Molekulare Mechanismen des hypoplastischen
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Molekulare Mechanismen des hypoplastischen Linksherzsyndroms Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel vorgelegt von Kirstin Hoff Kiel, 2016 Erster Gutachter: Prof. Dr. rer. nat. Hinrich Schulenburg Zweiter Gutachter: Prof. Dr. med. Hans-Heiner Kramer Tag der mündlichen Prüfung: 29.04.2016 Zum Druck genehmigt: 29.04.2016 gez. Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang J. Duschl, Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel Zusammenfassung Das hypoplastische Linksherzsyndrom (HLHS) stellt ein kongenitales Herz- und Gefäßfehlbildungssyndrom dar, welches durch eine Atresie oder Stenose der Aorten- und Mitralklappe sowie eine Hypoplasie des linken Ventrikels und der Aorta gekennzeichnet ist. Das HLHS ist unbehandelt ursächlich für 25 bis 40 % der neonatalen kardialen Todesfälle und gehört zu den schwerwiegendsten kongenitalen Herzfehlbildungen (CHDs). Die Ätiologie des HLHS ist bis heute weitgehend unklar. Um die molekularen Mechanismen in der Entstehung des HLHS zu untersuchen, wurden in dieser Arbeit Analysen auf Genom-, Epigenom- und Transkriptomebene an Keimbahn- bzw. Herzgewebematerial von Patienten mit HLHS und anderen CHDs durchgeführt. Dies umfasste auf Keimbahnebene Gesamt-Exom-Sequenzierungs (WES)-Analysen von Familien mit Catel-Manzke-Syndrom sowie von Familien mit nicht-syndromalen HLHS-Fällen. Auf somatischer Ebene wurden Herzgewebeproben von HLHS-Patienten hinsichtlich pathogener Mutationen untersucht und RNA-Sequenzierungen durchgeführt. Zudem erfolgten DNAMethylierungsanalysen an Herzgewebe von Patienten mit HLHS und anderen CHDs. Auf Keimbahnebene ließen sich kausale Genvarianten im TGDS-Gen bei drei Familien mit Catel-Manzke-Syndrom und eine kausale de novo Splice-Donor-Mutation in NR2F2 bei einem nicht-syndromalen Fall mit HLHS nachweisen. Neben potenziell krankheitsrelevanten Genvarianten in C15orf62, TNKS1BP1 und PRF1 im familiären Kontext konnten auf somatischer Ebene im Herzgewebe der HLHS-Patienten funktionelle Mutationen in Genen kardialer Entwicklungsprozesse, wie z.B. NOTCH1, detektiert werden. Des Weiteren ließen sich erstmalig in primärem Herzgewebe von Patienten mit CHDs herzregionspezifische DNAMethylierungsprofile nachweisen. Die Ergebnisse dieser Arbeit lassen vermuten, dass prädisponierende vererbte Genvarianten in Kombination mit somatischen Mutationen und epigenetischen Aberrationen im Herzgewebe der Patienten in der Pathogenese des HLHS involviert sind. Summary Hypoplastic left heart syndrome (HLHS) displays a severe congenital heart defect (CHD) that encompasses a spectrum of structural defects characterized by atresia or stenosis of the aortic and mitral valve, as well as a hypoplasia of the left ventricle and aorta. HLHS, if left untreated, is responsible for 25 to 40 % of all neonatal cardiac deaths and represents one of the most severe cardiac malformations. The etiology of HLHS still remains unknown. In order to investigate the molecular mechanisms of HLHS, heart tissue and blood samples from different patients with HLHS, as well as from patients displaying other CHDs, have been examined. Genomic, transcriptomic and epigenomic datasets have been generated and analyzed in this thesis. This included a whole exome sequencing (WES) dataset from families with Catel-Manzke syndrome and from families with non-syndromic HLHS. In order to analyze somatic changes potentially involved in the pathogenesis of HLHS, WES and RNA sequencing was performed on heart tissue samples from independent cases. To further evaluate epigenetic alterations, DNA methylation profiles of heart tissue samples from cases with HLHS and different CHDs have been analyzed. Disease-causing mutations in TGDS have been identified in three families with Catel-Manzke syndrome. Furthermore, a de novo donor splice site mutation has been detected as a disease-causing variant in a case with HLHS. A family-based analysis revealed possibly disease-causing mutations in C15orf62, TNKS1BP1 und PRF1. Despite these findings, the analysis on heart tissue samples revealed functional variants in genes which are possibly linked to heart development, such as NOTCH1. For the first time, heart region specific DNA methylation profiles have been detected. The results of the present study suggest that predisposing inherited genetic variants acting in combination with somatic mutations and epigenetic aberrations in cardiac tissue might be involved in the pathogenesis of HLHS.
