Next-generation sequencing of iron-metabolism related genes in Portuguese patients with iron overload: novel pathogenic genetic variants

Objective: In Southern European countries up to one-third of the patients with hereditary hemochromatosis (HH) do not present the common HFE risk genotype. In order to investigate the molecular basis of these cases we have designed a gene panel for rapid and simultaneous analysis of 6 HH-related genes (HFE, TFR2, HJV, HAMP, SLC40A1 and FTL) by next-generation sequencing (NGS). Materials and Methods: Eighty-eight iron overload Portuguese patients, negative for the common HFE mutations, were analysed. A TruSeq Custom Amplicon kit (TSCA, by Illumina) was designed in order to generate 97 amplicons covering exons, intron/exon junctions and UTRs of the mentioned genes with a cumulative target sequence of 12115bp. Amplicons were sequenced in the MiSeq instrument (IIlumina) using 250bp paired-end reads. Sequences were aligned against human genome reference hg19 using alignment and variant caller algorithms in the MiSeq reporter software. Novel variants were validated by Sanger sequencing and their pathogenic significance were assessed by in silico studies. Results: We found a total of 55 different genetic variants. These include novel pathogenic missense and splicing variants (in HFE and TFR2), a very rare variant in IRE of FTL, a variant that originates a novel translation initiation codon in the HAMP gene, among others. Conclusion: The merging of TSCA methodology and NGS technology appears to be an appropriate tool for simultaneous and fast analysis of HH-related genes in a large number of samples. However, establishing the clinical relevance of NGS-detected variants for HH development remains a hard-working task, requiring further functional studies.

Ferroportin Disease (Haemochromatosis-type IV): a case report

Introdution: Haemochromatosis-type IV, the ferroportin disease, is characterized by an autosomal-dominant transmission and early iron accumulation in macrophages. It is caused by mutations in the transmembrane iron exporter protein ferroportin1 (SLC40A1 gene). In form A (classic), ferroportin loss of function mutants are unable to export iron from cells leading to cellular iron accumulation with decreased availability of iron for serum transferrin (TS). We present a Portuguese rare clinical case of HH-IV. Materials and Methods: A 41-year-old woman with hyperferritinemia and normal TS. Causes of hyperferritinemia (inflammation, chronic alcohol consumption, metabolic syndrome, cell necrosis, non-alcoholic fatty liver disease and aceruloplasminemia) were assessed. Liver iron, evaluated by magnetic resonance imaging (MRI) was carried out. Screening for mutation in HFE and SCL40A1 genes were performed by Sanger sequencing. Baseline: Ferritin:708ng/ml; TS: 27%; MRI:85µmol/g; Hb:13,6g/dl. Therapy: weekly 450ml Therapeutic Phlebotomies (TP) until ferritin≤50ng/ml. Results: Hyperferritinemia comorbidities and common genetic mutations for haemochromatosis were negative. However, sequencing of the patient SLC40A1 gene has revealed the presence in heterozygosity of the variant c.238G>A; p.Gly80Ser. Due to low tolerance to TP, we adopted smaller phlebotomies every three weeks. Conclusion: This patient has a rare autosomal-dominant Ferroportin disease due to a mutated ferroportin which is predicted to be defective in iron cellular export. In agreement, she presents hyperferritinemia, with normal TS and liver iron overload. The genotype/phenotype association allowed to diagnosis this rare FD case. Although a mild form A, we decided to start TP. Her father also has been treated for iron overload.

A desregulação da homeostase do ferro: base molecular e patologias associadas

A homeostase do ferro requer um rigoroso processo de regulação, uma vez que este é um elemento essencial para alguns dos mecanismos celulares básicos mas, quando se encontra em excesso, origina profundos danos celulares e falha de órgãos. Dado que o organismo humano não possui um mecanismo ativo de excreção de ferro, é essencial que a sua homeostase seja estabelecida através de uma estreita comunicação entre os locais de absorção, utilização e armazenamento. Esta interligação é conseguida, essencialmente, através da ação de uma hormona circulante, a hepcidina. A hepcidina é sintetizada ao nível dos hepatócitos do fígado, sendo a sua expressão aumentada pelos níveis de ferro e inflamação e suprimida pela eritropoiese e hipoxia. A hepcidina regula negativamente a absorção duodenal do ferro proveniente da alimentação, a libertação pelos macrófagos do ferro resultante da fagocitose dos glóbulos vermelhos senescentes, assim como a libertação do ferro armazenado nos hepatócitos. A hemocromatose hereditátria (HH) do tipo 1 é uma doença de transmissão autossómica recessiva associada a mutações no gene HFE (p.Cys282Tyr e p.His63Asp). É a patologia humana mais comum de sobrecarga primária em ferro, apresenta penetrância incompleta, e é um dos distúrbios genéticos mais frequentes em caucasianos de ascendência Norte-Europeia. Na hemocromatose, apesar de haver um excesso de ferro no organismo, este facto não é refletido no nível de expressão da hormona hepcidina (cujos níveis deveriam aumentar). Pelo contrário, o nível de expressão da hepcidina encontra-se diminuído o que perpetua a constante absorção do ferro a nível duodenal. Os sintomas associados à doença iniciam-se geralmente na meia-idade e começam por consistir em sintomas gerais de fadiga e dores articulares. No entanto, a progressiva acumulação do ferro em vários órgãos (tais como fígado, coração e pâncreas) provoca aí graves danos, tais como cirrose, carcinoma hepatocelular, cardiomiopatias e diabetes. Para além da HH do tipo 1, podem ocorrer outros tipos de hemocromatose por mutações noutros genes relacionados com o metabolismo do ferro (tais como TFR2, HJV, HAMP, SLC40A1, etc). Mutações em genes como HAMP e HJV associam-se a hemocromatoses mais graves, de início ainda na juventude (hemocromatose juvenil). A implementação no nosso laboratório da nova metodologia de Next-Generation Sequencing permitiu-nos realizar a pesquisa de variantes simultaneamente em 6 genes relacionados com o metabolismo do ferro, em 88 doentes com fenótipo de hemocromatose hereditária não-clássica. Foram identificadas 54 variantes diferentes sendo algumas delas novas. Estudos in silico e estudos funcionais in vitro (em linhas celulares) permitiram-nos comprovar a patogenicidade de algumas das variantes novas e compreender os mecanismos moleculares subjacentes ao desenvolvimento da sobrecarga em ferro. Pelo contrário, no lado oposto do espetro das patologias relacionadas com o ferro, encontram-se as anemias por falta de ferro (anemias ferropénicas). A Organização Mundial de Saúde define anemia quando os níveis de hemoglobina no sangue são menores do que 12 g/dL na Mulher e 13 g/dL no Homem. A hemoglobina é a proteína existente nos glóbulos vermelhos do sangue, responsável pelo transporte de oxigénio no organismo, e cuja molécula é um tetrâmero formado por 4 cadeias polipeptídicas (as globinas) e 4 grupos heme que contêm 4 átomos de ferro. A falta de ferro impede que se formem as moléculas de hemoglobina a níveis normais em cerca de 20% da população portuguesa e isso é devido a carências alimentares ou a dificuldades na absorção do ferro proveniente da alimentação. Entre os fatores genéticos moduladores desta última situação parecem estar algumas variantes polimórficas no gene TMPRSS6, codificante da proteína Matriptase-2, um dos agentes envolvidos na regulação da expressão da hepcidina. Por outro lado, mutações neste gene dão origem a anemias ferropénicas graves, refratárias ao tratamento oral com ferro (Iron Refractory Iron Deficiency Anaemia - IRIDA). As Hemoglobinopatias são outro tipo de anemia hereditária. Estas não estão relacionadas com o défice de ferro mas sim com defeitos nas cadeias globínicas, constituintes da hemoglobina (α2β2). As hemoglobinopatias que estão relacionadas com um problema quantitativo, ou seja quando há ausência ou diminuição de síntese de uma cadeia globínica, denominam-se talassémias: beta-talassémia, alfa-talassémia, delta-talassémia, etc, consoante o gene afetado. Por outro lado, quando o problema é de carácter qualitativo, ou seja ocorre a síntese de uma cadeia globínica estruturalmente anómala, esta é denominada uma variante de hemoglobina. Enquadra-se neste último grupo a Anemia das Células Falciformes ou Drepanocitose. As hemoglobinopatias são das patologias genéticas mais frequentes no mundo, sendo que nalguns locais são um grave problema de saúde pública. Em Portugal foram realizados estudos epidemiológicos que permitiram determinar a frequência de portadores na população e foi implementado um programa de prevenção.

Anemia das Células Falciformes: hemólise crónica e vasculopatia cerebral

São apresentados os resultados obtidos no âmbito de dois projetos de investigação no âmbito dos fatores genéticos moduladores da hemólise crónica e da vasculopatia cerebral (AVC e enfartes silenciosos) na Anemia das Células Falciformes. São discutidos os mecanismos subjacentes e hipóteses de uso como alvos terapêuticos.

Hemorheological alterations in sickle cell anemia and their clinical consequences: the role of genetic modulators

Sickle cell anemia (SCA) is an autosomal recessive chronic hemolytic anemia, caused by homozygosity for the HBB:c.20A>T mutation. The disease presents with high clinical heterogeneity, stroke being the most devastating manifestation. This study aimed to identify genetic modulators of severe hemolysis and stroke risk in children with SCA, as well as understand their consequences at the hemorheological level. Sixty-six children with SCA were categorised according to their degree of cerebral vasculopathy (Stroke/Risk/Control). Relevant data were collected from patients’ medical records. Several polymorphic regions in genes related to vascular cell adhesion and tonus were characterized by molecular methodologies. Data analyses were performed using R software. Several in silico tools (e.g. TFBind, MatInspector) were applied to investigate the main variant consequences. Some genetic variants in vascular adhesion molecule-1 gene promoter and endothelial nitric oxide synthase gene were associated with higher levels of hemolysis and stroke events. They modify important transcription factor binding sites or disturb the corresponding protein structure/function. Our findings emphasize the relevance of the genetic variants in modulating the degree of hemolysis and development of cerebral vasculopathy due to their effect on gene expression, modification of protein biological activities related with erythrocyte/endothelial interactions and consequent hemorheological abnormalities in SCA.

Diminuição da expressão dos genes APP e CP em doentes de Alzheimer sugere alteração da exportação de ferro celular nesta demência

Recentemente tem-se assistido a um acumular de evidência sugerindo a implicação de uma desregulação do metabolismo do ferro (Fe) na fisiopatologia da doença de Alzheimer (DA). Neste trabalho, pretendemos esclarecer melhor os mecanismos moleculares subjacentes à homeostasia deste metal na DA, particularmente ao nível do efluxo celular. Assim, mediu-se em células mononucleares do sangue periférico de 73 doentes com DA e 74 controlos a expressão de genes diretamente envolvidos na regulação e exportação celular de Fe, utilizando a técnica de PCR quantitativo. Os resultados mostraram uma diminuição significativa na expressão dos genes aconitase (ACO1; P=0,007); ceruloplasmina (CP; P<0,001) e proteína precursora de beta amilóide (APP; P=0,006) em doentes com DA comparativamente com os voluntários saudáveis. Estas observações apontam para uma diminuição significativa da expressão dos genes associados com a exportação de Fe celular mediada pela ferroportina na DA. Assim, o presente estudo reforça resultados anteriores que mostram alterações no metabolismo do Fe e podem estar na origem da retenção intracelular deste metal e aumento de stress oxidativo caraterísticos desta patologia.

Next-generation sequencing of hereditary hemochromatosis-related genes: novel likely pathogenic variants found in the Portuguese population

Hereditary hemochromatosis (HH) is an autosomal recessive disorder characterized by excessive iron absorption resulting in pathologically increased body iron stores. It is typically associated with common HFE gene mutation (p.Cys282Tyr and p.His63Asp). However, in Southern European populations up to one third of HH patients do not carry the risk genotypes. This study aimed to explore the use of next-generation sequencing (NGS) technology to analyse a panel of iron metabolism-related genes (HFE, TFR2, HJV, HAMP, SLC40A1, and FTL) in 87 non-classic HH Portuguese patients. A total of 1241 genetic alterations were detected corresponding to 53 different variants, 13 of which were not described in the available public databases. Among them, five were predicted to be potentially pathogenic: three novel mutations in TFR2 [two missense (p.Leu750Pro and p.Ala777Val) and one intronic splicing mutation (c.967-1GNC)], one missense mutation in HFE (p.Tyr230Cys), and one mutation in the 5′-UTR of HAMP gene(c.-25GNA). The results reported here illustrate the usefulness of NGS for targeted iron metabolism-related gene panels, as a likely cost-effective approach for molecular genetics diagnosis of non-classic HH patients. Simultaneously, it has contributed to the knowledge of the pathophysiology of those rare iron metabolism-related disorders.