Whole genome sequencing identified a novel copy number variant on TPK1 gene in a Chinese family with thiamine metabolism dysfunction syndrome 5

Technisches Resümee: Ganzgenomsequenzierung identifiziert eine neuartige CNV in TPK1 bei Thiamin-Metabolismus-Dysfunktionssyndrom Typ 5

Problemstellung
Das Thiamin-Metabolismus-Dysfunktionssyndrom Typ 5 (THMD5) ist eine seltene autosomal-rezessive neurometabolische Erkrankung, die durch biallele pathogene Varianten im TPK1-Gen verursacht wird, welches die Thiamin-Pyrophosphokinase (TPK) kodiert. Während über 30 pathogene Varianten dokumentiert wurden, handelt es sich bei der Mehrheit um Missense-Mutationen. Kopienzahlvariationen (CNVs), die TPK1 betreffen, sind extrem selten und werden durch die Standard-Exom-Sequenzierung (WES) oder gezielte Gen-Panels oft nicht erkannt, da diese die kodierenden Exons möglicherweise nicht vollständig abdecken oder größere Strukturvariationen – insbesondere solche mit Bruchpunkten in nicht-kodierenden Regionen – nicht zuverlässig erfassen können. Infolgedessen bleibt die Diagnose von THMD5 bei erwachsenen Patienten oder bei atypischen Präsentationen eine Herausforderung. Diese Studie adressiert die Notwendigkeit, das genetische Spektrum von TPK1 zu erweitern und den diagnostischen Nutzen der Ganzgenomsequenzierung (WGS) bei der Identifizierung komplexer genetischer Läsionen zu bewerten.

Methodik
Die Studie analysierte eine chinesische Familie mit zwei betroffenen Geschwistern (ein 31-jähriger Proband und sein 33-jähriger älterer Bruder) und drei nicht betroffenen Familienmitgliedern (Eltern und ein jüngerer Bruder).

• Erhebung klinischer Daten: Umfassende klinische Anamnesen, neurologische Untersuchungen, Bildgebung (MRT), Laborbefunde (einschließlich Serum-Laktat) und kognitive Assessments (MMSE, MoCA, ADAS-Cog) wurden erhoben.
• Genetische Analyse: Eine Ganzgenomsequenzierung (WGS) wurde für alle Familienmitglieder unter Verwendung der Illumina TruSeq DNA PCR-Free Library Preparation durchgeführt, wobei eine durchschnittliche Tiefe von 30× erreicht wurde. Die Daten wurden mittels BWA an das humane Referenzgenom (hg19) ausgerichtet und mit dem Gene Analysis ToolKit (GATK) analysiert.
• Variantenvalidierung und Interpretation: Die identifizierten Varianten wurden mittels Sanger-Sequenzierung validiert. Die Varianten wurden mit dem Variant Effect Predictor (VEP) interpretiert und gegen Datenbanken (ClinVar, OMIM, HGMD, gnomAD) abgeglichen. Die Pathogenität wurde unter Verwendung computergestützter Algorithmen (SIFT, PolyPhen-2, FATHMM) bewertet und gemäß den ACMG/ClinGen-Richtlinien klassifiziert. CNVs wurden spezifisch basierend auf technischen Standards für konstitutionelle Kopienzahlvariationen interpretiert.
• Phasierung: Die Studie nutzte die Split-Read-Sequenzanalyse von WGS-Daten, um die cis/trans-Phasierung der compound-heterozygoten Varianten zu bestimmen.

Zentrale Ergebnisse

• Klinische Phänotypen:
  • Proband: Onset im Alter von 13 Jahren mit rezidivierender episodischer Enzephalopathie, Ataxie und Dysarthrie. Fortschreiten zu spastischem Gang und Gliedmaßensteifigkeit im Alter von 19 Jahren. Das MRT zeigte eine leichte zerebrale, zerebelläre und Hirnstammatrophie. Das Serum-Laktat war normal. Die kognitive Funktion blieb weitgehend erhalten.
  • Älterer Bruder: Onset im Alter von 4 Jahren mit schweren Symptomen einschließlich symmetrischer Basalganglien-Läsionen (T2-Hyperintensität, T1-Hypointensität) und erhöhtem Serum-Laktat (3,65 mmol/L). Fortschreiten zu schwerer Spastik, Gangstörung und kognitiver Beeinträchtigung (MMSE 20/30), was ihn in seinen Dreißigern unfähig machte, unabhängig zu gehen.
• Genetische Befunde: WGS identifizierte compound-heterozygote Varianten in TPK1 bei beiden betroffenen Geschwistern:
  1. Eine bekannte pathogene Missense-Variante: NM_022445.4:c.382C>T (p.Leu128Phe).
  2. Eine neuartige CNV: NC_000007.13:g.144285435_144289647dup, eine 4,2 kb große Tandem-Duplikation, die Exon 7 und angrenzende Introns umfasst.
  • Die Sanger-Sequenzierung bestätigte, dass die Missense-Variante von der Mutter vererbt wurde.
  • Die Split-Read-Analyse bestätigte, dass die CNV vom Vater vererbt wurde und in trans mit der Missense-Variante vorliegt.
  • Es wurde vorhergesagt, dass die CNV zu einer Störung des Leserahmens und einem Nonsense-Mediated Decay (NMD) führt.
• Behandlungsergebnisse:
  • Der Proband erhielt regelmäßig hochdosiertes Thiamin (100 mg/Tag), was zu einer Stabilisierung der Symptome ohne weitere Verschlechterung führte.
  • Der ältere Bruder erhielt nur eine kurze Kur mit niedrig dosiertem Thiamin (30 mg/Tag), bevor er die Behandlung abbrach, was zu einem progressiven neurologischen Verfall führte.

Zentrale Beiträge

1. Erweiterung des genetischen Spektrums: Die Studie berichtet eine neuartige 4,2 kb Tandem-Duplikation in TPK1, die das bekannte Mutationsspektrum von THMD5 über die vorherrschenden Missense-Varianten hinaus erweitert.
2. Diagnostische Überlegenheit der WGS: Die Forschung zeigt, dass WGS der WES oder gezielten Panels überlegen ist, wenn es um die Detektion komplexer Strukturvariationen wie intragenischer CNVs und die Bestimmung der Phasierung von compound-heterozygoten Varianten geht, was für eine genaue Diagnose entscheidend ist.
3. Genotyp-Phänotyp-Korrelation: Die Studie hebt die signifikante phänotypische Heterogenität zwischen den Geschwistern trotz identischer Genotypen hervor. Die Divergenz in den klinischen Verläufen wird auf die Therapietreue zurückgeführt und nicht auf genetische Unterschiede.

Bedeutung und Behauptungen
Die Autoren behaupten, dass ihre Ergebnisse die kritische Bedeutung einer lebenslangen, hochdosierten Thiamintherapie beim Management von THMD5 unterstreichen. Die gegensätzlichen Ergebnisse der beiden Geschwister – die Stabilisierung beim therapietreuen Probanden gegenüber dem progressiven Verfall beim nicht therapietreuen Bruder – liefern einen überzeugenden Beweis dafür, dass eine Thiamintherapie die Neurodegeneration selbst dann aufhalten kann, wenn sie erst spät im Krankheitsverlauf eingeleitet wird.

Darüber hinaus postuliert die Arbeit, dass WGS in die diagnostische Abklärung erblicher Stoffwechselerkrankungen integriert werden sollte, insbesondere wenn die initiale genetische Testung keine molekulare Diagnose liefert. Durch die Identifizierung einer neuartigen CNV, die durch andere Methoden wahrscheinlich unentdeckt geblieben wäre, verstärkt die Studie die Notwendigkeit einer umfassenden genomischen Analyse, um die vollständige genetische Ätiologie seltener Stoffwechselkrankheiten aufzudecken. Die Autoren plädieren für die sofortige Einleitung einer hochdosierten Thiamintherapie bei klinischem oder genetischem Verdacht auf THMD5, um irreversible neurologische Schäden zu verhindern.