Thesis (MMed)--Stellenbosch University, 2014. / ENGLISH ABSTRACT: There is growing interest in how genetic and environmental risk factors interact to confer risk for dysregulated iron homeostasis, which is considered a possible pathogenic mechanism in multiple sclerosis (MS). While iron deficiency has been associated with greater disability and disease progression, cerebral accumulation and overload of insoluble iron has also been reported in MS patients. Variation in the matriptase-2 (TMPRSS6) gene has recently been described that may lead to reduced iron levels, which raised the question of whether it may be involved in dysfunctional iron regulation as a pathogenic mechanism in MS. The aims of the study were as follows: 1)) comparison of the allele frequencies and genotype distribution for TMPRSS6 A736V (rs855791, c.2207C>T) and HFE C282Y (rs1800562, c.845G>A) between patients diagnosed with MS and unaffected controls; 2) determination of the effects of clinical characteristics, relevant lifestyle factors and genotype on serum iron parameters in MS patients compared to population matched controls; and 3) determination of clinical outcome in relation to age of onset and degree of disability in MS patients. The study population included 121 Caucasian MS patients and 286 population-matched controls. Serum iron, transferrin, ferritin and transferrin saturation levels were available from previous studies and lifestyle factors were subsequently documented in a subgroup of 68 MS patients and 143 controls using the study questionnaire. Genotyping of TMPRSS6 A736V and HFE C282Y were performed using allele-specific TaqMan technology. The genotype distribution and allele frequencies of TMPRSS6 A736V and HFE C282Y did not differ between MS patients and controls. MS patients homozygous for the iron-lowering minor T-allele of TMPRSS6 A736V had significantly lower serum iron levels (p=0.03) and transferrin saturation levels (p=0.03) compared to CC homozygotes. In MS patients the iron-loading minor A-allele of HFE C282Y was also associated with a paradoxical decrease in serum ferritin (p<0.01) compared to GG homozygotes. When considering the combined effect of the minor alleles of TMPRSS6 A736V and HFE C282Y with opposite effects on iron levels, we found a significant reduction in serum ferritin levels (p<0.05), independent of age, sex, body mass index (BMI) or dietary red meat intake in MS patients. A similar effect was not observed in the population- and age-matched controls. Higher dietary red meat intake correlated significantly with increased ferritin only in controls (p=0.01 vs. 0.21 for MS patients). In the presence of the minor allele of HFE C282Y, the TMPRSS6 A736V CT and TT genotypes were associated with a significantly earlier age of onset of MS when the post hoc test was applied (p=0.04). All the study aims were successfully accomplished. Our results support the possibility of an epistatic effect between TMPRSS6 A736V and HFE C282Y associated with reduced ferritin levels in MS patients. Pathology-supported genetic testing (PSGT) applied in this study as a new concept for analysis of complex diseases with a genetic component, is well placed to optimise clinical management in patients with MS. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Daar heers toenemende belangstelling in hoe die wisselwerking tussen genetiese en omgewingsfaktore die risiko tot wanregulering van yster-homeostase beïnvloed. Laasgenoemde is ‘n moontlike patogeniese meganisme vir meervoudige sklerose (MS). Alhoewel verhoogde gestremdheid en siekteprogressie met ystertekort geassosieer is, is ysterophoping in die serebrum asook ‘n oormaat onoplosbare yster al by MS-pasiënte gevind. Variasie in die matriptase-2 (TMPRSS6) geen wat tot verlaging in ystervlakke kan lei, is onlangs beskryf en laat die vraag ontstaan of dit betrokke is by wanregulering van yster-homeostase as patogeniese meganisme in MS. Die doelwitte van die studie was as volg: 1) vergelyking van alleelfrekwensies en genotipeverspreiding vir TMPRSS6 A736V (rs855791, c.2207C>T) en HFE C282Y (rs1800562, c.845G>A) tussen MS-pasiënte en ongeaffekteerde kontroles; 3) bepaling van die effekte van kliniese indikators, relevante leefstylfaktore en genotipe op serum yster parameters in MS-pasiënte in vergelyking met populasie-ooreenstemmende kontroles; en 4) bepaling van kliniese uitkoms ten opsigte van aanvangsouderdom en graad van MS-aantasting. Die studiepopulasie het uit 121 kaukasiese MS-pasiënte en 286 kontroles van dieselfde populasie, wat nie die siekte het nie, bestaan. Serum yster, transferrin, ferritien en transferrien-versadigingsvlakke was beskikbaar vanaf vorige studies. Leefstylfaktore is in ‘n subgroep van 68 MS-pasiënte en 143 kontroles gedokumenteer met behulp van die studie-vraelys. TMPRSS6 A736V en HFE C282Y genotipering is met alleel-spesifieke TaqMan-tegnologie uitgevoer. Beide pasiënte en kontroles het dieselfde genotipeverspreiding en alleelfrekwensies getoon. Die A-alleel van HFE C282Y is met ‘n paradoksale verlaging in serum ferritien geassosieer (p<0.01) in MS-pasiënte met TMPRSS6 A736V, moontlik weens geen-geen interaksie wat nie deur ouderdom, liggaamsmassa-indeks of inname van rooivleis in die dieet beïnvloed is nie (p<0.05) en nie by kontroles gevind is nie. MS-pasiënte wat homosigoties is vir die T-alleel van TMPRSS6 A736V, het statisties betekenisvolle laer serum ystervlakke (p=0.03) en transferrienversadiging (p=0.03) getoon in vergelyking met CC-homosigote. In MS-pasiënte was die yster-oorlading A-alleel van HFE C282Y ook geassosieer met ‘n paradoksale afname in serum ferritien (p<0.01) in vergelyking met GG-homosigote. Wanneer die gekombineerde effek van die risiko-geassosieerde allele van TMPRSS6 A736V en HFE C282Y met teenoorgestelde effekte op ystervlakke geanaliseer word, is daar ‘n statisties beteknisvolle afname in serum ferritienvlakke (p<0.05), onafhanklik van ouderdom, geslag, liggaamsmassa-indeks of rooivleisinname in MS-pasiënte. ‘n Soortgelyke effek is nie waargeneem in populasie- en geslag-gelyke kontroles nie. Die inname van rooivleis in die dieet was betekenisvol minder by MS-pasiënte teenoor kontroles (p=0.03) en dit het slegs betekenisvol met verhoogde ferritien by kontroles gekorreleer (p=0.01 teenoor 0.21 by MS-pasiënte). In die teenwoordigheid van die risiko-geassosieerde alleel van HFE C282Y, is die TMPRSS6 A736V CT en TT genotipes geassosieer met ‘n statisties-betekenisvolle vroeër aanvangsouderdom van MS soos bepaal met die post hoc-toets (p=0.04). Al die doelwitte van die studie is suksesvol uitgevoer. Die resultate ondersteun die moontlikheid van ‘n epistatiese effek tussen TMPRSS6 A736V en HFE C282Y wat geassosieer is met ‘n verlaging in ferritienvlakke in MS-pasiënte. Patologie-gesteunde genetiese toetsing soos toegepas in hierdie studie as ‘n nuwe konsep vir analise van komplekse siektes met ‘n genetiese komponent, is goed geplaas om kliniese hantering van MS-pasiënte te optimaliseer.

L’hémoglobine est une protéine contenue dans les globules rouges dont la principale fonction est le transport de l’oxygène. Chaque molécule d’hémoglobine est un tétramère constitué de deux paires de globines identiques de type α et β. La β-thalassémie est une maladie génétique hématopoïétique provenant de mutations du gène encodant l'hémoglobine. Ce désordre se caractérise par une diminution ou une absence totale de la synthèse de la chaîne β-globine résultant principalement en une anémie hémolytique sévère ainsi que des complications multisystémiques, telles que la splénomégalie, des déformations osseuses et une dysfonction hépatique et rénale. Actuellement, les transfusions sanguines chroniques représentent le traitement standard des patients β-thalassémiques. Cette thérapie nécessite l’administration conjointe d’un traitement chélateur de fer puisqu’elle entraîne une accumulation pathologique du fer, considéré à ce jour comme la source principale des complications cardiovasculaires de la β-thalassémie. Néanmoins, malgré le traitement efficace de la surcharge de fer transfusionnelle, l’insuffisance cardiaque demeure encore la principale cause de mortalité chez les patients atteints de β-thalassémie. Cette observation indique possiblement la présence d’un mécanisme complémentaire dans le développement de la physiopathologie cardiaque β-thalassémique. L’objectif du présent projet consistait donc à étudier les altérations cardiovasculaires de la β-thalassémie indépendamment de la surcharge de fer transfusionnelle. En utilisant un modèle murin non-transfusé de la β-thalassémie majeure, nous avons d’abord évalué in vivo, par méthode d’imagerie novatrice échographique à haute fréquence, les propriétés hémodynamiques vasculaires. Nos résultats d’index de Pourcelot ainsi que de résistance vasculaire périphérique totale ont démontré une perturbation de l’écoulement microcirculatoire chez les souris β-thalassémiques non-transfusées. Subséquemment, nous avons étudié la fonction endothéliale de régulation du tonus vasculaire de vaisseaux mésentériques isolés. Nos résultats ont révélé un dysfonctionnement de la réponse vasodilatatrice dépendante de l’endothélium chez les souris β-thalassémiques malgré une augmentation de l’expression de l’enzyme de synthèse du monoxyde d’azote ainsi qu’un remodelage de la carotide commune caractérisé par un épaississement de la paroi vasculaire. Finalement, notre étude échocardiographique de la fonction et la morphologie cardiaque a montré, chez les souris β-thalassémiques, le développement d’une hypertrophie et une dysfonction ventriculaire gauche en l’absence de transfusions sanguines chroniques ou de dépôts directs de fer dans le myocarde. L’ensemble des résultats présentés dans le cadre de cette thèse indique la présence d’une pathologie cardiovasculaire chez les souris β-thalassémiques non-transfusés. Nos travaux permettent de proposer un mécanisme de la pathophysiologie cardiovasculaire β-thalassémique, indépendant de la charge de fer transfusionnelle, impliquant les effets compensatoires d’une anémie chronique combinés à une vasculopathie complexe initiée par les érythrocytes endommagés et l’hémolyse intravasculaire. / Hemoglobin is the major protein in red blood cells and is responsible of the oxygen transport. Each hemoglobin molecule is a tetramer consisting of two identical α- and β-globin subunits. β-thalassemia is a genetic hematopoietic disease caused by mutations in hemoglobin genes. This disorder is characterized by a decrease or absence of production of β-globin chain leading mainly to a severe hemolytic anemia and several systemic manifestations, including splenomegaly, skeletal deformities as well as hepatic and renal dysfunctions. Chronic blood transfusions remain the standard treatment for β-thalassemic patients. This therapy requires iron chelating management since it leads to pathological iron accumulation which is currently considered the main cause of cardiovascular complications of β-thalassemia. However, despite adequate control of transfusional iron loading, heart failure remains the leading cause of mortality in β-thalassemia. This issue is possibly indicative of additional pathogenic mechanisms underlying the development of the β-thalassemic cardiac pathology. The objective of the present research project was to study cardiovascular alterations of β-thalassemia independently of transfusional iron overloading. Using an untransfused murine model of β-thalassemia major, we have evaluated in vivo, by non-invasive high-frequency ultrasound imaging, vascular hemodynamic properties. Our results of Pourcelot indices and total peripheral vascular resistance have shown microcirculatory flow disturbances in untransfused β-thalassemic mice. Consequently, we have studied ex vivo the endothelial vasomotor function in isolated mesenteric arterioles. Our findings have pointed out endothelium-dependent vasodilator dysfunction in β-thalassemic mice despite increased expression of nitric oxide synthase, as well as remodeling of the common carotid artery wall. Lastly, our echocardiography studies of heart morphology and function in β-thalassemic mice have demonstrated the development of left ventricle hypertrophy and dysfunction in the absence of chronic blood transfusions or direct myocardial iron deposits. In conclusion, findings presented in this thesis have demonstrated for the first time development of severe cardiovascular complications in untransfused β-thalassemic mice. Based on our results, we have proposed a novel mechanism, independent of direct myocardial iron deposition, responsible for the cardiovascular complications in β-thalassemia. This model combines compensatory effects of chronic anemia with a complex vasculopathy initiated by abnormal erythrocytes and intravascular hemolysis.

L’hémoglobine est une protéine contenue dans les globules rouges dont la principale fonction est le transport de l’oxygène. Chaque molécule d’hémoglobine est un tétramère constitué de deux paires de globines identiques de type α et β. La β-thalassémie est une maladie génétique hématopoïétique provenant de mutations du gène encodant l'hémoglobine. Ce désordre se caractérise par une diminution ou une absence totale de la synthèse de la chaîne β-globine résultant principalement en une anémie hémolytique sévère ainsi que des complications multisystémiques, telles que la splénomégalie, des déformations osseuses et une dysfonction hépatique et rénale. Actuellement, les transfusions sanguines chroniques représentent le traitement standard des patients β-thalassémiques. Cette thérapie nécessite l’administration conjointe d’un traitement chélateur de fer puisqu’elle entraîne une accumulation pathologique du fer, considéré à ce jour comme la source principale des complications cardiovasculaires de la β-thalassémie. Néanmoins, malgré le traitement efficace de la surcharge de fer transfusionnelle, l’insuffisance cardiaque demeure encore la principale cause de mortalité chez les patients atteints de β-thalassémie. Cette observation indique possiblement la présence d’un mécanisme complémentaire dans le développement de la physiopathologie cardiaque β-thalassémique. L’objectif du présent projet consistait donc à étudier les altérations cardiovasculaires de la β-thalassémie indépendamment de la surcharge de fer transfusionnelle. En utilisant un modèle murin non-transfusé de la β-thalassémie majeure, nous avons d’abord évalué in vivo, par méthode d’imagerie novatrice échographique à haute fréquence, les propriétés hémodynamiques vasculaires. Nos résultats d’index de Pourcelot ainsi que de résistance vasculaire périphérique totale ont démontré une perturbation de l’écoulement microcirculatoire chez les souris β-thalassémiques non-transfusées. Subséquemment, nous avons étudié la fonction endothéliale de régulation du tonus vasculaire de vaisseaux mésentériques isolés. Nos résultats ont révélé un dysfonctionnement de la réponse vasodilatatrice dépendante de l’endothélium chez les souris β-thalassémiques malgré une augmentation de l’expression de l’enzyme de synthèse du monoxyde d’azote ainsi qu’un remodelage de la carotide commune caractérisé par un épaississement de la paroi vasculaire. Finalement, notre étude échocardiographique de la fonction et la morphologie cardiaque a montré, chez les souris β-thalassémiques, le développement d’une hypertrophie et une dysfonction ventriculaire gauche en l’absence de transfusions sanguines chroniques ou de dépôts directs de fer dans le myocarde. L’ensemble des résultats présentés dans le cadre de cette thèse indique la présence d’une pathologie cardiovasculaire chez les souris β-thalassémiques non-transfusés. Nos travaux permettent de proposer un mécanisme de la pathophysiologie cardiovasculaire β-thalassémique, indépendant de la charge de fer transfusionnelle, impliquant les effets compensatoires d’une anémie chronique combinés à une vasculopathie complexe initiée par les érythrocytes endommagés et l’hémolyse intravasculaire. / Hemoglobin is the major protein in red blood cells and is responsible of the oxygen transport. Each hemoglobin molecule is a tetramer consisting of two identical α- and β-globin subunits. β-thalassemia is a genetic hematopoietic disease caused by mutations in hemoglobin genes. This disorder is characterized by a decrease or absence of production of β-globin chain leading mainly to a severe hemolytic anemia and several systemic manifestations, including splenomegaly, skeletal deformities as well as hepatic and renal dysfunctions. Chronic blood transfusions remain the standard treatment for β-thalassemic patients. This therapy requires iron chelating management since it leads to pathological iron accumulation which is currently considered the main cause of cardiovascular complications of β-thalassemia. However, despite adequate control of transfusional iron loading, heart failure remains the leading cause of mortality in β-thalassemia. This issue is possibly indicative of additional pathogenic mechanisms underlying the development of the β-thalassemic cardiac pathology. The objective of the present research project was to study cardiovascular alterations of β-thalassemia independently of transfusional iron overloading. Using an untransfused murine model of β-thalassemia major, we have evaluated in vivo, by non-invasive high-frequency ultrasound imaging, vascular hemodynamic properties. Our results of Pourcelot indices and total peripheral vascular resistance have shown microcirculatory flow disturbances in untransfused β-thalassemic mice. Consequently, we have studied ex vivo the endothelial vasomotor function in isolated mesenteric arterioles. Our findings have pointed out endothelium-dependent vasodilator dysfunction in β-thalassemic mice despite increased expression of nitric oxide synthase, as well as remodeling of the common carotid artery wall. Lastly, our echocardiography studies of heart morphology and function in β-thalassemic mice have demonstrated the development of left ventricle hypertrophy and dysfunction in the absence of chronic blood transfusions or direct myocardial iron deposits. In conclusion, findings presented in this thesis have demonstrated for the first time development of severe cardiovascular complications in untransfused β-thalassemic mice. Based on our results, we have proposed a novel mechanism, independent of direct myocardial iron deposition, responsible for the cardiovascular complications in β-thalassemia. This model combines compensatory effects of chronic anemia with a complex vasculopathy initiated by abnormal erythrocytes and intravascular hemolysis.

Iron storage disease is a significant cause of liver disease and mortality in captive Egyptian fruit bats (Rousettus aegyptiacus). The nature of the susceptibility in this and other captive exotic species to iron storage disease is not clear. Hepcidin, a key iron regulatory hormone, is involved in the regulation of iron absorption in humans and other mammalian species and a deficiency in hepcidin has been associated with a number of genetic mutations resulting in hemochromatosis in humans. The objectives of this thesis were to identify whether there is a functional mutation in the hepcidin gene in the Egyptian fruit bat that may increase the susceptibility of this species to iron storage disease, and whether there is a functional deficiency in hepcidin gene expression in the Egyptian fruit bat in response to iron challenge. We compared the coding region of the hepcidin gene amongst several species of bats and investigated hepcidin response to intramuscular injection of iron dextran amongst three species of bats with variable susceptibility to iron storage disease; the Egyptian fruit bat, the straw-colored fruit bat (Eidolon helvum), and the common vampire bat (Desmodus rotundus). While a number of genetic differences were identified amongst species, a functional mutation that could result in decreased hepcidin activity was not identified in the Egyptian fruit bat. Bats exhibited marked variation in hepcidin gene expression, with the highest level of hepcidin response to iron challenge in the common vampire bat. While the Egyptian fruit bat exhibited significant hepcidin response to iron challenge, the magnitude of response was lower than that in the common vampire bat and lower than expected based on findings in healthy humans. The straw-colored fruit bat did not exhibit any hepcidin response despite a significant increase in iron stores, which suggests this species may have evolved an alternate mechanism for coping with excessive iron or may be more susceptible to iron overload than previously recognized. / Toronto Zoo Scholarship Fund

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