Abstract Finding the genetic causes leading to phenotypes of mitochondrial diseases is challenging because of heterogeneity of the disorders and variety of the underlying biochemical defects. In adults, many of the manifestations of mitochondrial diseases cannot be distinguished from the neurodegenerative processes associated with old age. A single mutation or mutations within the same gene can result in a broad range of disorders. Conversely, clinically similar, monogenic disorders may be caused by genes which are governing entirely different cellular pathways. This study investigated the genetic etiology underlying certain symptoms which are characteristic for mitochondrial syndromes, or mimics of the mitochondrial ones. In the first project, we presented the contribution of genetic variation in the Wolfram Syndrome 1 gene to the risk of diabetes mellitus and sensorineural hearing impairment. We also estimated the frequency of a rare pathogenic variation in WFS1. The second project detected a link between the complex phenotype of age-related hearing impairment and the WFS1 gene. Monogenic forms of ARHI are extremely rare and we succeeded in recognizing one Mendelian form of the trait. The third project confirmed the Mitofusin 2 gene causality in the outlier phenotype of Charcot-Marie-Tooth disease. The fourth project described a Finnish family with two affected siblings with adult-onset ataxia, diabetes mellitus, and hypergonadotropic hypogonadism. The found novel mutation in mtDNA, m.8561C>G, was located in the overlapping region of two mitochondrial genes and resulted in an impaired assembly and dysfunctional energy production of mitochondrial ATP synthase. This thesis expands our knowledge about complex neurological phenotypes and identifies not only some causative genes but also outlier phenotypes, which should be noted in clinical practice. / Tiivistelmä Perintötekijät mitokondriaalisten ja niiden kaltaisten tautien taustalla ovat vaikeasti tunnistettavissa. Tautien kirjo on valtava, ja niihin johtavat biokemialliset syyt ovat moninaisia. Aikuisten mitokondriotaudit voivat jäädä diagnosoimatta, koska oireet voivat peittyä vanhenemiseen liittyviin neurodegeneratiivisiin prosesseihin. Sama mutaatio tai eri mutaatiot samassa geenissä voivat johtaa kliinisesti täysin erilaisiin ilmiasuihin. Toisaalta, kliinisesti samankaltaiset taudit voivat olla geneettisesti ja solubiologiallisesti kirjavia. Tässä tutkimuksessa selvitetään geneettistä etiologiaa tiettyjen mitokondriaalisille ja niiden kaltaisille taudeille tyypillisten oireiden taustalla. Ensimmäisessä osajulkaisussa tunnistetaan geneettisiä riskivariantteja Wolfram Syndrome 1 -geenissä diabeteksen ja kuulonaleneman taustalta. Lisäksi tutkimuksessa estimoidaan harvinaisen tautia aiheuttavan variaation määrää kyseisessä geenissä. Toinen projekti esittelee suomalaisen perheen, jossa myöhään alkaneen kuulonaleneman, ikäkuulon, geneettinen syy paljastuu WFS1-geenistä, jota ei aiemmin ole liitetty kyseiseen ilmiasuun. Yhden geenin aiheuttamat ikäkuulotapaukset ovat todella harvinaisia, koska ikäkuulo on monimutkainen kokonaisuus, johon ympäristötekijöillä on suuri vaikutus. Kolmas osajulkaisu kuvaa potilastapauksia, joiden ilmiasu on epätyypillinen Charcot-Marie-Toothin neuropatia. Tautigeeni on tunnettu Mitofusin 2, mutta sen aiheuttaman taudinkuvat ovat yleensä vakavampia ja varhain alkaneita. Viimeinen osajulkaisu kuvaa suomalaisen perheen, jonka kahden oireisen sisaruksen taustalta löytyy mitokondriaalisen DNA:n uusi mutaatio, joka sijaitsee kahden geenin alueella muuttaen niiden molempien lopputuotetta. Mutaation, m.8561C>G, osoitetaan vaikuttavan mitokondriaalisen ATP-syntaasin rakentumiseen ja energiatuotantoon. Tämä väitöskirja laajentaa geneettistä tietoisuutta neurologisten tautien taustalla ja esittelee uusia geneettisiä syitä ja ilmiasuja, jotka tulisi huomioida kliinisessä työssä terveydenhuollossa.

Abstract Various genetic aetiologies — including mitochondrial diseases, chromosomal disorders, and other monogenic diseases — are involved in status epilepticus (SE), a common neurologic emergency occurring in children and adults that exhibits high rates of morbidity and mortality. The exact frequency of mitochondrial SE is currently undefined. Furthermore, patients with pathogenic variants of POLG1 encoding mitochondrial DNA polymerase gamma have an increased risk of acute liver failure (ALF) induced by the common antiepileptic drug, valproic acid (VPA), which is problematic due to these patients also often experiencing drug-resistant seizures. Overall, the role of liver transplantation (LT) in VPA-ALF due to mitochondrial disease has been controversial. In the present work, large retrospective cohort studies were conducted for two main purposes: (1) to determine the genetic aetiologies of SE among Finnish paediatric and adult patients by specifically focusing on the common mitochondrial genetic defects associated with an increased risk of SE and (2) to examine whether common POLG1 p.Q1236H and p.E1143G variants are connected to liver or pancreatic toxicity upon exposure to VPA monotherapy. This thesis also describes the characteristics of VPA-ALF associated with the pathogenic POLG1 variant p.W748S and the prognosis of LT in a retrospective case series. Mitochondrial diseases explained 4.5% of SE cases in the study cohort. Patients with mitochondrial SE suffered from refractory SE significantly more often than patients with other forms of genetic or non-genetic SE. Additionally, mortality rates were higher in patients with mitochondrial or chromosomal disorders compared with the other groups, reflecting the severity of the underlying condition and the higher frequency of refractory SE. POLG1 variants p.Q1236H and p.E1143G could not be identified as risk factors for VHT or pancreatic toxicity, implying that VPA treatment might be suitable for patients harbouring these variants when other pathogenic variants are absent. Finally, the homozygous status of the pathogenic POLG1 variant p.W748S and older age of the patient during the presentation of VPA-ALF seem to be associated with higher survival rates following LT, which should be considered in the management of VPA-ALF. / Tiivistelmä Useita perinnöllisiä syitä, kuten mitokondriotauteja, kromosomihäiriöitä ja muita geenimuutoksia on tunnistettu status epilepticuksen (SE) eli pitkittyneen epileptisen kohtauksen taustalla. SE on yleinen neurologinen hätätilanne, johon liittyy merkittävää oheissairastavuutta ja kuolleisuutta sekä lapsilla että aikuisilla. Mitokondriotauteihin liittyvän SE:n tarkkaa esiintyvyyttä ei tiedetä. Potilailla, joilla on patogeenisia variantteja mitokondrioiden DNA-polymeraasia koodaavassa tuman POLG1-geenissä, on todettu kohonnut riski yleisesti käytetyn epilepsialääkkeen valproaatin (VPA) aiheuttaman akuutin maksavaurion kehittymiselle. Tämä tekee lääkehoidon valinnasta ongelmallista, koska näillä potilailla on usein epilepsialääkkeille resistenttejä kohtauksia. Maksansiirron merkitys akuutin maksavaurion hoidossa mitokondriotauteja sairastavilla potilailla on ollut kiistanalainen. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää SE:n perinnöllisiä syitä suomalaisilla lapsi- ja aikuispotilailla retrospektiivisesti kerätyssä laajassa potilasaineistossa. Tutkimuksessa keskityttiin yleisimpiin mitokondriaalisiin perinnöllisiin muutoksiin, joiden on aiemmin todettu liittyvän SE:n lisääntyneeseen riskiin. Tutkimuksen toisena päätavoitteena oli selvittää väestössä yleisten POLG1-geenin muutosten eli varianttien p.Q1236H ja p.E1143G yhteyttä maksatoksisuuteen tai haimatoksisuuteen VPA-monoterapian aikana. Lisäksi tutkittiin VPA:n aiheuttaman maksavaurion kliinisiä erityispiirteitä patogeeniseen POLG1-varianttiin p.W748S liittyen sekä mutaatiostatuksen vaikutusta maksansiirron jälkeiseen ennusteeseen. Mitokondriotaudit selittivät 4,5 % SE-tapauksista tämän väitöskirjatyön potilasaineistossa ja näillä potilailla SE pitkittyi hoitoresistentiksi tai erittäin resistentiksi merkitsevästi muita potilasryhmiä useammin. Kuolleisuus oli suurin potilailla, joilla todettiin mitokondriotauti tai kromosomihäiriö, liittyen todennäköisimmin vakavaan taustasairauteen ja hoitoresistentin SE:n suurempaan esiintyvyyteen. Tutkittuja POLG1-variantteja p.Q1236H ja p.E1143G ei voitu tunnistaa maksa- tai haimatoksisuuden riskitekijöiksi, mikä tarkoittaa, että VPA-hoito voisi sopia näille potilaille, mikäli muita patogeenisiä variantteja ei todeta. Patogeenisen POLG1-variantin p.W748S homotsygoottisuus ja nuoruusikä tai varhainen aikuisikä maksavaurion ajankohtana ovat maksansiirron ennustetta parantavia tekijöitä, mikä tulisi ottaa huomioon hoitopäätöksiä tehtäessä.

Abstract Childhood acute lymphoblastic leukemia (ALL) is the most common cancer in children. The overall survival rate has reached to 90%. However, ALL still presents a significant disease burden and is a major cause for deaths in children. Recently, both inherited germline variants related to ALL susceptibility and somatic genetic variants forming novel subgroups of ALL have been discovered. In this thesis two families with familial ALL were studied. Constitutional heterozygous microdeletion at chromosome 7p12.1p13, including IKZF1, was discovered in the first family with intellectual impairment, overgrowth, and susceptibility to childhood ALL. In the second family, constitutional chromosome translocation was revealed in two individuals with childhood ALL and, subsequently, in seven unaffected family members. The balanced reciprocal translocation t(12;14)(p13.2;q23.1) resulted in breakpoints on two genes; ETV6 on chromosome 12 and RTN1 on chromosome 14. Only a few familial and sporadic ALL cases with germline variants in either IKZF1 or ETV6 have been published, thus supporting the significant role of these constitutional variants in childhood ALL predisposition. Inherited bone marrow failure syndromes (IBMFS) may predispose to childhood leukemia, including ALL. Two unrelated patients were diagnosed with bone marrow failure without the symptoms of classical IBMFS. Neither patient had any signs of developmental delay or congenital anomalies. Exome sequencing revealed identical c.1457del(p.(Ile486fs)) mutation on the ERCC6L2 gene in both patients. A few patients with IBMFS and ERCC6L2 variants have been described in previous studies. Some of them also had congenital craniofacial anomalies and developmental delay that were not detected in the patients in this thesis. The ALL cohort study on genetic variation of mitochondrial DNA (mtDNA) included 36 children. Metabolic change where malignant cells uncouple energy production from oxidative phosphorylation (OXPHOS) is one of the established hallmarks of cancer. In the cohort in this study, 22% of patients harbored nonsynonymous variants on mtDNA in the protein-coding genes of OXPHOS enzyme complexes. The somatic non-neutral variants were found in patients with a poor prognosis cytogenetic marker. The results support the hypothesis that cancer cells harbor mtDNA variants that may affect the cell metabolism. / Tiivistelmä Akuutti lymfoblastileukemia (ALL) on lasten yleisin syöpä. Vaikka nykyisin noin 90 prosenttia paranee, ALL aiheuttaa huomattavan paljon sairastavuutta ja on merkittävä lasten kuolinsyy. Vastikään on löydetty perinnöllisiä geneettisiä muutoksia, jotka altistavat lapsuusiän ALL:lle. Tutkimuksen kohteena oli kaksi perhettä, joissa vähintään kaksi lasta on sairastunut ALL:aan. Ensimmäisessä perheessä havaittiin lapsuusiän ALL:aan sairastuneilla kehityshäiriöisillä sisaruksilla äidiltä periytyvä heterotsygoottinen deleetio kromosomissa 7p12.1p13, jossa sijaitsee IKZF1-geeni. Toisessa perheessä perinnöllinen kahden kromosomin translokaatio todettiin kahdella lapsuusiän ALL:aan sairastuneella sekä seitsemällä perheenjäsenellä. Balansoitu translokaatio t(12;14)(p13.2;q23.1) aiheuttaa katkaisukohdan ETV6-geeniin kromosomissa 12 ja RTN1-geeniin kromosomissa 14. Tähän mennessä on julkaistu vain muutamia tutkimuksia potilaista, joilla on ollut perinnöllinen muutos joko IKZF1- tai ETV6-geenissä. Näillä geeneillä oletetaan olevan tärkeä merkitys perinnöllisessä alttiudessa sairastua lapsuusiän ALL:aan. Perinnölliset luuytimen toimintahäiriöt voivat altistaa leukemialle, kuten ALL:lle. Kahdella lapsella todettiin luuytimen toimintahäiriö, mutta ei muita oireita, jotka voisivat liittyä tyypillisiin perinnöllisiin luuytimen toimintahäiriöihin. Eksomisekvensoinnissa todettiin identtinen, homotsygoottinen mutaatio c.1457del(p.(Ile486fs)) ERCC6L2-geenissä. Kirjallisuuslähteiden mukaan vain muutamalla potilaalla on todettu ERCC6L2-geenin muutoksesta johtuva luuytimen toimintahäiriö. Osalla heistä on ollut synnynnäisiä kallon ja kasvojen anomalioita sekä kehityshäiriö, jollaisia tähän tutkimukseen osallistuneilla potilailla ei todettu. Potilaskohorttitutkimuksessa tutkittiin mitokondriaalisen DNA:n (mtDNA) muutoksia ALL:aan sairastuneilla lapsilla. Syöpäsolut eivät hyödynnä mitokondrion elektroninsiirtoketjua energian tuotantoon, ja tämä aineenvaihdunnan muutos on tunnustettu syövän ominaisuus. Tutkimuksessa havaittiin, että 22 prosentilla potilaista ilmeni diagnoosivaiheessa poikkeavia mtDNA:n muutoksia, jotka olivat elektroninsiirtoketjun entsyymien alayksiköitä koodaavissa geeneissä. Muutoksia todettiin useimmiten potilailla, joilla oli leukemiasoluissa huonon ennusteen geneettinen tekijä. Havaitut muutokset voivat mahdollisesti vaikuttaa leukemiasolun energia-aineenvaihduntaan.

Abstract Cellular energy is produced by the mitochondria via oxidative phosphorylation. In addition to nuclear DNA; the mitochondrion contains circular mitochondrial DNA (mtDNA) molecules. MtDNA is maternally inherited and encodes 37 genes that are crucial for the energy production of the cell. Mutations in the mtDNA cause mitochondrial diseases that manifest as maternally inherited energy metabolism disorders. Common symptoms include diabetes mellitus, myopathy, sensorineural hearing impairment, eye and vision problems, epilepsy and brain manifestations (encephalopathy). Mitochondrial mutations are often heteroplasmic; cells and tissues contain a mix of healthy and mutated mtDNA. The percentage of mutated mtDNA contributes to the severity of symptoms. Mitochondrial DNA also contains numerous polymorphisms; some of which have been reported to be non-neutral, thus contributing to the occurrence of common diseases. Whole mtDNA sequences were obtained from patients with diabetes mellitus (64), epilepsy (79) and unknown mitochondrial disease (66) using conformation-sensitive gel electrophoresis and direct sequencing. Whole mtDNA sequences of a Finnish family with ataxia were also obtained. Restriction fragment length analysis and cloning were used for heteroplasmy quantification. Whole mitochondrial genomes were organized into phylogenetic trees. All nonsynonymous mutations were analyzed with pathogenicity predicting algorithms (SNAP, PolyPhen-2, PMut, SIFT Blink). Non-neutral risk mutations were identified in diabetes mellitus and epilepsy patients. These patients had maternal relatives with diabetes, epilepsy and/or sensorineural hearing impairment. M. 3010A>G and m.16189T>C were found in increased frequency in diabetics and the haplogroup U5b variant m.15218A>G was detected more often among patients with epilepsy. These mutations were predicted to be deleterious in effect. Mitochondrial haplogroup V was found in increased frequency in matrilineal diabetes mellitus patients. We identified an m.8993T>C mutation in a Finnish family with ataxia. This mutation caused an adult-onset ataxic phenotype; previous studies have reported only juvenile onset phenotypes. Novel and rare mtDNA mutations were discovered in patients with an unspecified mitochondrial disease phenotype; these included an insertion m.7585insT and a novel MTTT mutation m. 15933G>A. This thesis emphasizes the importance of full mtDNA sequencing in patients with a suspected mitochondrial disease; novel mutations remain undetected if only the most common mutations are screened. In addition, the increasing importance of non-neutral mtDNA risk variants is supported by the findings of this thesis. In the future, individualized genetics and information on personal risk alleles will become even more important for maintaining health on a personal level. / Tiivistelmä Mitokondriot ovat energiaa tuottavia soluelimiä. Mitokondrioissa on oma rengasmainen mitokondriaalinen DNA (mtDNA), joka esiintyy solussa useana kopiona. MtDNA periytyy vain äidin kautta, joten kaikille lapsille periytyy sama mitokondriaalinen DNA. MtDNA koodaa 37:ää geeniä, jotka ovat tärkeitä solun energiantuotannolle. Geenimuutos mtDNA:ssa voi aiheuttaa äidiltä periytyvän mitokondriotaudin. Mitokondriotaudit ovat energia-aineenvaihdunnan sairauksia, joissa tavallisia oireita ovat diabetes mellitus, lihasoireet (esimerkiksi lihasten ennenaikainen väsymys, myopatia), sydänlihasoireet, maksaoireet, silmä- ja näköoireet, aistimistyyppinen kuulovika sekä aivo-oireet, kuten epilepsia. Oireet vaihtelevat huomattavasti, ja sama mutaatio voi aiheuttaa hyvin erilaisia taudinkuvia. Vakavimmillaan mitokondriotauti voi johtaa kuolemaan jo varhaislapsuudessa. Mutaation prosenttiosuus eli heteroplasmia-aste on usein oireiden vakavuutta määrittelevä tekijä. Mitokondriaalinen DNA muuntuu nopeasti evoluution aikana, joten siinä esiintyy paljon normaalia vaihtelua (polymorfioita). Osa näistä polymorfioista on kuitenkin todettu lievästi haitallisiksi, ja ne lisäävät riskiä sairastua kansanterveydellisesti yleisiin sairauksiin, kuten diabetekseen. Kartoitimme koko mitokondriogenomin muutokset eri potilasryhmiltä, joihin kuului diabetesta, epilepsiaa ja ataksiaa sairastavia potilaita. Lisäksi tutkittiin potilaita, joilla epäiltiin mitokondriotautia. Keskeiset käytetyt menetelmät olivat DNA:n rakenteellisia muutoksia havaitseva geelielektroforeesi ja sekvensointi. Määritimme heteroplasmian käyttäen restriktioentsyymianalyysia sekä kloonausta bakteerisoluihin. Järjestimme potilaiden mtDNA-sekvenssit fylogeneettisiksi puiksi ja kaikki proteiinin koodausta muuttavat geenimuutokset analysoimme haitallisuutta ennustavilla tietokoneohjelmilla (SNAP, PolyPhen-2, PMut, SIFT BLink). Diabetesta sairastavilla potilailla, joilla myös äidinpuoleisessa suvussa esiintyy diabetesta, havaitsimme useammin m.3010A>G- ja m.16189T>C-geenimuutoksia kuin väestöllä keskimäärin. Tutkimustulos tukee aikaisemmin julkaistuja tutkimustuloksia m.16189T>C-geenimuutoksen haitallisuudesta. Epilepsiapotilailta löytyi m.15218A>G-geenimuutos kahdessa U5a1-haploryhmän alatyypissä. Patogeenisyysanalyysien mukaan nämä geenimuutokset olivat haitallisia. Mitokondriaalinen haploryhmä V havaittiin useammin diabetesta sairastavilla kuin terveillä henkilöillä. Tutkimukseen valittiin potilaita, joiden äidinpuoleisilla lähisukulaisilla esiintyi yhtä tai useampaa seuraavista: diabetes, epilepsia tai aistimistyyppinen kuulovika. Väitöstutkimuksessa todetaan lisäksi, että m.8993T>C-mutaatio aiheuttaa aikuisiällä alkavaa ataksia-oireistoa. Kyseinen mutaatio on aiemmin yhdistetty vain lapsuusiän taudinkuviin. Kuvasimme uuden insertiomutaation (m.7585insT) kardiomyopatiasuvussa sekä uuden MTTT-geenin mutaation (m.15933G>A) tuntematonta mitokondriotautia sairastavalla potilaalla. Väitöskirjatutkimuksen tulokset osoittavat, että on tärkeää tutkia koko mitokondriogenomi, kun kyseessä on tuntemattomaksi jäänyt mitokondriaalinen taudinkuva. Uudet, tautia aiheuttavat, mtDNA:n geenimuutokset voivat jäädä tunnistamatta, jos tutkitaan ainoastaan raportoidut, tunnetut, mutaatiot. Lisäksi voi todeta, että mitokondriogenomissa esiintyy lievästi haitallisia geenimuutoksia tai niiden yhdistelmiä, jotka saattavat lisätä riskiä sairastua kansanterveydellisesti merkittäviin sairauksiin, kuten diabetekseen.