Whole exome sequencing in identifying genetic factors in musculoskeletal diseases

• Main Author: Skarp, S. (Sini)
• Other Authors: Ruddock, M. (Minna)
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Oulun yliopisto 2019
• Subjects: disc degeneration; genetics; osteoarthritis; osteoporosis; whole exome sequencing; eksomisekvensointi; genetiikka; nivelrikko; osteoporoosi; välilevyn rappeuma
• Online Access: http://urn.fi/urn:isbn:9789526223315; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:9789526223315

Abstract Musculoskeletal diseases, such as osteoarthritis (OA), lumbar disc degeneration (LDD) and osteoporosis (OP), are common complex disorders affected by both environmental and genetic factors. OA and LDD are degenerative diseases affecting joints and spine and Modic changes (MC) are a specific phenotype of LDD. OP is a disorder causing bone fragility. There are families with a history of early onset cartilage degradation, disc disorders and bone fragility as well as rare, more severe disorders with these traits as part of the phenotype. The aim of this study was to identify predisposing genetic factors in Finnish families with three different musculoskeletal phenotypes and to investigate the use of whole exome sequencing (WES) as a tool. Six families were studied here, three diagnosed with hip and knee OA, two with MC and one with primary OP. Using WES together with in silico and in vitro analyses we identified new candidate genes. In the two OA families we identified family specific variants, c.-127G>T in the 5’UTR of FIP1L1 and p.Arg210Gly in OLIG3. We observed expression of these genes in human bone and cartilage. Both FIP1L1 and OLIG3 participate in the regulation of transcription. Family specific variants were also found in both families with MC: p.Gln1611fs in HSPG2 and p.Glu553Lys in MAML1. HSPG2 encodes for an important structural protein in the disc and MAML1 is a transcription factor. The family with primary OP had previously been reported to carry a heterozygous COL1A2 deletion leading to nonsense-mediated mRNA decay. In the WES we identified an additional change that may contribute to the phenotype: p.Arg428* in ZNF528. We showed experimentally that the variant leads to expression of a truncated form of ZNF528 in the nucleus. ZNF528 binding sites are located near genes associated with bone phenotypes. We identified twelve potential target genes for ZNF528 that were differentially expressed in patients’ cells compared to controls. Altogether, we identified five new candidate genes for the studied phenotypes demonstrating that WES can be used as a tool in studying complex musculoskeletal phenotypes in families. One of the identified candidate genes, HSPG2, encodes a structural protein, whereas, OLIG3, FIP1L1, MAML1 and ZNF528, participate in the regulation of transcription supporting the importance of regulatory mechanisms in the pathogenesis of musculoskeletal diseases. === Tiivistelmä Tuki- ja liikuntaelinsairaudet, kuten nivelrikko, välilevyrappeuma ja osteoporoosi, ovat yleisiä, monitekijäisiä sairauksia. Nivelrikko ja välilevynrappeuma ovat eteneviä nivelten ja selkärangan sairauksia. Modic muutokset ovat välilevyn ja nikaman välisten päätelevyjen muutoksia. Osteoporoosi on luuta haurastuttava sairaus. Varhaisessa iässä ilmenevää ruston haurastumista, välilevyn sairauksia tai luun haurautta tavataan myös suvuittain esiintyvinä sairauksina tai vakavien harvinaisten sairauksien oireina. Tutkimuksen tarkoitus oli tunnistaa altistavia geneettisiä tekijöitä kolmelle tuki- ja liikuntaelimistön sairaudelle suomalaisissa perheissä käyttäen eksomisekvensointi-menetelmää. Aineisto koostui kuudesta perheestä: kolmessa oli diagnosoitu lonkan ja polven nivelrikko, kahdessa selän välilevyjen Modic muutoksia ja yhdessä primaarinen vaikea selän osteoporoosi. Tunnistimme uusia ehdokasgeenejä käyttäen eksomisekvensointi-menetelmää sekä in silico ja in vitro analyysejä. Kahdessa nivelrikkoperheessä tunnistimme perhekohtaiset variantit kahdessa geenissä: c.-127G>T variantin FIP1L1 geenin säätelyalueella ja p.Arg210Gly variantin OLIG3 geenissä. Osoitimme, että nämä traskription säätelyyn osallistuvat geenit ilmenevät ihmisen luu- ja rustokudoksessa. Perhekohtaiset variantit havaittiin myös perheissä, joilla oli todettu Modic muutoksia: p.Gln1611fs HSPG2 -geenissä ja p.Glu553Lys MAML1 -geenissä. HSPG2 koodaa välilevylle tärkeää rakenneproteiinia ja MAML1 on transkriptiota säätelevä tekijä. Primaarista osteoporoosia sairastavalla perheellä oli aiemmin havaittu heterotsygootti, geenituotteen hajottamiseen johtava deleetio, COL1A2 -geenissä. Eksomisekvensoinnlla havaitsimme mahdollisesti taudin ilmiasuun lisäksi vaikuttavan muutoksen ZNF528 -geenissä. Osoitimme kokeellisesti, että havaittu variantti johtaa lyhentyneen proteiinin tuottoon solussa. ZNF528 on transkriptiotekijä, jolle tunnistimme kaksitoista mahdollista kohdegeeniä ja havaitsimme että niiden tuotto oli muuttunut potilaiden soluissa kontrollisoluihin verrattuna. Tunnistimme viisi uutta ehdokasgeeniä kolmessa eri sairaudessa eksomisekvensointi-menetelmän avulla. Yksi tunnistetuista geeneistä, HSPG2, koodaa rakenneproteiinia, ja muut osallistuvat transkription säätelyyn. Tämä tukee käsitystä säätelytekijöiden tärkeydestä TULE sairauksien synnyssä.