Using time-lapse microscopy on cochlear explants, we found rapid uptake of gentamicin-conjugated Texas Red (GTTR) into hair cells from three-day-old Cdh23(+/+) and Cdh23(v2J/+) mice, but failed to detect GTTR uptake in Cdh23(v2J/v2J) hair cells. Pre-treatment of wildtype cochleae with the calcium chelator 1,2-bis(o-aminophenoxy) ethane-N,N,N',N'-tetraacetic acid (BAPTA) to disrupt tip-links also effectively reduced GTTR uptake into hair cells. Both Cdh23(v2J/v2J) and BAPTA-treated hair cells were protected from degeneration caused by gentamicin. Six hours after BAPTA treatment, GTTR uptake remained reduced in comparison to controls; by 24 hours, drug uptake was comparable between untreated and BAPTA-treated hair cells, which again became susceptible to cell death induced by gentamicin. Together, these results provide genetic and pharmacologic evidence that tip-links are required for AG uptake and toxicity in hair cells. Because tip-links can spontaneously regenerate, their temporary breakage offers a limited time window when hair cells are protected from AG toxicity.