University, Diss., 2004--Köln.

Hereditäre Kardiomyopathien sind durch klinische und genetische Heterogenität gekennzeichnet, welche die Kardiogenetik vor Herausforderungen stellt. In dieser Arbeit wurden manche dieser Herausforderungen angegangen, indem anhand einer Kohorte von 61 Patienten mit Kardiomyopathie bzw. primärer Arrhythmie eine Exom-Diagnostik mit anschließender stufenweiser Datenanalyse vorgenommen wurde. Ein Ziel der Arbeit war, die aktuellen diagnostischen Detektionsraten zu prüfen sowie zu bewerten, ob eine erweiterte Exom-Diagnostik im Vergleich zur üblichen Genpanel-Analyse einen diagnostischen Zugewinn bringt. Zudem sollten potenzielle Krankheitsgene sowie komplexe Genotypen identifiziert werden. Die Ergebnisse zeigten, dass bei insgesamt 64% der Patienten eine Variante von Interesse gefunden wurde. Hervorzuheben ist die hohe Detektionsrate in der größten Subkohorte, die aus Patienten mit dilatativer bzw. linksventrikulärer Non-Compaction Kardiomyopathie bestand: 69% und damit höher im Vergleich zur in der Literatur berichteten Detektionsrate von bis zu 50%. Im Rahmen der stufenweisen Daten-Auswertung zeigte sich zwar, dass die meisten kausalen Varianten in den phänotypspezifischen Panels zu finden waren, die Analyse eines erweiterten Panels mit 79 Genen sowie der Gesamtexom-Daten aber zu einer zusätzlichen Aufklärungsquote von 13% bzw. 5% führte. Durch die Erweiterung der Diagnostik konnten interessante, teilweise neue Assoziationen zwischen Genotyp und Phänotyp sowie neue Kandidatengene identifiziert werden. Das beste Beispiel dafür ist eine trunkierende Variante im STK38-Gen, das an der Phosphorylierung eines Regulators der Expression kardialer Gene beteiligt ist. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass, obwohl die Detektionsrate von Genpanels für die Routine-Diagnostik akzeptabel ist, die Anwendung von Exom-Diagnostik einen diagnostischen Zugewinn, die Entdeckung von interessanten Genotyp-Phänotyp-Korrelationen sowie die Identifizierung von Kandidatengenen ermöglicht. / Hereditary cardiomyopathies are characterized by clinical and genetic heterogeneity, which poses challenges to genetic diagnostics in cardiogenetics. In this study, some of these challenges were addressed on the basis of the genetic analysis of 61 cardiomyopathy and arrhythmia patients using exome sequencing with subsequent stepwise analysis of the genetic data. One objective of the study was to examine the current diagnostic yield of genetic analysis as well as to assess the diagnostic benefit of an extended exome analysis vs. targeted gene panel analysis. Another aim was to identify novel candidate genes and describe new genotype-phenotype correlations. Regarding the results, a variant of interest could be detected in 64% of the patients. Of note is the high detection rate in the main subcohort of patients with dilated cardiomyopathy and/or left ventricular noncompaction cardiomyopathy: 69% vs. the reported detection rate of max. 50% in the literature. To evaluate the additional diagnostic benefit of extensive exome testing, a stepwise analysis of the exome data was performed. It was shown here that most of the variants of interest were detected in the phenotype-specific core gene panels; however, the analysis of an extended gene set with 79 genes and subsequently of the complete exome data led to an additional diagnostic yield of 13% and 5% respectively. Through the expansion of the genetic analysis, interesting or new genotype-phenotype correlations could be documented and candidate genes could be identified. The best candidate was a truncating variant in STK38, a gene coding for a kinase that phosphorylates a transcription regulator of genes encoding for cardiac sarcomere proteins. In conclusion, although the detection rate of gene panels is acceptable for the clinical routine, the use of exome analysis enables the highest possible diagnostic yield, the detection of interesting genotype-phenotype correlations as well as the identification of new candidate genes.

In den vergangenen Jahren wurde vermehrt das Gen, welches für Catechol-O-Methyltransferase codiert, als starker Kandidat für ein erhöhtes Schizophrenierisiko diskutiert. Grund dafür ist die zentrale Rolle der Catechol-O-Methyltransferase beim Katecholaminabbau im menschlichen präfrontalen Cortex. Aufgrund der zunehmend akzeptierten Tatsache, daß die singuläre Betrachtung einzelner Marker bei der komplexen genetischen Textur von Kandidatengenen nur wenig zur Erhellung komplexer Erkrankungen beizutragen vermag (Licinio, 2003), untersuchten wir neben dem Val108/158Met-Polymorphismus (rs4680) vier weitere, die COMT-Gen-Region umspannende SNPs (rs2097603, rs740603, rs4818, rs165599) an einer Stichprobe von 459 Schizophrenen und 150 Kontrollpersonen. Zwar ergab sich für den Marker rs740603 auf Intron 1 eine signifikante Allel- (p = 0.0060) und Genotypassoziation (p = 0.019), der funktionelle Val108/158Met-Polymorphismus (rs4680) zeigte aber keinen signifikanten Zusammenhang mit der Erkrankung. Zudem fand sich in unserer Haplotypanalyse keine Markerkombination, die in überdurchschnittlichem Zusammenhang mit schizophrenen Psychosen stand. Für die Untergruppe der zykloiden Psychosen ließ sich bei einem p-Wert von 0.031 eine 4-Marker-Kombination ermitteln, die die SNPs rs740603, rs4818, rs4680 und rs165599 einschliesst und die Region von Intron 1 bis 3´-UTR umspannt. Zusätzlich ergab sich in der Subgruppe der zykloiden Psychosen ein geschlechtsspezifischer Effekt im Sinne eines signifikanten 3-Marker-Haplotypen (rs4818-rs4680-rs165599) (p = .0044) in der Gruppe der Frauen (n = 27) mit rs165599 als stärkstem Einzelmarker. Aufgrund des komplexen genetischen Zusammenhangs zwischen den untersuchten Markern und der Erkrankung sollte auch in der zukünftigen Forschung eine differenzierte Betrachtung der verschiedenen schizophrenen Zustandsbilder angestrebt werden, wie dies die Klassifikation nach Leonhard ermöglicht. Neben gewebsspezifischen Transkriptionsfaktoren könnten auch epigenetische Faktoren, wie die Cytosinmethylierung von CpG-Stellen in promotorregulierenden Regionen, einen Erklärungsansatz für die Entstehung schizophrener Störungsbilder darstellen. / Since several years, the gene encoding catechol-O-methyltransferase (COMT) at chromosome 22q11 is discussed as a strong candidate for schizophrenia susceptibility due to its key function in degredation of catecholamines in the prefrontal cortex, a critical region of the human brain, involved in cognitive control processes, monitoring of information in working memory and in active judgments on information (Petrides, 2005). To test the association of the COMT gene locus with schizophrenia, we analysed five SNPs (rs2097603, rs740603, rs4818, rs4680, rs165599) spanning from the P2 promotor region (MB-COMT) to the 3´-UTR in 459 index cases, which fulfilled diagnistic criteria of schizophrenia according to DSM IV as well as 150 blood donors as population controls. According to differentiated psychopathology (Leonhard, 1999) probands were categorized into cycloid psychosis, unsystematic schizophrenia and systematic schizophrenia prior to genotyping. In intron 1 the marker rs740603 showed significant allele (p = 0.0060) and genotype (p = 0.019) association, but the functional Val105/158Met variant (rs4680) failed significant association with disease. Considering COMT haplotypes none of the marker combinations showed evidence for an association with schizophrenia. In the subgroup of cycloid psychosis we found 4-locus marker combinations rs740603-rs4818-rs4680-rs165599 associated with disease at p-level 0.031, spanning a region from intron 1 to the 3´-UTR. In conclusion, the genetic interaction of COMT SNPs and haplotypes and schizophrenia susceptibility appears complex across different populations and psychopathological phenotypes. Particularly structures potentially involved in mRNA expression levels need further scrutiny.

Ziel der vorliegenden, experimentellen Arbeit war die Untersuchung der Persönlichkeitseigenschaft der Impulsivität bei adulten Patienten mit ADHS und vergleichbaren Versuchspersonen. Da die Ätiopathogenese erhöhter Impulsivität bei Patienten mit ADHS bislang ungeklärt ist, eine Beeinflussung des dopaminergen Systems durch vorausgehende Studien allerdings nahe liegt, wurden die verwendeten Impulsivitätsmessungen zusätzlich bezüglich einer möglichen Beeinflussung durch den Val158Met-COMT-Polymorphismus analysiert. Die Untersuchung beinhaltet mit 71 adulten Patienten mit ADHS und 54 gesunden Kontrollpersonen, die nach Alter, Geschlecht, IQ, Kopfumfang und Händigkeit vergleichbar waren, eine der aktuell größten Stichproben adulter Patienten mit ADHS. Während einer Stoppsignal-Aufgabe zur Erfassung der Antworthemmungsfähigkeit als Korrelat der Impulsivität wurden die Verhaltensdaten der Stichproben sowie die hirnphysiologischen Veränderungen mittels funktioneller Nahinfrarotspektroskopie aufgezeichnet und ausgewertet. Die erhobenen experimentellen Daten wurden anschließend mit selbstbewerteter Impulsivität des I7-Impulsivitätsfragebogens nach Eysenck verglichen und auf mögliche Zusammenhänge überprüft. Zudem wurden die beobachteten Ergebnisse der vorliegenden Arbeit auf einen möglichen Einfluss durch den Val158Met-COMT-Polymorphismus untersucht. Auf der Verhaltensebene zeigten Patienten mit ADHS im Vergleich zu gesunden Kontrollpersonen sowohl für die SSRZ als auch für die Go-RZ signifikant langsamere Reaktionszeiten. Im Vergleich der funktionellen Daten konnten für Patienten mit ADHS während der erfolgreichen Stopp-Trials signifikant bzw. tendenziell verminderte Aktivierungen im Bereich des IFC und DLPFC in beiden Hemisphären festgestellt werden. Die Untersuchung der selbstbewerteten Impulsivität anhand des I7-Fragebogens ergab ebenfalls einen signifikanten Unterschied zwischen den beiden Stichproben. Bezüglich der Zusammenhänge zwischen den einzelnen Impulsivitätsmessungen konnten für Patienten mit ADHS signifikant bzw. tendenziell negative Zusammenhänge zwischen SSRZ und Oxygenierung im rechten IFC sowie zwischen SSRZ bzw. Go-RZ und I7-Impulsivitätswerten festgestellt werden. In der Untersuchung des Einflusses durch den Val158Met-COMT-Polymorphismus ergab sich ein sehr heterogenes Bild, in dem sich keine eindeutig systematischen Genotyp- oder Interaktionseffekte zeigten. Während die beobachteten Befunde auf Verhaltensebene auf eine generelle Verlangsamung adulter Patienten mit ADHS im Vergleich zu gesunden Kontrollpersonen hindeuten, könnte das verminderte Aktivierungsmuster im Bereich des IFC und DLPFC während der erfolgreichen Stopp-Trials bei Patienten mit ADHS möglicherweise das zugrundeliegende funktionelle Korrelat zu den beobachteten Reaktionsunterschieden zwischen den beiden Stichproben darstellen. Obwohl Patienten mit ADHS im Vergleich zu gesunden Kontrollen aufgrund ihrer erhöhten Impulsivität defizitär erscheinen, deuten die Befunde bezüglich des Zusammenhangs zwischen selbstbewerteter und experimentell erhobener Impulsivität innerhalb der Patientengruppe einen möglichen Vorteil erhöhter I7-Impulsivitätswerte für die Reaktionsfähigkeit in der Stoppsignal-Aufgabe an. Bezüglich der Beeinflussung der erhobenen Daten durch den Val158Met-COMT-Polymorphismus lassen sich anhand der Befunde dieser Arbeit keine klaren Schlussfolgerungen ziehen. / The aim of this study was to investigate impulsivity in adult patients with Attention Deficit-/Hyperactivity Disorder (ADHD) and healthy controls, on the one hand self-rated impulsivity operationalized by the I7 questionnaire of Eysenck and on the other the executive function response inhibition as an objective correlate of impulsivity operationalized by a stop signal task. During the stop signal task the changes of oxygenated (O2Hb) and desoxygenated haemoglobin (HHb) in prefrontal cortical areas were recorded by functional near-infrared spectroscopy (fNIRS). Because the pathophysiology of ADHD seems to involve alterations in the dopaminergic neurotransmitter system, this study also investigated the possible influence of the catechol-O-methyltransferase (COMT) Val158Met polymorphism, which modulates the degradation of prefrontal dopamine. Compared to the healthy controls, patients with ADHD showed both SSRT as well as Go-RT significantly slower reaction times during the stop signal task and significantly higher values for impulsivity and empathy in the I7 questionnaire. They also showed significantly reduced increases in O2Hb in bilateral IFC for successful stop trials and a statistical trend for a reduced increase in bilateral DLPFC. For patients with ADHD the investigation of the relationship between behavioral data and self-rated impulsivity showed a significant negative association, concerning the relationship of behavioral data and functional brain data a significant negative association between SSRT and the right IFC. The investigation of the influence of the COMT Val158Met polymorphism showed no systematic genotype or interaction effects.

Zugl.: Hohenheim, Univ., Diss., 2008

Die psychomotorische Entwicklungsstörung (neurodevelopmental disorder, Abkürzung: NDD) bezeichnet eine Gruppe von Erkrankungen, die auf Störungen des sich entwickelnden Gehirns und/oder des Zentralnervensystems pränatal bzw. in den ersten Lebensjahren zurückzuführen ist. Die Ursachen sind aufgrund der zeitlichen und räumlichen Komplexität der kindlichen Entwicklung vielfältig und sowohl auf exogene, genetische als auch (noch) unbekannte Ursachen zurückzuführen. Bisher konnten mehr als 1000 Gene, die im Zusammenhang mit kindlicher Entwicklung stehen, identifiziert werden. Doch trotz enormen Entwicklungen diagnostischer Möglichkeiten in den letzten Jahren, insbesondere im Bereich der Exom- und Genomsequenzierung, bleiben viele Fälle wegen einer großen genetischen Heterogenität und häufig unspezifischem Phänotyp ungeklärt. Man geht derzeit davon aus, dass nach wie vor tausende Gene unbekannt sind. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Identifizierung und Charakterisierung neuer bisher unbekannter NDD-Gene. Die Durchführung dieser Arbeit erfolgte mittels (in der Mehrheit Trio-) Exomsequenzierung von 130 Patient:innen mit NDD in Einzelfallanalysen. In einem ersten Schritt wurden alle Patient:innen individuell auf Varianten in bereits bekannten NDD-Genen untersucht. Bei 31 Fällen konnte eine solche Variante identifiziert, systematisch klassifiziert und der Phänotyp mit bereits beschriebenen Symptomen verglichen werden. In einem nächsten Schritt wurden die übrigen 99 Patient:innen hinsichtlich sogenannter Kandidatengene analysiert. Diese wurden anhand Expressionsmuster, Funktion, in silico Analysen, Literaturrecherche und Assoziation mit anderen neurologischen Krankheitsbildern ausgewählt und mithilfe eines Kandidatengen-Scoring-Tools standardisiert und systematisch priorisiert. In Austausch und Kooperation mit anderen Wissenschaftler:innen weltweit wurden ausgewählte Kandidatengene anschließend mittels funktioneller Analysen auf ihre Pathogenität hin untersucht. Von den insgesamt 99 Patient:innen konnten so in 48 Fällen insgesamt 60 Kandidatengene eruiert werden, von denen mittlerweile drei (POU3F3, MADD und TAOK1) publiziert wurden und für weitere drei (UNC13C, GABRA2 und NARS) funktionelle Analysen durchgeführt werden und kurz vor der Publikation stehen. Es zeigte sich, dass sich Einzelfallanalysen, die auf den ersten Blick vor allem nach zeitintensiver und kleinschrittiger Arbeit aussehen, im Vergleich zu großen rein statistischen Kohortenstudien als sehr ertragreich erweisen. Die bisher größte statistische Kohortenstudie, die über 30.000 Fälle umschloss, führte zur Identifizierung von 49 (0,15% der Fälle) neuen NDD-Genen. Hiergegen konnten beispielsweise in der hier vorliegenden Arbeit mit einer Kohorte von 130 Fällen schon mindestens drei (2,3% der Fälle) neue Krankheitsbilder beschrieben werden und weitere werden folgen. Somit stellt dies einen vielversprechenden Ansatz (min. 2,3% vs. 0,15%) zur Identifizierung von neuen NDD-Genen dar. Darüber hinaus zeichnete sich ab, dass das Kandidatengen-Scoring-Tool als geeignetes Werkzeug zur systematischen und standardisierten Priorisierung von Kandidatengenen genutzt werden kann, um eine Fokussierung auf Kandidatengene zu ermöglichen, die mit größerer Wahrscheinlichkeit krankheitsverursachend sind. So konnte beispielsweise dem Kandidatengen UNC13C, das eine maßgebliche Rolle beim molekularen und/oder positionellen „Superpriming“ spielt, trotz einer Kohortengröße von bisher nur vier Patient:innen weltweit, eine relevante Bedeutung zugeschrieben werden, was weiterführende Untersuchungen mittels funktioneller Analysen zur Sicherung der potenziellen Pathogenität ermöglichte.:1. Einleitung 1.1. Genetische Erkrankungen 1.2. Psychomotorische Entwicklungsstörung 1.2.1. Exogene Ursachen von NDD 1.2.2. Genetische Ursachen von NDD 1.2.3. Relevanz der Identifizierung von NDD-Genen 1.3. Strategien zur Identifizierung von neuen NDD-Genen 2. Ziel der Arbeit 3. Untersuchungskollektiv, Materialien und Methoden 3.1. Untersuchungskollektiv 3.2. Methoden 3.2.1. DNA-Isolierung 3.2.2. Next Generation Sequencing-Technologien 3.2.3. Filterungsschritte mit VARVIS und weitere Beurteilung 3.2.4. Systematische Klassifikation von Varianten 3.2.5. Kandidatengen-Scoring 3.2.6. Genematcher 4. Ergebnisse 4.1. Exomsequenzierung von 130 Fällen mit NDD 4.2. Mutationen in bereits beschriebenen NDD-Genen 4.3. Varianten in neuen NDD-Kandidatengenen 4.4. UNC13C-Varianten in vier Patient:innen mit NDD 4.4.1. Phänotypische Beschreibung der Patient:innen 4.4.2. Neurozelluläre Grundlagen von UNC13C 4.4.3. Molekulare Modellierung der Varianten 5. Diskussion 5.1. Identifizierung der genetischen Ursachen von NDD mittels NGS 5.1.1. Vergleich Einzelfallanalysen vs. Große Kohortenstudien 5.1.2. Identifizierung von Mutationen in bereits bekannten Genen für NDD 5.1.3. Identifizierung und Priorisierung von Mutationen in neuen NDD-Genen 5.2. UNC13C als Kandidatengen für NDD 5.3. Ausblick 6. Zusammenfassung 7. Verzeichnis 7.1. Abbildungsverzeichnis 7.2. Tabellenverzeichnis 8. Referenzen 8.1. Webreferenzen 8.2. Literaturverzeichnis 9. Anhang 10. Selbstständigkeitserklärung 11. Lebenslauf 12. Mitarbeit an Veröffentlichungen 13. Danksagung

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