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Raposo M, Bettencourt C, Melo ARV, Ferreira AF, Alonso I, Silva P, Vasconcelos J, Kay T, Saraiva-Pereira ML, Costa MD, Vilasboas-Campos D, Bettencourt BF, Bruges-Armas J, Houlden H, Heutink P, Jardim LB, Sequeiros J, Maciel P, Lima M. Novel Machado-Joseph disease-modifying genes and pathways identified by whole-exome sequencing. Neurobiol Dis 2021; 162:105578. [PMID: 34871736 DOI: 10.1016/j.nbd.2021.105578] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Key Words] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 07/30/2021] [Revised: 11/08/2021] [Accepted: 12/02/2021] [Indexed: 11/17/2022] Open
Abstract
Machado-Joseph disease (MJD/SCA3) is a neurodegenerative polyglutamine disorder exhibiting a wide spectrum of phenotypes. The abnormal size of the (CAG)n at ATXN3 explains ~55% of the age at onset variance, suggesting the involvement of other factors, namely genetic modifiers, whose identification remains limited. Our aim was to find novel genetic modifiers, analyse their epistatic effects and identify disease-modifying pathways contributing to MJD variable expressivity. We performed whole-exome sequencing in a discovery sample of four age at onset concordant and four discordant first-degree relative pairs of Azorean patients, to identify candidate variants which genotypes differed for each discordant pair but were shared in each concordant pair. Variants identified by this approach were then tested in an independent multi-origin cohort of 282 MJD patients. Whole-exome sequencing identified 233 candidate variants, from which 82 variants in 53 genes were prioritized for downstream analysis. Eighteen disease-modifying pathways were identified; two of the most enriched pathways were relevant for the nervous system, namely the neuregulin signaling and the agrin interactions at neuromuscular junction. Variants at PARD3, NFKB1, CHD5, ACTG1, CFAP57, DLGAP2, ITGB1, DIDO1 and CERS4 modulate age at onset in MJD, with those identified in CFAP57, ACTG1 and DIDO1 showing consistent effects across cohorts of different geographical origins. Network analyses of the nine novel MJD modifiers highlighted several important molecular interactions, including genes/proteins previously related with MJD pathogenesis, namely between ACTG1/APOE and VCP/ITGB1. We describe novel pathways, modifiers, and their interaction partners, providing a broad molecular portrait of age at onset modulation to be further exploited as new disease-modifying targets for MJD and related diseases.
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Affiliation(s)
- Mafalda Raposo
- Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Porto, Portugal; Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade dos Açores, Ponta Delgada, Portugal.
| | - Conceição Bettencourt
- Department of Neurodegenerative Disease and Queen Square Brain Bank for Neurological Disorders, UCL Queen Square Institute of Neurology, London, UK.
| | - Ana Rosa Vieira Melo
- Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Porto, Portugal; Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade dos Açores, Ponta Delgada, Portugal
| | - Ana F Ferreira
- Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Porto, Portugal; Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade dos Açores, Ponta Delgada, Portugal.
| | - Isabel Alonso
- Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Porto, Portugal
| | - Paulo Silva
- Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Porto, Portugal.
| | - João Vasconcelos
- Departamento de Neurologia, Hospital do Divino Espírito Santo, Ponta Delgada, Portugal
| | - Teresa Kay
- Departamento de Genética Clínica, Hospital D. Estefânia, Lisboa, Portugal
| | - Maria Luiza Saraiva-Pereira
- Departamento de Bioquímica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Brazil; Serviço de Genética Médica/Centro de Pesquisa Clínica e Experimental, Hospital de Clínicas de Porto Alegre, Porto Alegre, Brazil.
| | - Marta D Costa
- Instituto de Investigação em Ciências da Vida e Saúde (ICVS), Escola de Medicina, Universidade do Minho, Braga, Portugal; ICVS/3B's - Laboratório Associado, Braga/Guimarães, Portugal.
| | - Daniela Vilasboas-Campos
- Instituto de Investigação em Ciências da Vida e Saúde (ICVS), Escola de Medicina, Universidade do Minho, Braga, Portugal; ICVS/3B's - Laboratório Associado, Braga/Guimarães, Portugal
| | - Bruno Filipe Bettencourt
- Serviço Especializado de Epidemiologia e Biologia Molecular (SEEBMO), Hospital de Santo Espírito da Ilha Terceira (HSEIT), Angra do Heroísmo, Azores, Portugal
| | - Jácome Bruges-Armas
- Serviço Especializado de Epidemiologia e Biologia Molecular (SEEBMO), Hospital de Santo Espírito da Ilha Terceira (HSEIT), Angra do Heroísmo, Azores, Portugal; CHRC - Comprehensive Health Research Centre, Faculdade de Ciências Médicas & CEDOC - Chronic Diseases Research Center, Universidade Nova de Lisboa, Lisboa, Portugal
| | - Henry Houlden
- Department of Molecular Neuroscience, Institute of Neurology, University College London and Neurogenetics Unit, National Hospital for Neurology and Neurosurgery, University College London Hospitals, London, United Kingdom, London.
| | - Peter Heutink
- German Center for Neurodegenerative Diseases (DZNE), Tübingen, Germany.
| | - Laura Bannach Jardim
- Departamento de Medicina Interna, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brazil; Serviço de Genética Médica/Centro de Pesquisa Clínica e Experimental, Hospital de Clínicas de Porto Alegre, Porto Alegre, Brazil.
| | - Jorge Sequeiros
- Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Porto, Portugal.
| | - Patrícia Maciel
- Instituto de Investigação em Ciências da Vida e Saúde (ICVS), Escola de Medicina, Universidade do Minho, Braga, Portugal; ICVS/3B's - Laboratório Associado, Braga/Guimarães, Portugal.
| | - Manuela Lima
- Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), Instituto de Investigação e Inovação em Saúde (i3S), Universidade do Porto, Porto, Portugal; Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade dos Açores, Ponta Delgada, Portugal.
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