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

Technische Samenvatting: Whole Genome Sequencing identificeert een nieuwe CNV in TPK1 voor Thiamine Metabolisme Disfunctie Syndroom 5

Probleemstelling
Thiamine metabolisme disfunctie syndroom 5 (THMD5) is een zeldzame autosomaal recessieve neurometabole stoornis veroorzaak door biallelieke pathogene varianten in het TPK1-gen, dat thiamine pyrofosfaatkinase (TPK) codeert. Hoewel meer dan 30 pathogene varianten zijn gedocumenteerd, zijn de meeste hiervan missense-mutaties. Kopieenaantalvariaties (CNV's) die TPK1 betreffen zijn extreem zeldzaam en vaak ondetecteerbaar door standaard whole exome sequencing (WES) of gerichte genpanels, die er mogelijk niet in slagen coderende exonen volledig te dekken of grotere structurele variaties betrouwbaar te detecteren, met name die met breukpunten in niet-coderende regio's. Bijgevolg blijft de diagnose van THMD5 bij volwassen patiënten of patiënten met atypische presentaties een uitdaging. Deze studie adresseert de noodzaak om het genetische spectrum van TPK1 uit te breiden en de diagnostische bruikbaarheid van whole genome sequencing (WGS) te evalueren bij het identificeren van complexe genetische laesies.

Methodologie
De studie analyseerde een Chinese familie met twee aangedane broers (een 31-jarige proband en zijn 33-jarige oudere broer) en drie niet-aangedane familieleden (ouders en een jongere broer).

• Verzameling van klinische gegevens: Uitgebreide klinische geschiedenissen, neurologische onderzoeken, neuroimaging (MRI), laboratoriumbevindingen (inclusief serumlactaat) en cognitieve beoordelingen (MMSE, MoCA, ADAS-Cog) werden verzameld.
• Genetische analyse: WGS werd uitgevoerd op alle familieleden met behulp van Illumina TruSeq DNA PCR-Free Library Preparation, waarbij een gemiddelde diepte van 30× werd bereikt. De data werden uitgelijnd met het menselijke referentiegenoom (hg19) met behulp van BWA en geanalyseerd met de Gene Analysis ToolKit (GATK).
• Variantvalidatie en interpretatie: Geïdentificeerde varianten werden gevalideerd via Sanger-sequencing. Varianten werden geïnterpreteerd met behulp van de Variant Effect Predictor (VEP) en gescreend tegen databases (ClinVar, OMIM, HGMD, gnomAD). Pathogeniteit werd beoordeeld met behulp van computationele algoritmen (SIFT, PolyPhen-2, FATHMM) en geclassificeerd volgens de ACMG/ClinGen-richtlijnen. CNV's werden specifiek geïnterpreteerd op basis van technische standaarden voor constitutionele kopieenaantalvarianten.
• Phasing: De studie maakte gebruik van split-read sequentieanalyse van WGS-data om de cis/trans-phasing van compound heterozygote varianten te bepalen.

Belangrijkste Resultaten

• Klinische Fenotypes:
  • Proband: Onset op 13-jarige leeftijd met recidiverende episodische encefalopathie, ataxie en dysarthrie. Progressie naar spastische gang en ledematige stijfheid op 19-jarige leeftijd. MRI toonde milde cerebrale, cerebellaire en hersenstamatrofie. Serumlactaat was normaal. Cognitieve functie bleef grotendeels behouden.
  • Oudere Broer: Onset op 4-jarige leeftijd met ernstige symptomen waaronder symmetrische basale ganglia laesies (hyperintensiteit op T2, hypointensiteit op T1) en verhoogd serumlactaat (3,65 mmol/L). Progressie naar ernstige spasticiteit, loopstoornissen en cognitieve beperking (MMSE 20/30), waardoor hij op zijn dertigste niet meer zelfstandig kon lopen.
• Genetische Bevindingen: WGS identificeerde compound heterozygote varianten in TPK1 bij beide aangedane broers:
  1. Een bekende pathogene missense variant: NM_022445.4:c.382C>T (p.Leu128Phe).
  2. Een nieuwe CNV: NC_000007.13:g.144285435_144289647dup, een 4,2 kb tandem duplicatie die exon 7 en aangrenzende intronen omvat.
  • Sanger-sequencing bevestigde dat de missense variant van de moeder werd geërfd.
  • Split-read analyse bevestigde dat de CNV van de vader werd geërfd en in trans stond met de missense variant.
  • De CNV werd voorspeld een leesraamverstoring en nonsense-mediated decay (NMD) te veroorzaken.
• Behandelingsuitkomsten:
  • De proband ontving regelmatige hoge doses thiamine (100 mg/dag), wat resulteerde in stabilisatie van de symptomen zonder verdere verslechtering.
  • De oudere broer ontving slechts een korte kuur van lage dosis thiamine (30 mg/dag) voordat hij de behandeling staakte, wat leidde tot progressieve neurologische achteruitgang.

Belangrijkste Bijdragen

1. Uitbreiding van het Genetisch Spectrum: De studie rapporteert een nieuwe 4,2 kb tandem duplicatie in TPK1, waarmee het bekende mutatielandschap van THMD5 wordt uitgebreid voorbij de dominante missense-varianten.
2. Diagnostische Superioriteit van WGS: Het onderzoek toont aan dat WGS superieur is aan WES of gerichte panels voor het detecteren van complexe structurele variaties zoals intragenische CNV's en het bepalen van de phasing van compound heterozygote varianten, wat cruciaal is voor een nauwkeurige diagnose.
3. Genotype-Fenotype Correlatie: De studie benadrukt de significante fenotypische heterogeniteit tussen broers met identieke genotypes. De divergentie in klinische trajecten wordt toegeschreven aan therapietrouw in plaats van genetische verschillen.

Betekenis en Claims
De auteurs stellen dat hun bevindingen de cruciale belangrijkheid onderstrepen van levenslange, hooggedoseerde thiaminetherapie bij het beheer van THMD5. De contrasterende uitkomsten van de twee broers — stabilisatie bij de therapietrouwe proband versus progressieve achteruitgang bij de niet-therietrouwe broer — bieden overtuigend bewijs dat thiametherapie de neurodegeneratie kan stoppen, zelfs wanneer deze later in het ziekteproces wordt gestart.

Verder beweren de auteurs dat WGS geïntegreerd moet worden in de diagnostische werkup voor erfelijke metabole stoornissen, in het bijzonder wanneer initiële genetische tests geen moleculaire diagnose opleveren. Door een nieuwe CNV te identificeren die waarschijnlijk door andere methoden gemist zou worden, versterkt de studie de noodzaak van uitgebreide genomische analyse om de volledige genetische etiologie van zeldzame metabole ziekten te ontdekken. De auteurs pleiten voor de onmiddellijke start van hooggedoseerde thiamine bij klinische of genetische verdenking op THMD5 om onomkeerbare neurologische schade te voorkomen.