Uma nova estratégia combinando Array-CGH, todo-exome sequenciamento e eletroporação no Utero em roedores para identificar Genes causadores de malformações do cérebro

Summary

Periventricular nodular heterotopia (PNH) é a forma mais comum de malformação do desenvolvimento cortical (MCD) na idade adulta, mas sua base genética permanece desconhecida em casos mais esporádicos. Recentemente desenvolvemos uma estratégia para identificar genes candidatos romance para MCDs e confirmar diretamente seu papel causal em vivo.

Abstract

Defeitos de nascença que envolvem o córtex cerebral — também conhecido como malformações do desenvolvimento cortical (MCD) — são causas importantes de incapacidade intelectual e conta para 20-40% de epilepsia resistentes na infância. Imagens do cérebro de alta resolução tem facilitado a identificação no vivo de um grande grupo de fenótipos MCD. Apesar dos avanços em imagens do cérebro, análise genômica e geração de modelos animais, um fluxo de trabalho simples para priorizar sistematicamente genes candidatos e para testar os efeitos funcionais de mutações putativos está faltando. Para superar este problema, uma estratégia experimental, permitindo a identificação de novos genes causadores de MCD foi desenvolvida e validada. Esta estratégia baseia-se identificando as regiões genômicas candidato ou genes via matriz-CGH ou todo-exome sequenciamento e caracterizar os efeitos de sua inativação ou de superexpressão de mutações específicas no desenvolvimento de cérebros de roedores através de in utero eletroporação. Essa abordagem levou à identificação do gene C6orf70 , codificação para uma proteína vesicular putativa, a patogênese da heterotopia nodular periventricular, um MCD causada pela migração neuronal defeituosa.

Introduction

O córtex cerebral desempenha um papel fundamental nos processos cognitivos e intelectuais e está envolvido no controle emocional, bem como a aprendizagem e a memória. Portanto não é surpreendente que muitas doenças neurológicas e psiquiátricas resultam malformações do desenvolvimento cortical (MCD). A etiologia da MCD é complexa desde ambos adquiridos e fatores genéticos estão envolvidos. A prevalência cumulativa da geneticamente determinada proporção de MCD é cerca de 2% e eles são esporádicos, na maioria dos casos. Por exemplo, a incidência de disgenesia cerebral congênita foi estimada para ser superior a 1% na população humana, e algumas formas de MCD são observadas em mais de 14% de todos os pacientes com epilepsia e em 40% de epilepsia grave ou intratável^{1, 2}.

Heterotopia Nodular periventricular (PNH) é um da MCDs mais comum e é causada pela migração anormal dos neurônios da zona ventricular (VZ) para o córtex cerebral em desenvolvimento. O fracasso dos neurônios para migrar resultados em agrupamentos de neurônios heterotópico ao longo das paredes dos ventrículos laterais que geralmente podem ser visualizadas usando ressonância magnética (MRI). As características clínicas, anatômicas e da imagem latente da PNH são heterogêneas. Nódulos podem variar de pequenas e unilateral bilateral e simétrica. Sequelas clínicas comuns incluem deficiência de epilepsia e intelectual³. Mutações no gene Fblim1 A (ou FLNA), que mapeia em Xq28, foram encontradas em 100% das famílias com X-lig bilateral hemoglobinúria paroxística noturna e em 26% dos pacientes esporádicos^3,4. Uma forma recessiva rara de hemoglobinúria paroxística noturna, causada por mutações no gene ARFGEF2 , que mapeia no 20q13, tem sido relatada em duas famílias consanguíneos⁵. Recentemente, foram identificadas em nove pacientes afetados por uma doença multissistêmica que inclui PNH⁶biallelic mutações em genes que codificam o par de caderina ligante-receptor, DCHS1 e FAT4 . Hemoglobinúria paroxística noturna também tem sido associada com frágil X síndrome⁷, síndrome de Williams⁸, 22q11 microdeletion síndrome⁹, duplicações no 5 p 15¹⁰, as exclusões na 1 p 36-¹¹5q14.3-q15¹², 6 p. 25¹³ e 6q terminal exclusão síndrome^{14,15,16,17,18,19}, sugerindo que os genes causadores adicionais estão espalhados ao longo do genoma. No entanto, para cerca de 74% dos pacientes de HPN esporádicos a base genética continua a ser elucidado¹⁷.

Mapeamento do gene clássica se aproxima como matriz Comparative Genomic Hybridization (CGH-matriz) provaram para ser ferramentas poderosas para a detecção de sub microscópicas anormalidades cromossômicas, no entanto, as regiões genômicas identificadas usando essa abordagem são muitas vezes grandes e contêm inúmeros genes.

O advento das técnicas de sequenciamento paralelo maciço (ou seja, todo-Exome sequenciamento (WES) e do inteiro-genoma sequenciamento (WGS)) reduziu substancialmente tanto o custo e o tempo necessário para sequenciar um inteiro exome humano ou genoma. No entanto, interpretação dos dados de WES e WGS permanece desafiador na maioria dos casos, desde para variantes cada paciente dezenas a centenas (ou mesmo milhares, dependendo do tipo de análise) emergem de filtragem de dados.

Para acelerar o processo de identificação de novos genes causadores de MCD, uma estratégia sistemática romance combinando matriz-CGH, destinava-se a triagem de eletroporação (IUE) WES e no utero de genes candidatos. IUE permite desativar seletivamente (ou overexpress) os genes específicos ou mutações no cérebro de roedor, permitindo uma avaliação rápida do seu envolvimento em corticogenesis^18,19. RNAi mediada-nocaute ou superexpressão de genes de um ou mais candidatos deverá causar, quando o gene é associado com o desenvolvimento da doença, defeitos localizados na migração neuronal e/ou maturação. Após a identificação de um gene cuja inativação (ou superexpressão) reproduz o fenótipo observado em pacientes em roedores, torna-se um excelente candidato para o rastreio em pacientes esporádicos com MCD. Usando essa abordagem, recentemente revelou a contribuição fundamental do gene C6orf70 (também conhecido como ERMARD) na patogênese de hemoglobinúria paroxística noturna em pacientes abrigar 6q27 deleções cromossômicas¹⁶.

Protocol

Declaração de ética: Ratos Wistar foram acasalados, mantidos e utilizados nas instalações de animais INMED, de acordo com a legislação da União Europeia e o francês. 1. DNA extração e quantificação de Array-CGH e WES Extrai DNA genômico (gDNA) de leucócitos do sangue humano de pacientes usando um robô automatizado de isolamento de DNA ou comercialmente disponíveis kits manuais de extração de DNA de acordo com o protocolo do fabricante. Quantificar todas as amostras…

Representative Results

A estratégia experimental projetada para identificar novos genes causadores de MCD é recapitulada em Figura 1. Através da realização de matriz-CGH em uma coorte de 155 pacientes com anormalidades no desenvolvimento cerebral variàvel combinando hemoglobinúria paroxística noturna (Figura 2A), disgenesia do corpo caloso, colpocefalia, hipoplasia cerebelar e polymicrogyria associados com epi…

Discussion

MCDs são importantes causas de deficiência intelectual e conta para 20-40% de infância resistentes epilepsia^1,2. Interesse em MCDs aumentou dramaticamente durante a última década como resultado de dois fatores principais. A primeira é a melhoria no cérebro de imagem (particularmente MRI), que permite que médicos e cientistas Visualizar muitas malformações do cérebro que não foram reconhecidas anteriormente. O outro é a evolução de ferramentas gené…

Materials

Picospritzer III	Parker Hannifin Corp	P/N 051-0500-900	Intracellular Microinjection Dispense Systems
Fast Green FCF	Sigma-Aldrich	F7252	Fast green allow visual monitoring of the injection
BTX ECM 830 electroporator	BTX Harvard Apparatus	45-0002	The ECM 830 is a Square Wave Pulse generator designed for in vitro and in vivo applications
Microtome HM 650 V	Microm	10076838	Microtome HM 650 V vibratome 240V 50/60Hz with vibrating blade
FluoView 300	Olympus		The Olympus FluoViewTM 300 is a point-scanning, point-detection, confocal laser scanning microscope designed for biology research application
eCELLence software	Glance Vision Technologies		eCELLence is software designed for the quantitive analysis of cell migration
Agilent Microarray Scanner Bundle			Array slides
for 1 x 244K, 2 x 105K, 4 x 44K or 8 x 15K	Agilent	Agilent p/n G4900DA, G2565CA or G2565BA
for 1 x 1M, 2 x 400K, 4 x 180K or 8 x 60K	Agilent	Agilent p/n G4900DA or G2565CA
Hybridization Chamber, stainless	Agilent	Agilent p/n G2534A	Chamber for array CGH hybridization
Hybridization Chamber gasket slides, 5-pack			Gasket for array CGH hybridization
for 1-pack microarrays or	Agilent	Agilent p/n G2534-60003
for 2-pack microarrays or	Agilent	Agilent p/n G2534-60002
for 4-pack microarrays or	Agilent	Agilent p/n G2534-60011
for 8-pack microarrays	Agilent	Agilent p/n G2534-60014
Hybridization oven	Agilent	Agilent p/n G2545A
Hybridization oven rotator for Agilent Microarray Hybridization Chambers	Agilent	Agilent p/n G2530-60029
Thermal cycler with heated lid	Agilent	Agilent p/n G8800A or equivalent	Termal cycler for incubations
1.5 mL RNase-free Microfuge Tube	Ambion	p/n AM12400 or equivalent	Microcentrifuge
Magnetic stir bar	Corning	p/n 401435 or equivalent	Instrument for stirring
Qubit Fluorometer	Life Technologies	p/n Q32857	Instrument for DNA quantification
Qubit dsDNA BR Assay Kit, for use with the Qubit fluorometer	Invitrogen	p/n Q32850	Kit for Qubit fluorometer
UV-VIS spectrophotometer	Thermo Scientific	NanoDrop 8000 or 2000, or equivalent	Instrument for DNA quantification
P10, P20, P200 and P1000 pipettes	Pipetman or equivalent		DNA dispensation
Vacuum Concentrator	Thermo Scientific	p/n DNA120-115 or equivalent	Instrument to concentrate DNA
SureTag Complete DNA Labeling Kit	Agilent	p/n 5190-4240	DNA Labeling Kit (for Human Samples)
Purification Columns (50 units)	Agilent	p/n 5190-3391	DNA Labeling Kit (for Human Samples)
AutoScreen A, 96-well plates	GE Healthcare	p/n 25-9005-98	DNA Labeling Kit (for Human Samples)
GenElute PCR Clean-Up Kit	Sigma-Aldrich	p/n NA1020	DNA Labeling Kit (for Human Samples)
Human Genomic DNA		p/n G1521	DNA Labeling Kit (for Human Samples)
For CGH microarrays:	Promega	(female) or p/n G1471 (male)	Array CGH control DNA
For CGH+SNP microarrays:	Coriell	p/n NA18507, NA18517, NA12891, NA12878, or NA18579	Array CGH control DNA
Oligo aCGH/ChIP-on-chip Wash Buffer Kit or	Agilent	p/n 5188-5226	Array CGH hybridization and wash
Oligo aCGH/ChIP-on-chip Wash Buffer 1 and	Agilent	p/n 5188-5221	Array CGH hybridization and wash
Oligo aCGH/ChIP-on-chip Wash Buffer 2	Agilent	p/n 5188-5222	Array CGH hybridization and wash
Stabilization and Drying Solution	Agilent	p/n 5185-5979	Array CGH hybridization and wash
Oligo aCGH/ChIP-on-chip Hybridization Kit	Agilent	p/n 5188-5220 (25) or p/n 5188-5380 (100)	Array CGH hybridization and wash
Human Cot-1 DNA	Agilent	p/n 5190-3393	Array CGH hybridization and wash
Agilent C scanner	Agilent		Scanner for array CGH slides
SureSelect XT2 Reagent Kit			Kit for target enrichment
HiSeq platform (HSQ), 16 Samples	Agilent	p/n G9621A
HiSeq platform (HSQ), 96 Samples	Agilent	p/n G9621B
HiSeq platform (HSQ), 480 Samples	Agilent	p/n G9621C
MiSeq platform (MSQ), 16 Samples	Agilent	p/n G9622A
MiSeq platform (MSQ), 96 Samples	Agilent	p/n G9622B
MiSeq platform (MSQ), 480 Samples	Agilent	p/n G9622C
DNA 1000 Kit	Agilent	p/n 5067-1504	Kit for the separation, sizing and quantification of dsDNA fragments from 25 to 1000 bp.
High Sensitivity DNA Kit	Agilent	p/n 5067-4626	Kit for analysis of fragmented DNA or DNA libraries.
AMPure XP Kit			Kit for automated PCR purification.
5 mL	Agencourt	p/n A63880
60 mL	Agencourt	p/n A63881
450 mL	Agencourt	p/n A63882
Dynabeads MyOne Streptavidin T1			Isolation and handling of biotinylated nucleic acids
2 mL	Life Technologies	Cat #65601
10 mL	Life Technologies	Cat #65602
Quant-iT dsDNA BR Assay Kit, for the Qubit fluorometer			DNA quantification
100 assays, 2-1000 ng	Life Technologies	Cat #Q32850
500 assays, 2-1000 ng	Life Technologies	Cat #Q32853
Qubit assay tubes	Life Technologies	p/n Q32856	DNA quantification
SureSelec tXT2 Capture Libraries	Agilent	depending on the experiment	Kit for libraries capture
SureCycler 8800 Thermal Cycler	Agilent	p/n G8800A	DNA amplification
96 well plate module for SureCycler 8800 Thermal Cycler	Agilent	p/n G8810A	DNA amplification
SureCycler 8800-compatible 96-well plates	Agilent	p/n 410088	DNA amplification
Optical strip caps	Agilent	p/n 401425	DNA amplification
Tube cap strips, domed	Agilent	p/n 410096	DNA amplification
Compression mats	Agilent	p/n 410187	DNA amplification
2100 Bioanalyzer Laptop Bundle	Agilent	p/n G2943CA	DNA amplification
2100 Bioanalyzer Electrophoresis Set	Agilent	p/n G2947CA	DNA amplification
Covaris Sample Preparation System, E-series or S-series	Covaris		DNA shearing
Covaris sample holders		p/n 520078	DNA shearing
Nutator plate mixer	BD Diagnostics	p/n 421105 or equivalent	Plate Mixer
GaIIx	Illumina		next generation sequencing machine