The search for migraine genes : an overview of current knowledge

Migraine is a complex familial condition that imparts a significant burden on society. There is evidence for a role of genetic factors in migraine, and elucidating the genetic basis of this disabling condition remains the focus of much research. In this review we discuss results of genetic studies to date, from the discovery of the role of neural ion channel gene mutations in familial hemiplegic migraine (FHM) to linkage analyses and candidate gene studies in the more common forms of migraine. The success of FHM regarding discovery of genetic defects associated with the disorder remains elusive in common migraine, and causative genes have not yet been identified. Thus we suggest additional approaches for analysing the genetic basis of this disorder. The continuing search for migraine genes may aid in a greater understanding of the mechanisms that underlie the disorder and potentially lead to significant diagnostic and therapeutic applications.

Holoprosencephaly, Ectrodactyly, and Bilateral Cleft of Lip and Palate: Exclusion of SHH, TGIF, SIX3, GLI2, TP73L, and DHCR7 as Candidate Genes

We describe a Brazilian boy with semilobar holoprosencephaly, ectrodactyly, bilateral cleft of lip and palate, and severe mental retardation. The karyotype was normal and the screening for mutations in the genes SHH, TGIF, SIX3, GLI2 TP73L, and DHCR7 did not show any change. This rare condition was described previously in seven male patients. Clinical and genetic aspects are discussed. (C) 2009 Wiley-Liss, Inc.

The revolution in human monogenic disease mapping

The successful completion of the Human Genome Project (HGP) was an unprecedented scientific advance that has become an invaluable resource in the search for genes that cause monogenic and common (polygenic) diseases. Prior to the HGP, linkage analysis had successfully mapped many disease genes for monogenic disorders; however, the limitations of this approach were particularly evident for identifying causative genes in rare genetic disorders affecting lifespan and/or reproductive fitness, such as skeletal dysplasias. In this review, we illustrate the challenges of mapping disease genes in such conditions through the ultra-rare disorder fibrodysplasia ossificans progressiva (FOP) and we discuss the advances that are being made through current massively parallel (“next generation”) sequencing (MPS) technologies.

Autosomal dominant spondylocostal dysostosis is caused by mutation in TBX6

In humans, congenital spinal defects occur with an incidence of 0.5-1 per 1000 live births. One of the most severe syndromes with such defects is spondylocostal dysostosis (SCD). Over the past decade, the genetic basis of several forms of autosomal recessive SCD cases has been solved with the identification of four causative genes (DLL3, MESP2, LFNG and HES7). Autosomal dominant forms of SCD have also been reported, but to date no genetic etiology has been described for these. Here, we have used exome capture and next-generation sequencing to identify a stoploss mutation in TBX6 that segregates with disease in two generations of one family. We show that this mutation has a deleterious effect on the transcriptional activation activity of the TBX6 protein, likely due to haploinsufficiency. In mouse, Tbx6 is essential for the patterning of the vertebral precursor tissues, somites; thus, mutation of TBX6 is likely to be causative of SCD in this family. This is the first identification of the genetic cause of an autosomal dominant form of SCD, and also demonstrates the potential of exome sequencing to identify genetic causes of dominant diseases even in small families with few affected individuals.

Of tolerance in mice and men : studies in APECED and Aire

Autoimmune diseases affect 5 % of the population and come in many forms, such as diabetes, rheumatoid arthritis and MS. However, how and why autoimmune diseases arise are not yet fully resolved. In this thesis, the onset of autoimmunity was investigated using both patient samples and a mouse model of autoimmunity. Autoimmune diseases are usually complex, due to a number of different causative genes and environmental factors. However, a few monogenic autoimmune diseases have been described, which are caused by mutations in only one gene per disease. One of such disease is called APECED (autoimmune polyendocrinopathy-candidiasis-ectodermal dystrophy) and is enriched in the Finnish population. The causative gene behind APECED is named AIRE from AutoImmune REgulator. How malfunction of just one gene product can cause the multitude of disease components found in APECED is not yet resolved. This thesis sought out to find out more about the functions of AIRE, in order to reveal why APECED and other autoimmune diseases arise and what goes wrong? Usually, immune cells are taught to distinguish between self and non-self during their development. That way, immune cells can fight off bacteria and microbes while leaving the tissues and organs of the host organism itself unharmed. In APECED, the development of immune cells called αβ T cells is incomplete. The cells are not able to fully distinguish between self and non-self. This leads to autodestruction of self tissues and autoimmune disease. One of the achievements of this thesis was the finding that the development of another set of T cells called γδ T cells is not affected by AIRE in mice or in men. Instead, we found that another type of immune cell important in tolerance, called the dendritic cell is defective in APECED patients and is not able to respond to microbial stimulus in a normal fashion. Finally, we studied Aire-deficient mice and found that autoantibodies expressed in the mice were not targeted against the same molecules as those found in APECED patients. This indicates differences in the autoimmune pathology in mice and men. More work is still required before we understand the mechanisms of tolerance and autoimmunity well enough to be able to cure APECED, let alone the more complex autoimmune diseases. Yet altogether, the findings of this thesis work bring us one step closer to finding out why and how APECED and common autoimmune diseases arise.

Role of G protein coupled inwardly rectifier K+ channels (GIRK) on the neurobiology depression

353 págs.

Individuals with mutations in XPNPEP3, which encodes a mitochondrial protein, develop a nephronophthisis-like nephropathy.

The autosomal recessive kidney disease nephronophthisis (NPHP) constitutes the most frequent genetic cause of terminal renal failure in the first 3 decades of life. Ten causative genes (NPHP1-NPHP9 and NPHP11), whose products localize to the primary cilia-centrosome complex, support the unifying concept that cystic kidney diseases are "ciliopathies". Using genome-wide homozygosity mapping, we report here what we believe to be a new locus (NPHP-like 1 [NPHPL1]) for an NPHP-like nephropathy. In 2 families with an NPHP-like phenotype, we detected homozygous frameshift and splice-site mutations, respectively, in the X-prolyl aminopeptidase 3 (XPNPEP3) gene. In contrast to all known NPHP proteins, XPNPEP3 localizes to mitochondria of renal cells. However, in vivo analyses also revealed a likely cilia-related function; suppression of zebrafish xpnpep3 phenocopied the developmental phenotypes of ciliopathy morphants, and this effect was rescued by human XPNPEP3 that was devoid of a mitochondrial localization signal. Consistent with a role for XPNPEP3 in ciliary function, several ciliary cystogenic proteins were found to be XPNPEP3 substrates, for which resistance to N-terminal proline cleavage resulted in attenuated protein function in vivo in zebrafish. Our data highlight an emerging link between mitochondria and ciliary dysfunction, and suggest that further understanding the enzymatic activity and substrates of XPNPEP3 will illuminate novel cystogenic pathways.

Co-inheritance of two rare genodermatoses (Papillon Lefevre syndrome and Oculocutaneous Albinism Type 1) in two families

The co-occurrence of two rare recessive genetic conditions in apparently unrelated individuals or families is extremely rare. Two geographically distant and apparently unrelated families were identified in which individuals were simultaneously affected by two rare recessive mendelian syndromes, Papillon-Lefevre syndrome and type 1 oculocutaneous albinism. The families were tested for mutations in the causative genes, cathepsin C (CTSC) and tyrosinase (TYR), respectively, by direct sequencing. To assess the relationship of the two families, both families were tested for polymorphisms at eight microsatellite markers spanning both CTSC and TYR loci. Independent mutations (c.318-1G-->A and c.817G-->C/p.W272C) were identified in CTSC and TYR, respectively, that were shared by the affected individuals in both families. The two affected genes lie close together on chromosome bands 11q14.2-14.3, and studies with linked genetic markers suggested that the families shared a small chromosomal segment carrying both mutations that had been transmitted intact from a remote common ancestor. The co-occurrence of the two rare diseases in multiple families depends on their shared chromosomal location, but not on any shared pathogenic mechanism.

Development of a Diagnostic Genetic Test for Simplex and Autosomal Recessive Retinitis Pigmentosa

PURPOSE: Retinitis pigmentosa (RP) causes hereditary blindness in adults (prevalence, approximately 1 in 4000). Each of the more than 30 causative genes identified to date are responsible for only a small percentage of cases. Genetic diagnosis via traditional methods is problematic, and a single test with a higher probability of detecting the causative mutation would be very beneficial for the clinician. The goal of this study therefore was to develop a high-throughput screen capable of detecting both known mutations and novel mutations within all genes implicated in autosomal recessive or simplex RP. DESIGN: Evaluation of diagnostic technology. PARTICIPANTS AND CONTROLS: Participants were 56 simplex and autosomal recessive RP patients, with 360 population controls unscreened for ophthalmic disease. METHODS: A custom genechip capable of resequencing all exons containing known mutations in 19 disease-associated genes was developed (RP genechip). A second, commercially available arrayed primer extension (APEX) system was used to screen 501 individual previously reported variants. The ability of these high-throughput approaches to identify pathogenic variants was assessed in a cohort of simplex and autosomal recessive RP patients. MAIN OUTCOME MEASURES: Number of mutations and potentially pathogenic variants identified. RESULTS: The RP genechip identified 44 sequence variants: 5 previously reported mutations; 22 known single nucleotide polymorphisms (SNPs); 11 novel, potentially pathogenic variants; and 6 novel SNPs. There was strong concordance with the APEX array, but only the RP genechip detected novel variants. For example, identification of a novel mutation in CRB1 revealed a patient, who also had a single previously known CRB1 mutation, to be a compound heterozygote. In some individuals, potentially pathogenic variants were discovered in more than one gene, consistent with the existence of disease modifier effects resulting from mutations at a second locus. CONCLUSIONS: The RP genechip provides the significant advantage of detecting novel variants and could be expected to detect at least one pathogenic variant in more than 50% of patients. The APEX array provides a reliable method to detect known pathogenic variants in autosomal recessive RP and simplex RP patients and is commercially available. High-throughput genotyping for RP is evolving into a clinically useful genetic diagnostic tool.

Analysis of alteration of p75NTR processing and signalling by PS2 mutation and gamma-secretase inhibition

The presenilins (PSs) were identified as causative genes in cases of early-onset familial Alzheimer's disease (AD) and current evidence indicates that PSs are part of the gamma-secretase complex responsible for proteolytic processing of type I membrane proteins. p75NTR, a common neurotrophin receptor, was shown to be subject to gamma-secretase processing. However, it is not clear if the p75NTR downstream signal is altered in response to gamma-secretase cleavage, and further there is a possibility that AD-related PS mutations may affect this cleavage, resulting in pathogenic alterations in signal transduction. In this study, we confirmed that p75NTR downstream signalling is altered by PS2 mutation or gamma-secretase inhibition in SHSY-5Y cells. The activity of the small GTPase RhoA is strongly affected by these treatments. This study demonstrates that gamma-secretase and PS2 play an important role in regulating neurotrophin signal transduction and either mutation of PS2 or inhibition of gamma-secretase disturbs this function.

Recherche des facteurs génétiques à l’origine de la maladie de Parkinson dans la population canadienne-française du Québec

La maladie de Parkinson (MP) est une affection neurodégénérative invalidante et incurable. Il est maintenant clairement établi que d’importants déterminants génétiques prédisposent à son apparition. La recherche génétique sur des formes familiales de la MP a mené à la découverte d’un minimum de six gènes causatifs (SNCA, LRRK2, Parkin, PINK1, DJ-1 and GBA) et certains, par exemple LRRK2, contiennent des variations génétiques qui prédisposent également aux formes sporadiques. La caractérisation des protéines codées par ces gènes a mené à une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires sousjacents. Toutefois, en dépit de ces efforts, les causes menant à l’apparition de la MP restent inconnues pour la majorité des patients. L’objectif général des présents travaux était d’identifier des mutations prédisposant à la MP dans la population canadienne-française du Québec à partir d’une cohorte composée principalement de patients sporadiques. Le premier volet de ce projet consistait à déterminer la présence de mutations de LRRK2 dans notre cohorte en séquençant directement les exons contenant la majorité des mutations pathogéniques et en effectuant une étude d’association. Nous n’avons identifié aucune mutation et l’étude d’association s’est avérée négative, suggérant ainsi que LRRK2 n’est pas une cause significative de la MP dans la population canadienne-française. La deuxième partie du projet avait pour objectif d’identifier de nouveaux gènes causatifs en séquençant directement des gènes candidats choisis à cause de leurs implications dans différents mécanismes moléculaires sous-tendant la MP. Notre hypothèse de recherche était basée sur l’idée que la MP est principalement due à des mutations individuellement rares dans un grand nombre de gènes différents. Nous avons identifié des mutations rares dans les gènes PICK1 et MFN1. Le premier code pour une protéine impliquée dans la régulation de la transmission du glutamate tandis que le second est un des acteurs-clés du processus de fusion mitochondriale. Nos résultats, qui devront être répliqués, suggèrent que le séquençage à grande échelle pourrait être une méthode prometteuse d’élucidation des facteurs de prédisposition génétiques à la MP ; ils soulignent l’intérêt d’utiliser une population fondatrice comme les canadiens-français pour ce type d’étude et devraient permettre d’approfondir les connaissances sur la pathogénèse moléculaire de la MP.

Développement de modèles C. elegans de Sclérose Latérale Amyotrophique

Les gènes TDP-43 (TAR DNA Binding Protein 43) et FUS/TLS (Fused in Sarcoma/Translocated in Liposarcoma) sont actuellement à l’étude quant à leurs rôles biologiques dans le développement de diverses neuropathies telles que la Sclérose Latérale Amyotrophique (SLA). Étant donné que TDP-43 et FUS sont conservés au cours de l’évolution, nous avons utilisé l’organisme modèle C. elegans afin d’étudier leurs fonctions biologiques. Dans ce mémoire, nous démontrons que TDP-1 fonctionne dans la voie de signalisation Insuline/IGF pour réguler la longévité et la réponse au stress oxydatif. Nous avons développé des lignées C. elegans transgéniques mutantes TDP-43 et FUS qui présentent certains aspects de la SLA tels que la dégénérescence des motoneurones et la paralysie adulte. La protéotoxicité causée par ces mutations de TDP- 43 et FUS associées à la SLA, induit l’expression de TDP-1. À l’inverse, la délétion de tdp-1 endogène protège contre la protéotoxicité des mutants TDP-43 et FUS chez C. elegans. Ces résultats suggèrent qu’une induction chronique de TDP-1/TDP-43 sauvage propagerait la protéotoxicité liée à la protéine mutante. Nous avons aussi entrepris un criblage moléculaire pilote afin d’isoler des suppresseurs de toxicité neuronale des modèles transgéniques mutants TDP-43 et FUS. Nous avons ainsi identifié le bleu de méthylène et le salubrinal comme suppresseurs potentiels de toxicité liée à TDP-43 et FUS via réduction de la réponse au stress du réticulum endoplasmique (RE). Nos résultats indiquent que l’homéostasie de repliement des protéines dans le RE représente une cible pour le développement de thérapies pour les maladies neurodégénératives.

Malformation Chiari-Like : l’investigation d’une maladie complexe par l’utilisation d’un modèle canin

La malformation de Chiari type 1 (MCI) est une anomalie congénitale de la jonction cranio-cérébrale fréquente avec une incidence de 1:1280. MCI est caractérisée par la descente des amygdales cérébelleuses à travers le foramen magnum et est souvent associée à la syringomyélie. Les causes de cette maladie semblent être multifactorielles incluant des facteurs génétiques. La MCI est similaire à une malformation fréquente chez la race des Griffon Bruxellois (GB) connue sous le nom de Malformation Chiari-like (MCL). Le modèle canin offre l’avantage d’une forte homogénéité génétique réduisant ainsi la complexité de la maladie et facilitant l’identification d’un locus causatif. Une étude d’association du génome entier sur une cohorte de 56 GB suivie d’une cartographie fine sur une cohorte de 217 GB a identifié un locus fortement associé à la MCL sur le chromosome 2 (22 SNPs, valeur P= 7 x 10-8) avec un haplotype de 1.9 Mb plus fréquent chez les non affectés. Une seconde étude d’association du génome entier sur une cohorte de 113 GB a permis d’identifier un 2 ème locus fortement associé à la MCL sur le chromosome 13 (25 SNPs , valeur P= 3 x 10 -7) avec un haplotype de 4 Mb surreprésenté chez les non affectés. Ces régions candidates constituent la première étape vers l’identification de gènes causatifs pour la MCL. Notre étude offre un point d’entrée vers une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires sous-tendant la pathogénèse de la MCI humaine.

Criblage génétique et caractérisation fonctionnelle des mutations dans les différentes sous-unités du récepteur GABAA associées à l'épilepsie génétique généralisée

Les épilepsies génétiques généralisées (ÉGGs) sont un groupe de syndromes épileptiques hétérogènes qui se manifestent habituellement durant les périodes de l’enfance et de l’adolescence. Les ÉGGs représentent 30% de toutes les épilepsies. Il n’existe présentement aucun remède à l’épilepsie génétique généralisée. Au sein de ce groupe d’épilepsies, les sujets sont le plus souvent dépourvus de lésions cérébrales, ce qui signifie que les facteurs génétiques jouent un rôle important dans l’étiologie de la maladie. Au cours des dernières années, plusieurs gènes impliqués dans des formes familiales d’ÉGG ont été identifiés. La majorité d'entre elles codent pour des canaux ioniques incluant le récepteur-ligand GABAA (RGABAA). De ce groupe, des mutations ont été identifiées dans quatre sous-unités du récepteur GABAA. Dans un premier temps, l’objectif général de cette thèse vise l’évaluation de la composante génétique de notre cohorte d’ÉGG expliquée par les gènes codant pour les sous-unités du récepteur GABAA. Puis, dans un second souffle, le rôle des variants identifiés est défini et analysé afin de mieux cerner leurs impacts dans la pathogénèse de ce phénotype. La première partie du projet consiste en une analyse exhaustive des mutations existantes dans la partie codante des 19 gènes GABRA pour des patients atteints d’ÉGG. En criblant des familles québécoises avec ÉGG, nous avons identifié 22 variants rares incluant 19 faux-sens et 3 non-sens dans 14 sous-unités du RGABAA. En séquençant ces gènes dans une grande cohorte de cas et de contrôles, nous avons établi le profil des variations rares pour ceux-ci. Ces données suggèrent qu’une proportion significative (8%) des patients atteints d’ÉGG ont des variants rares sur les gènes du RGABAA. La deuxième partie porte directement sur certains gènes identifiés lors de la première partie. De ce groupe, cinq nouvelles mutations ont été découvertes dans des gènes déjà associés à l’épilepsie (GABRA1 et GABRG2). Nous avons constaté l’impact de ces mutations dans les mécanismes génétiques de l’épilepsie, en mesurant les effets des variants sur la structure et la fonction du récepteur GABAA. La troisième partie se concentre sur notre hypothèse, voulant que les RGABAA mutants altèrent l’effet du GABA durant le développement du système nerveux central (SNC). L’objectif principal vise à déterminer la contribution relative de chacune des sous-unités mutées dans le développement du SNC. Ainsi, nous avons démontré qu’une telle perte de fonction a un impact significatif sur le développement des synapses GABAergiques et glutamatergiques ainsi que sur la plasticité des circuits corticaux. Nos résultats nous ont permis de préciser comment les mutations dans les gènes GABRA peuvent mener à l’ÉGG. Éventuellement, la caractérisation moléculaire de ces mutations contribuera à l’élaboration de nouveaux outils diagnostiques et facilitera la mise au point de traitements mieux ciblés pour les gens atteints de cette condition neurologique chronique.