Ein Schwerpunkt unserer Forschungsarbeiten ist bereits seit vielen Jahren die Aufdeckung neuer Krankheitsgene für die seltenen, nach den Mendel’schen Regeln vererbten Krankheiten. Die Anwendung der neuen Hochdurchsatzsequenziertechnologien (next-generation sequencing), zu denen die Exom-, Genom- und Transkriptom-Sequenzierung gehören, hat zu schnellen Fortschritten und einem enormen Erkenntnisgewinn in diesem Teilgebiet der Humangenetik geführt. Wir wenden diese Techniken an, um bei Patienten mit einer genetisch bedingten Erkrankung die ursächliche Veränderung zu finden. Das Spektrum an Erkrankungen, das wir bearbeiten, reicht von Entwicklungsstörung und Intelligenzminderung bis zu komplexen Fehlbildungssyndromen, wobei wir ein besonderes Forschungsinteresse am Microphthalmia with linear skin defects (MLS)-Syndrom, Zimmermann-Laband-Syndrom, den RASopathien (neuro-kardio-fazio-kutane Syndrome) und Entwicklungsstörungen in Kombination mit Gehirnfehlbildungen (z. B. pontozerebelläre Hypoplasie) haben. Darüber hinaus untersuchen wir in ausgewählten Projekten, wie sich genetische Veränderungen auf die Funktion des vom Krankheitsgen kodierten Proteins auswirken.

• Schneeberger PE, Kortüm F, Korenke GC, Alawi M, Santer R, Woidy M, Buhas D, Fox S, Juusola J, Alfadhel M, Webb BD, Coci EG, Abou Jamra R, Siekmeyer M, Biskup S, Heller C, Maier EM, Javaher-Haghighi P, Bedeschi MF, Ajmone PF, Iascone M, Peeters H, Ballon K, Jaeken J, Rodríguez Alonso A, Palomares-Bralo M, Santos-Simarro F, Meuwissen MEC, Beysen D, Kooy RF, Houlden H, Murphy D, Doosti M, Karimiani EG, Mojarrad M, Maroofian R, Noskova L, Kmoch S, Honzik T, Cope H, Sanchez-Valle A, Undiagnosed Diseases Network, Gelb BD, Kurth I, Hempel M, Kutsche K (2020) Biallelic MADD variants cause a phenotypic spectrum ranging from developmental delay to a multisystem disorder. Brain, Online ahead of print.
• Bauer CK, Schneeberger PE, Kortüm F, Altmüller J, Santos-Simarro F, Baker L, Keller-Ramey J, White SM, Campeau PM, Gripp KW, Kutsche K (2019) Gain-of-function mutations in KCNN3 encoding the small-conductance Ca(2+)-activated K(+) channel SK3 cause Zimmermann-Laband syndrome. Am J Hum Genet 104: 1139-1157.
• Harms FL, Kloth K, Bley A, Denecke J, Santer R, Lessel D, Hempel M, Kutsche K (2018) Activating mutations in PAK1 encoding p21-activated kinase 1 cause a neurodevelop-mental disorder. Am J Hum Genet 103: 579-591.
• Meyer zum Büschenfelde U, Brandenstein LI, von Elsner L, Flato K, Holling T, Zenker M, Rosenberger G, Kutsche K (2018) RIT1 controls actin dynamics via complex formation with RAC1/CDC42 and PAK1. PLoS Genet 7: e1007370.
• Harms FL, Girisha KM, Hardigan AA, Kortüm F, Shukla A, Alawi M, Dalal A, Brady L, Tarnopolsky M, Bird LM, Ceulemans S, Bebin M, Bowling KM, Hiatt SM, Lose EJ, Primiano M, Chung WK, Juusola J, Akdemir ZC, Bainbridge M, Charng WL, Drummond-Borg M, Eldomery MK, El-Hattab AW, Saleh MAM, Bézieau S, Cogné B, Isidor B, Küry S, Lupski JR, Myers RM, Cooper GM, Kutsche K (2017) Mutations in EBF3 Disturb Transcriptional Profiles and Cause Intellectual Disability, Ataxia, and Facial Dysmorphism. Am J Hum Genet 100: 117-127.
• Kortüm F, Caputo V, Bauer CK, Stella L, Ciolfi A, Alawi M, Bocchinfuso G, Flex E, Paolacci S, Dentici ML, Grammatico P, Korenke GC, Leuzzi V, Mowat D, Nair LDV, Nguyen TTM, Thierry P, White SM, Dallapiccola B, Pizzuti A, Campeau PM, Tartaglia M, Kutsche K (2015) Mutations in KCNH1 and ATP6V1B2 cause Zimmermann-Laband syndrome. Nat Genet 47: 661-667.
• Endele S, Rosenberger G, Geider K, Popp B, Tamer C, Stefanova I, Milh M, Kortüm F, Fritsch A, Pientka FK, Hellenbroich Y, Kalscheuer VM, Kohlhase J, Moog U, Rappold G, Rauch A, Ropers HH, von Spiczak S, Tönnies H, Villeneuve N, Villard L, Zabel B, Zenker M, Laube B, Reis A, Wieczorek D, Van Maldergem L, Kutsche K (2010) Mutations in GRIN2A and GRIN2B encoding regulatory subunits of NMDA receptors cause variable neurodevelopmental phenotypes. Nat Genet 42: 1021-1026.

Das MLS (microphthalmia with linear skin defects)-Syndrom ist eine seltene, X-chro­mosomal erbliche Entwicklungsstörung, die sich in der Regel im weiblichen Geschlecht manifestiert und mit in utero-Le­ta­­lität von männlichen Individuen einhergeht. Neben der klassischen Symptom-Trias aus linearen ery­the­ma­tösen Haut­de­fekten im Ge­sichts- und Halsbereich, uni- oder bilateraler Mi­kroph­­thalmie und Sklero­kornea wurden zahlreiche fakultative klinische Merk­male bei den Betroffenen be­­schrieben. Bei der Mehr­­zahl der Pa­tien­ten mit MLS-Syndrom wurde bei vorliegendem XX-Kom­ple­ment eine partielle Monosomie die Region Xp22.2 betreffend nachgewiesen. In Xp22.2 befindet sich das für die Holo­cyto­chrom c-Typ-Synthase kodierende HCCS-Gen, in dem pathogene Punktmu­tatio­nen bei Patien­tinnen mit MLS-Syndrom und offensichtlich normalem Karyotyp gefunden wurden.

In den letzten Jahren waren wir an der Aufdeckung von zwei weiteren, X-chromosomalen Krankheitsgenen für das MLS-Syndrom maßgeblich beteiligt: COX7B und NDUFB11. HCCS, COX7B und NDUFB11 kodieren für Komponenten oder Untereinheiten der Multienzymkomplexe der Atmungskette, die eine zentrale Rolle bei der Energie­gewinnung der Zel­le durch die oxi­dative Phosphorylierung einnehmen. Erste Untersuchungen zu den Auswirkungen einer NDUFB11-Defizienz in einem in-vitro-Zellsystem haben gezeigt, dass die Zellen langsamer wachsen und vermehrt apoptotisch sterben. Durch weiterführende funktio­nelle Analysen wollen wir die zugrunde liegenden Mechanismen der reduzierten Zellproliferation und des vermehrten Zellsterbens in NDUFB11-defizienten Zellen aufklären. Ein weiteres Ziel dieses Projektes ist die Aufdeckung neuer Krankheitsgene für das MLS-Syndrom und verwandte Phänotypen mit Hilfe der Exom-Sequenzierung.

Zusammen­gefasst möchten wir mit dem hier beschriebenen Forschungsansatz neben neuen gene­tischen Erkenntnissen auch Einblicke in den Pathomechanismus des MLS-Syndroms erhalten.

Förderung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft ( KU 1240/6-2 ) von 2017 bis 2021.

Das Noonan-, kardio-fazio-kutane (cardio-facio-cutaneous, CFC) und Costello-Syndrom gehören zu einer Gruppe klinisch ähnlicher Erkrankungen, die durch heterozygote Keimbahnmutationen in für Proteine des RAS-MAPK (mitogen-activated protein kinase)-Signalwegs ko­dieren­den Genen verursacht werden. Sie werden als neuro-kardio-fazio-kutane (neuro-cardio-facio-cutaneous, NCFC) Syndrome oder RASopathien zusammengefasst. In etwa 30% der Patienten mit RASopathie-Phänotyp wird in den bekannten Krankheitsgenen keine pathogene Mutation aufgedeckt. Wir wollen neue Gene für die RASopathien durch Exom-Sequenzierung bei ausgewählten Patienten mit klinisch gut definiertem Phänotyp identifizieren. Die Bestätigung potentieller Kandidatengene und das mit den Mutationen assoziierte klinische Spektrum soll durch eine Mutationsanalyse in einer großen Kohorte erfolgen, die Patienten mit variablen Phänotypen aus dem RASopathie-Spektrum einschließt. Ein weiterer Schwerpunkt unserer Arbeiten ist die Charakterisierung der funktionellen Auswirkungen von Mutationen, die mit RASopathien assoziiert sind. Hier wollen wir bei der Analyse von bereits in Vorarbeiten identifizierten neuen Mutationen in bekannten bzw. neuen Krankheitsgenen/Proteinen, die mit RAS-Signalwegen in Zusammenhang stehen, ein gut etabliertes Methodenspektrum von biochemischen und zellbiologischen Untersuchungen einsetzen und ausbauen. Wir erwarten einen bedeutsamen Erkenntnisgewinn, nicht nur hinsichtlich der genetischen Grundlagen der RASopathien und ihrer pathophysiologischen Ursachen, sondern auch im Hinblick auf die Aufklärung der komplexen Regulation des RAS-MAPK-Signalwegs.

Förderung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft ( KU 1240/9-2 ) von 2020 bis 2023.

Bei Patienten mit schwerer Intelligenzminderung und ggf. weiteren klinischen Auffälligkeiten, wie Mikrozephalie und einer Fehlbildung des Kleinhirns und der Pons (pontozerebelläre Hypoplasie; MICPCH), deckte unsere Arbeitsgruppe Mutationen im X-chro­mosomalen CASK-Gen auf. CASK kodiert für die Calcium/Calmodulin-abhängige Serin-Protein-Kinase CASK. In Synapsen des zentralen Nervensystems trägt CASK zur Bildung präsynaptischer Protein­komplexe und zum Transport von NMDA-Rezeptoren zur Postsynapse bei. Zusätzlich aktiviert CASK in neuronalen Zellkernen gemeinsam mit dem Transkriptionsfaktor Tbr1 die Trans­kription der Zielgene Reelin und NR2B; letzteres kodiert für eine Untereinheit der NMDA-Rezep­toren. NMDA-Rezeptoren steuern die synaptische Plastizität und fungieren so als “Schalter” für Lernen und Gedächtnis; daher legt die Beteiligung von CASK an Expression und Transport der NMDA-Rezeptoren eine Rolle bei synaptischer Plastizität und Lernvorgängen nahe.

Unser jetziger Wissensstand deutet darauf hin, dass ein komplexes genetisches und molekulares bzw. synaptisches Netzwerk den Phänotyp von Personen mit CASK-Mutation bestimmt. Die phäno­typische Variabilität deutet darauf hin, dass eine Reihe von modifizierenden Genen CASK-abhängige Prozesse beeinflusst. CASK agiert an drei verschiedenen zellulären Orten in unterschiedlichen Pro­teinkomplexen, und es ist z. Zt. unklar, welcher dieser Kom­plexe relevant für den Patho­mecha­nismus ist. Unsere Ziele sind:

• Etablierung einer Genotyp-Phänotyp-Korrelation für Patienten mit CASK-Mutation,
• Identifizierung von Modifier-Genen, die für phänotypische Unterschiede bei Patien­tinnen mit CASK-Mutation verantwortlich sind,
• Analyse der Auswirkungen von CASK-Missense-Mutationen auf Protein-Protein-Interaktionen des CASK-Proteins, den intrazellulären Transport von Neurotransmitterrezeptoren und die transkriptionelle Regulation von Ziel-Genen des CASK-Tbr1-Komplexes.

Förderung durch die Landesforschungsförderung Hamburg von 2015 bis 2017 und die Deutsche Forschungsgemeinschaft (KU 1240/10-1), gemeinsam mit Herrn Prof. Dr. Hans-Jürgen Kreienkamp (KR 1321/7-1), von 2016 bis 2020.

Die Exom-Sequenzierung ist heutzutage die Methode der Wahl, um krankheitsrelevante DNA-Sequenzveränderungen bei Patienten mit erblichen Krankheiten aufzudecken. In diesem Vorhaben wollen wir diese Technik anwenden, um neue Krankheitsgene für das Zimmermann-Laband-Syndrom, das Hallermann-Streiff-Syndrom, eine syndromale Extremitätenverdopplung und eine familiäre Lebererkrankung zu identifizieren sowie bei Einzelpatienten mit einer seltenen syndromalen Erkrankung die höchstwahrscheinliche krankheitsrelevante genetische Veränderung aufzudecken.

Nach dem erfolgreichen Auffinden von neuen Krankheits- und Kandidatengenen in der ersten Förderperiode dieses Projektes wollen wir weiterführende funktionelle Analysen zur Auf­klärung der pathophysiologischen Grundlagen ausgewählter Erkrankungen durchführen. Konkret wollen wir die strukturellen und funktionellen Auswirkungen von Aminosäureaustauschen, die wir in den Krankheitsgenen für das Zimmermann-Laband-Syndrom, KCNH1 und ATP6V1B2, gefunden haben, aufklären. Bei anderen Familien und Patienten haben wir Veränderungen in Genen gefunden, die potenziell krankheitsursächlich sein können. Für die von diesen Genen kodierten Proteine wollen wir biochemische und zellbiologische Untersuchungen durchführen, um einen möglichen Einfluss der jeweiligen Aminosäureveränderung auf die Proteinfunktion herauszufinden.

Zusammenfassend wollen wir in diesem Forschungsprojekt mit der Exom-Sequenzierung und den anschließenden funktionellen Studien an Krankheits- und Kandidatengenen die große metho­dische Bandbreite der modernen humangenetischen Forschung nutzen, um zur genetischen und funktionellen Charakterisierung seltener syndromaler Erkrankungen und damit zu deren grundle­gendem Verständnis beizu­tragen.

Förderung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft ( KO 4576/1-2 ) von 2016 bis 2021.

Das Vorhaben ist eine Initiative zwischen zwei humangenetisch/klinisch-genetisch tätigen Instituten (UKE und Kasturba Medical College, Manipal, Indien), um die klinische Versorgung von Patienten mit Marfan-Syndrom und verwandten Erkrankungen in Indien nachhaltig zu verbessern. Das Marfan-Syndrom und verwandte Erkrankungen, die als Aortopathien zusam­men­gefasst werden, sind mit einem erhöhten Risiko für ein frühes Versterben durch eine Aortendissektion oder -ruptur assoziiert. Die klinischen Merkmale manifestieren sich in der Kindheit; das Risiko einer Aorten­­dissektion oder -ruptur steigt im Jugendalter. Dement­sprechend ist eine frühe klinische und gene­tische Diagnose für eine optimale medizinische Versorgung, inklusive abgestimmter therapeutischer Maßnah­men, eine verbesserte Prognose und Lebensqualität der Kinder und Jugendlichen von großer Be­deutung. Ziel des Projektes ist es, die genetische Ursache bei den betroffenen Personen mit state-of-the-art-Technologien auf dem Gebiet der Molekulargenetik aufzudecken. Konkret ist folgendes geplant:

• Mit Hilfe eines auf der next-generation sequencing (NGS)-Technologie basierten Genpanels soll bei indischen Kindern und Jugendlichen mit V. a. eine Aortopathie nach der ursächlichen genetischen Veränderung gesucht werden, um die klinische Diagnose molekular zu bestätigen.
• Mit Hilfe der Exom-Sequenzierung soll in indischen Familien mit mehreren, von einer Aortopathie betroffenen Mitgliedern nach der genetischen Ursache gesucht und neue Krankheitsgene aufgedeckt werden.

Förderung durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (D1DQ17003) von 2017 bis 2019.