Molecular characterization of a deep intronic TBX5 variant in a familial case of Holt-Oram syndrome

Het Holt-Oram syndroom is een zeldzame aandoening die invloed heeft op de manier waarop het hart en de armen van een persoon zich voor de geboorte ontwikkelen. Het komt in families voor en wordt veroorzaakt door veranderingen, of varianten, in een specifiek gen genaamd TBX5. Dit gen werkt als een set instructies voor het bouwen van het hart en de bovenste ledematen tijdens de vroege zwangerschap. Wanneer de instructies duidelijk en correct zijn, bouwt het lichaam deze onderdelen op de juiste manier. Wanneer de instructies door elkaar staan, is het resultaat misvormde of ontbrekende vingers, duimen of hartafwijkingen. Decennialang wisten artsen en wetenschappers dat de meeste gevallen van dit syndroom voortkomen uit fouten in het coderende deel van het gen, het gedeelte dat direct het eiwit uitspeelt. Echter, genen bevatten ook lange stukken niet-coderend DNA tussen de instructies door, die ooit als stil werden beschouwd. Recente wetenschap heeft aangetoond dat deze stille gebieden de instructies daadwerkelijk kunnen controleren hoe ze worden gelezen, en dat fouten die diep in hen verborgen liggen, net zo zeker tot ziekte kunnen leiden als fouten in de hoofdtekst.

In een recente studie onderzochten onderzoekers van het Research Centre for Medical Genetics in Rusland een familie waarbij zowel de vader als zijn jonge zoon leden aan het Holt-Oram syndroom, terwijl standaard genetische tests er niet in waren geslaagd de oorzaak te vinden. De vader had een geschiedenis van hartchirurgie en aanzienlijke misvormingen aan de handen, waaronder ontbrekende duimen en samengevoegde vingers. Zijn zoon, geboren met vergelijkbare maar mildere problemen aan de armen en ernstige hartafwijkingen, had de aandoening geërfd. Toen de familie een volledige genoomsequencing onderging, die de gehele genetische code leest, vonden de wetenschappers een piepkleine verandering in het DNA. Deze verandering bevond zich diep binnen een niet-coderende kloof tussen de hoofdinstructies van het TBX5-gen. Het was een kleine deletie en insertie van genetische letters die nog nooit eerder eerder was gezien. Omdat deze verandering in een regio lag die niet voor eiwit codeert, werd het aanvankelijk bestempeld als een variant van onzekere betekenis, wat betekent dat wetenschappers niet wisten of het de boosdoener was of slechts een onschuldig verschil.

Om dit mysterie op te lossen, richtte het team zich op de cellen van de vader. Ze kweekten huidcellen uit een klein monster in een laboratorium om RNA te produceren, wat het molecuul is dat het genetische bericht van het DNA naar de eiwitmakende machinerie van de cel draagt. Door dit RNA te lezen, konden de onderzoekers precies zien hoe de cel de genetische instructies interpreteerde. Ze ontdekten dat de piepkleine verandering in de niet-coderende kloof de cel had misleid om een stuk DNA te lezen dat genegeerd had moeten worden. Dit extra stuk, dat de wetenschappers een pseudo-exon noemden, werd in het uiteindelijke bericht ingevoegd. Deze insertie verschoof het leesraam van de instructies, waardoor de cel stopte met het bouwen van het eiwit te vroeg. Het resultaat was een gebroken, verkorte versie van het TBX5-eiwit die zijn werk niet kon doen.

De onderzoekers bevestigden deze bevinding met behulp van een krachtige techniek genaamd long-read sequencing, die de mogelijkheid biedt om de volledige lengte van het genetische bericht in één keer te zien. Ze ontdekten dat in de cellen van de vader ongeveer 22 procent van de TBX5-berichten dit ongewenste extra stuk bevatte. In gezonde cellen van een controledonor kwam deze fout minder dan 0,2 procent van de tijd voor, wat suggereerde dat de genetische verandering in de familie inderdaad de fout aanstuurde. Het team testte ook of de cel probeerde deze gebroken berichten op te ruimen. Ze behandelden de cellen met een stof die het natuurlijke afvalverbrandingssysteem van de cel, bekend als nonsense-mediated decay, stopt. Wanneer dit systeem werd gepauzeerd, steeg de hoeveelheid gebroken berichten in de cellen van de vader naar 37 procent. Dit bewees dat de cel actief probeerde de defecte berichten te vernietigen, maar dat sommige de vernietiging ontsnapten en werden omgezet in het defecte eiwit.

Deze studie markeert de eerste keer dat een diep-intronische variant, een verandering die ver weg van de hoofdinstructies voor eiwitten verborgen ligt, is bewezen Holt-Oram syndroom te veroorzaken. De bevindingen laten zien dat de genetische code complexer is dan alleen de delen die eiwitten bouwen; de ruimtes tussen hen zijn cruciaal voor het waarborgen dat de instructies correct worden gelezen. Voor de familie in deze studie bood het onderzoek een definitief antwoord na jaren van onzekerheid, waarmee werd bevestigd dat hun aandoening werd veroorzaakt door deze specifieke regulatoire fout. Het benadrukt ook dat wanneer standaard genetische tests zonder resultaat blijven voor families met duidelijke symptomen, het kijken naar de diepere niet-coderende regio's en het testen van hoe genen daadwerkelijk functioneren in cellen de ware oorzaak van de ziekte kan onthullen.