Date of Award

4-2020

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy (PhD)

Department

Medical Education

First Advisor

Bassam R. Ali

Second Advisor

Lihadh Al-Gazali

Third Advisor

Samir Attoub

Abstract

Monogenic disorders, inherited conditions arising from single gene defects, including more than 8,000 different entities with a worldwide prevalence of 10/1000 individuals. Disease-causing missense variants are very common in monogenic disorders and may lead to various consequences at the protein and cellular levels. Therefore, a monogenic disease may show variable onset, symptoms, and severity based on the type and position of the mutation. Lysosomal storage disorders (LSDs) are a group of more than 60 monogenic metabolic disorders that are usually caused by deficiencies in specific lysosomal enzymes due to genetic defects in their coding genes. Of all reported LSDs’ disease-causing mutations, the missense type is the most common covering more than two-thirds of the identified variants. In this thesis, two clinical cases of two LSDs associated with different missense variants are presented. GM1-gangliosidosis is a severe neurodegenerative LSD caused by genetic defects in the GLB1 gene encoding β-Galactosidase (β-Gal) enzyme resulting in loss of residual enzymatic activity and the subsequent accumulation of its corresponding substrates in affected cells and tissues. Out of 152 GM1-gangliosidosis causing variants, more than 151 are from the missense type. An Emirati child was admitted to the genetics clinic presented with an infantile form of GM1-gangliosidosis where whole genome sequencing analysis revealed the presence of a previously reported c.451G>T (p.D151Y) missense variant in the GLB1. The loss of function effect of the underlying variant as a result of β-Gal quantitative loss in lysosomes of patient’s fibroblast cells due to its retention in the Endoplasmic Reticulum (ER). Partial correction of the trafficking defect of p.D151Y β-Gal by glycerol and reduced temperature was an indication of the mutated enzyme capacity to be rescued making it a potential candidate for enzyme enhancement therapy using pharmaceutical chaperones (PC). Indeed, the butyl derivative of Deoxygalactonojirimycin (DGJ) was able to partially promote the mutated β-Gal processing to lysosomes and significantly enhance its residual activity in patient’s cells. On the other hand, Schindler disease is an autosomal recessive LSD caused by deficient alpha-N-acetylgalactosaminidase (α-NAGA) residual enzymatic activity. Out of twelve reported cases worldwide, six of which are carriers of missense variants with extreme variations in the clinical phenotype. A five-year-old Emirati child presented with severe neurological manifestations was confirmed to be a Schindler Disease case based on the marked loss of enzymatic activity. Although his sister showed a similar degree of enzymatic loss, she did not present clinical symptoms. Different molecular analyses revealed that the underlying amino acid substitution did not interfere with the enzyme processing and trafficking to lysosomes but negatively affected the enzyme active site pocket structural configurations that restricted its substrate binding. Overall, understanding the nature and the consequences of the causative genetic defects will improve the genotype/phenotype correlations and open new opportunities for therapeutic interventions.

Comments

تشمل الاضطرابات وحيدة الجين، وهي حالات موروثة ناشئة عن عيوب جينية وحيدة، أكثر من 10000 نوع مختلف من الحالات التي ينتشر فيها على نطاق العالم بنسبة 10/1000 فرد. الطفرات الجينية من نوع ال ( Missense mutations ) شائعة جدا في الاضطرابات وحيدة الجين التي قد تؤدي إلى عواقب مختلفة على مستوى البروتين. لذلك، قد يبدي مرض معين أعراض وشدة مختلفة تختلف من مريض لآخر استنادًا إلى نوع وموقع الطفرة. اضطرابات تخزين اللايزوسومية هي مجموعة من أكثر من 60 اضطراب أيضي والتي عادة ما تكون ناتجة عن عيوب في إنزيمات لايزوسومية محددة وذلك بسبب عيوب جينية في جينات الترميز الخاصة بها. ومن بين كل الطفرات المسببة لهذه الأمراض والتي تم تسجيلها، فإن الطفرات ال ( missense) هي الأكثر شيوعا والتي تمثل أكثر من ثلثي المتغيرات المكتشفة. في هذه الدراسة، سيتم عر ض حالتين سريريتين لنوعين من امراض اضطرابا ت تخزين اللايزوسومية مرتبطين بطفرات ( ( missense مختلفة. ( GM1-gangliosidosis ) مرض هو اضطراب عصبي شديد ناجمة عن عيوب وراثية في جين (GLB1 ) المسؤول عن انتاج انزيم ( beta galactosidase ) ينتج عنه فقدان النشاط الإنزيمي وتراكم اللاحق للركائز المقابلة له في الخلايا والأنسجة المتأثرة. من أصل153 طفرة متعلقة ب -gangliosidosis) (GMl، أكثر من 115 منها من نوع ( missense) تم عرض طفل إماراتي في عيادة علم الوراثة الذي كان يعاني من اعراض مرض ال ( GM1 -gangliosidosis ) حيث تم كشف تحليل تسلسل الجينوم الكامل عن وجود الطفرة ( c. 451G>T/p.151Y) في حين GLB1 المسجلة سابقا كمسبب لهذا المرض. وكان فقدان التأثير الوظيفي الأساسي للطفرة المذكورة نتيجة للخسارة الكمية من الانزيم في الليزوسومات في الخلايا الليفية للمريض نتيجة لاحتجازه في منطقة ال ER. كان تصحيح العيب الهيكلي الأساسي في الانزيم المعطوب عن طريق الجليسرول ودرجة الحرارة المنخفضة بمثابة مؤشر على قدرة الانزيم على الإنقاذ مما يجعله مرشحًا محتملاً للعلاج الإنزيمي عن ط ريق أدوية ال (Pharmaceutical chaperones ) . وقد تمكن مشتق البوتيل من ( Deoxygalactonojirimycin ) من الترويج الجزئي للمعالجة للانزيم المعطوب وتحفيز نقله إلى الليزوسومات وتعزيز نشاطه المتبقي بشكل كبير في خلايا المريض. ومن ناحية أخرى، فإن مرض (Schindler ( هو مرض ايضي نادر ناتج عم نقص النشاط الإنزيمي ل ( α-NAGA ) على نطاق واسع من الخلايا والأعضاء المتأثرة بالمرض. من بين اثنا عشرة حالة تم التسجيل عنها في جميع أنحاء العالم، ستة منها تحمل أشكال الطفرات ال (missense ) التي تنجم عن اختلاف شاسع في الاعراض السريرية من مريض لأخر. وقد تأكد أن طفل إماراتي يبلغ من العمر خمس سنوات، قدم بمظاهر عصبية حادة، هو حالة مرض ( Schindler ) ، وذلك على بناء على النقص الملحوظ للنشاط الإنزيمي ( ( NAGA . كشفت تحليلات جزيئية مختلفة أن استبدال حمض الأميني الأساسي للأنزيم لم يؤثر على نقل الإنزيم الى الليزوسومات ولكنه أثر سلبا على التكوينات الهيكلية لجيب الموقع النشاط الإنزيمي التي قيدت ربطه بمركباته. وفي الإجمال، فإن فهم طبيعة وعواقب العيب الجيني المسبب للمرض من شأنه أن يحسن من التفسيرات السريرية للمرضى ويساعد الأطباء عل التكهن بالنهج الصحيح في تدخلات العلاجية تتناسب مع كل مريض على حدا.

Download

Share

COinS