Universität zu Köln

Lal, Dennis (2013). Rare genetic risk factors in common idiopathic epilepsy syndromes. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Epilepsy is one of the most common neurological disorders characterized by recurrent unprovoked seizures due to increased neuronal hyperexcitability and abnormal synchronization. I have explored the genetic architecture of the most common types of idiopathic epilepsies, the idiopathic generalized epilepsies (IGEs) and the spectrum of idiopathic focal epilepsies related to rolandic epilepsies (REs). Both groups are distinguishable by the leading seizure types, age-dependent onset and electroencephalographic criteria. For IGEs a complex genetic contribution is indicated from family and twin studies, whereas the genetic basis of REs has been a matter of debate. At present, the majority of genetic factors predisposing to common idiopathic epilepsies remain elusive. The aim of the present studies was the molecular genetic dissection of genetic risk factors with strong epileptogenic effects in idiopathic epilepsies and the elucidation of their molecular pathways in epileptogenesis. Therefore, our group conducted copy number variation (CNV) analyses using high-resolution SNP arrays in two case-control cohorts comprising: i) 1582 IGE and 2795 populations controls, and ii) 308 patients with RE-spectrum epilepsies and 1512 controls of European descent. In addition, we performed candidate gene sequence analysis in 242 patients with RE-spectrum epilepsies. With regard to the low power of our study samples for genome-wide scans, our current strategies focused on a candidate gene/locus approach of genes and CNVs that have been implicated in the pathogenesis of epilepsies and related neurodevelopmental disorders, as well as candidate genes with a presumed impact on neuronal excitability. In the present cumulative thesis, I report the results of our current CNV and sequence analyses of highly plausible candidate genes based on three peer-reviewed publications and another three manuscripts that are currently in revision. We are the first to show a significant statistical association for deletions affecting the neuronal splicing regulator RBFOX1 with idiopathic epilepsies (Lal et al., 2013a). Moreover, we also detected deletions and truncating mutations in RBFOX1 as well as in the neuronal splicing regulator RBFOX3 in the RE cohort (Lal et al., 2013b). We provide genetic, functional, and neurophysiological evidence that structural exonic microdeletions affecting the GPHN gene, which codes for the synaptic scaffolding protein gephyrin, may increase neuronal excitability by an impairment of GABAergic synaptic inhibition and thereby confer susceptibility for IGE (Dejanovic et al., in revision). We also found that missense and truncating exonic mutations and microdeletions of the GRIN2A gene encoding the NMDA-receptor NR2A subunit are a major genetic risk factor in 7.5% of children with idiopathic focal epilepsies including RE-spectrum epilepsies (Lemke et al., 2013). Notably, mutations in the DEPDC5 gene, encoding DEP domain-containing protein 5, preferentially predispose to focal idiopathic epilepsies (Lal et al., in revision). Finally, screening for recurrent CNVs revealed 16p11.2 duplications as an important genetic risk factor for the spectrum of REs (Reinthaler et al., in revision), thereby further supporting the associations between 16p11.2 duplications and early onset neurodevelopmental disorders. In conclusion, our studies identified several genetic risk factors in a significant fraction of idiopathic epilepsy patients. Moreover, the present study is the first that clearly proves a genetic impact on the etiology of the common REs at the molecular genetic level. We are aware that our small samples sizes provide insufficient power for exome-wide rare-mutation or genome-wide rare-CNV association testing. Future large-scale studies are warranted to identify additional pathogenic variants to better understand the complex genetic architecture of the most common types of idiopathic epilepsies.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Identifikation von seltenen genetischen Risikofaktoren bei häufigen Epilepsiesyndromen German
Translated abstract:	Abstract Language Epilepsie ist eine der häufigsten neurologischen Erkrankungen, charakterisiert durch wiederkehrende, nicht provozierte epileptische Anfälle aufgrund neuronaler Übererregbarkeit sowie gesteigerter kortikaler Synchronisation. In der vorliegenden Arbeit wurde die genetische Architektur der beiden häufigsten Formen von idiopathischen Epilepsien, den idiopathisch generalisierten Epilepsien (IGE) und der idiopathisch fokalen Epilepsie (sog. Rolando Epilepsie, RE) untersucht. Beide Gruppen unterscheiden sich hinsichtlich ihrer charakteristischen Anfallstypen, dem altersabhängigen Auftreten und dem elektroenzephalographischen Muster. Familien- und Zwillingsstudien belegen eine vorwiegend genetische Disposition der häufigen IGE Syndrome, während die Beteiligung von genetischen Einflüssen an der Ätiologie der RE bislang umstritten war. Bei den häufigen idiopathischen Epilepsien ist die Mehrzahl der beteiligten genetischen Faktoren noch unbekannt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die molekulargenetische Identifikation von genetischen Risikofaktoren. Aufgrund der geringen Größe unserer Kollektive war nur die Identifikation von Varianten mit starken epileptogenen Effekten möglich. Hierzu haben wir copy number variation (CNV)-Analysen mit hochauflösenden SNP-Arrays in zwei Patienten-Kontroll-Kohorten durchgeführt. Die Kollektive bestanden aus: i) 1582 IGE-Patienten und 2795 Kontrollen mit europäischer Herkunft und ii) 308 Epilepsie-Patienten aus dem RE-Spektrum und 1512 Populationskontrollen europäischer Herkunft. Darüberhinaus haben wir Kandidatengen Sequenzanalysen bei 242 Patienten mit RE durchgeführt. Im Hinblick auf die geringe statistische Größe unserer Studienkohorten waren unsere Strategien auf Kandidatengen/-lokus-Ansätze ausgelegt. Dafür wurden Kandidatengene und -CNVs ausgewählt, die eine Funktion in der synaptischen Transmission aufweisen oder bei anderen neurologischen Erkrankungen bereits als Risikofaktoren identifiziert wurden. In der vorliegenden kumulativen Dissertation berichte ich über die Ergebnisse unserer aktuellen CNV und Sequenzanalysen und beziehe mich auf drei veröffentlichte Manuskripte, sowie auf drei weitere Artikel, die sich derzeit in Revision befinden. Unsere Arbeiten belegen erstmals eine signifikante statistische Assoziation von Mikrodeletionen, die den neuronalen Spleiß-Regulator RBFOX1 betreffen, mit idiopathischen Epilepsien (Lal et al., 2013a). Ferner konnten wir nachweisen, dass Deletionen und loss-of-function-Mutationen von RBFOX1 und RBFOX3 in der RE-Kohorte auftreten (Lal et al., 2013b). Wir fanden genetische, funktionale und neurophysiologischen Belege dafür, dass exonische Mikrodeletionen in GPHN die neuronale Erregbarkeit durch eine Beeinträchtigung der GABAergen synaptischen Hemmung steigern und dadurch das Risiko für IGE erhöhen (Dejanovic et al., in Revision). Wir konnten ebenso belegen, dass missense- und loss-of-function-Mutationen sowie Mikrodeletionen von GRIN2A, das für eine Untereinheit des NMDA-Rezeptors NR2A kodiert, einen genetischen Risikofaktor bei 7,5 % der Kinder mit idiopathischen fokalen Epilepsien darstellen (Lemke et al., 2013). Schließlich konnten wir zeigen, dass Mutationen in DEPDC5 präferentiell zu fokalen idiopathischen Epilepsien prädisponieren (Lal et al., in Revision). Unser Screening für rekurrente CNVs identifizierte 16p11.2-Duplikationen als signifikanten genetischen Risikofaktor für das Spektrum der RE-assoziierten Epilepsien (Reinthaler et al., in Revision). Dadurch konnten wir die Assoziation zwischen 16p11.2-Duplikationen und früh einsetzenden neurologischen Entwicklungsstörungen erhärten und das phänotypische Spektrum um die RE erweitern. Zusammenfassend haben unsere Studien mehrere genetische Risikofaktoren bei einem bedeutenden Anteil der idiopathischen Epilepsie-Patienten identifiziert. Die Ergebnisse unserer Untersuchungen belegen nunmehr das Vorliegen einer genetischen Disposition für die RE eindeutig. Große, multizentrische Studienkollektive werden die Vorrausetzung schaffen, um systematisch seltene Mutationen und CNVs zu identifizieren. Die Identifikation von weiteren genetischen Risikofaktoren wird die Grundlage zu einem besseren Verständnis der komplexen genetische Architektur der Epilepsien bilden. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Lal, Dennis Dennis.Lal@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-59203
Date:	November 2013
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Institute for Genetics
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Genetik UNSPECIFIED Genetics UNSPECIFIED Epilepsie UNSPECIFIED
Date of oral exam:	January 2014
Referee:	Name Academic Title Nürnberg, Peter Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5920