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Molitor A, Lederle A, Radosavljevic M, Sapuru V, Zavorka Thomas ME, Yang J, Shirin M, Collin-Bund V, Jerabkova-Roda K, Miao Z, Bernard A, Rolli V, Grenot P, Castro CN, Rosenzwajg M, Lewis EG, Person R, Esperón-Moldes US, Kaare M, Nokelainen PT, Batzir NA, Hoffer GZ, Paul N, Stemmelen T, Naegely L, Hanauer A, Bibi-Triki S, Grün S, Jung S, Busnelli I, Tripolszki K, Al-Ali R, Ordonez N, Bauer P, Song E, Zajo K, Partida-Sanchez S, Robledo-Avila F, Kumanovics A, Louzoun Y, Hirschler A, Pichot A, Toker O, Mejía CAM, Parvaneh N, Knapp E, Hersh JH, Kenney H, Delmonte OM, Notarangelo LD, Goetz JG, Kahwash SB, Carapito C, Bajwa RPS, Thomas C, Ehl S, Isidor B, Carapito R, Abraham RS, Hite RK, Marcus N, Bertoli-Avella A, Bahram S. A pleiotropic recurrent dominant ITPR3 variant causes a complex multisystemic disease. SCIENCE ADVANCES 2024; 10:eado5545. [PMID: 39270020 PMCID: PMC11397499 DOI: 10.1126/sciadv.ado5545] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [MESH Headings] [Grants] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 02/07/2024] [Accepted: 08/07/2024] [Indexed: 09/15/2024]
Abstract
Inositol 1,4,5-trisphosphate (IP3) receptor type 1 (ITPR1), 2 (ITPR2), and 3 (ITPR3) encode the IP3 receptor (IP3R), a key player in intracellular calcium release. In four unrelated patients, we report that an identical ITPR3 de novo variant-NM_002224.3:c.7570C>T, p.Arg2524Cys-causes, through a dominant-negative effect, a complex multisystemic disorder with immunodeficiency. This leads to defective calcium homeostasis, mitochondrial malfunction, CD4+ lymphopenia, a quasi-absence of naïve CD4+ and CD8+ cells, an increase in memory cells, and a distinct TCR repertoire. The calcium defect was recapitulated in Jurkat knock-in. Site-directed mutagenesis displayed the exquisite sensitivity of Arg2524 to any amino acid change. Despite the fact that all patients had severe immunodeficiency, they also displayed variable multisystemic involvements, including ectodermal dysplasia, Charcot-Marie-Tooth disease, short stature, and bone marrow failure. In conclusion, unlike previously reported ITPR1-3 deficiencies leading to narrow, mainly neurological phenotypes, a recurrent dominant ITPR3 variant leads to a multisystemic disease, defining a unique role for IP3R3 in the tetrameric IP3R complex.
Collapse
Affiliation(s)
- Anne Molitor
- Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, Institut national de la santé et de la recherche médicale (INSERM) UMR_S 1109, Plateforme GENOMAX, Centre de Recherche d'Immunologie et d'Hématologie and Centre de Recherche en Biomédecine de Strasbourg (CRBS), Faculté de Médecine, Fédération Hospitalo-Universitaire OMICARE, Fédération de Médecine Translationnelle de Strasbourg (FMTS), Université de Strasbourg, Strasbourg, France
- Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) Transplantex NG de Médecine de Précision de Strasbourg, Faculté de Médecine, Université de Strasbourg, Strasbourg, France
| | - Alexandre Lederle
- Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, Institut national de la santé et de la recherche médicale (INSERM) UMR_S 1109, Plateforme GENOMAX, Centre de Recherche d'Immunologie et d'Hématologie and Centre de Recherche en Biomédecine de Strasbourg (CRBS), Faculté de Médecine, Fédération Hospitalo-Universitaire OMICARE, Fédération de Médecine Translationnelle de Strasbourg (FMTS), Université de Strasbourg, Strasbourg, France
- Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) Transplantex NG de Médecine de Précision de Strasbourg, Faculté de Médecine, Université de Strasbourg, Strasbourg, France
| | - Mirjana Radosavljevic
- Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, Institut national de la santé et de la recherche médicale (INSERM) UMR_S 1109, Plateforme GENOMAX, Centre de Recherche d'Immunologie et d'Hématologie and Centre de Recherche en Biomédecine de Strasbourg (CRBS), Faculté de Médecine, Fédération Hospitalo-Universitaire OMICARE, Fédération de Médecine Translationnelle de Strasbourg (FMTS), Université de Strasbourg, Strasbourg, France
- Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) Transplantex NG de Médecine de Précision de Strasbourg, Faculté de Médecine, Université de Strasbourg, Strasbourg, France
- Laboratoire d'Immunologie, Plateau Technique de Biologie, Pôle de Biologie, Nouvel Hôpital Civil, Hôpitaux Universitaires de Strasbourg, Strasbourg, France
| | - Vinay Sapuru
- Structural Biology Program, Memorial Sloan Kettering Cancer Center, New York, NY, USA
- Physiology, Biophysics, and Systems Biology (PBSB) Program, Weill Cornell Graduate School of Biomedical Sciences, New York, NY, USA
| | - Megan E Zavorka Thomas
- Department of Pathology and Laboratory Medicine, Nationwide Children's Hospital, Columbus, OH, USA
| | - Jianying Yang
- Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, Institut national de la santé et de la recherche médicale (INSERM) UMR_S 1109, Plateforme GENOMAX, Centre de Recherche d'Immunologie et d'Hématologie and Centre de Recherche en Biomédecine de Strasbourg (CRBS), Faculté de Médecine, Fédération Hospitalo-Universitaire OMICARE, Fédération de Médecine Translationnelle de Strasbourg (FMTS), Université de Strasbourg, Strasbourg, France
- Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) Transplantex NG de Médecine de Précision de Strasbourg, Faculté de Médecine, Université de Strasbourg, Strasbourg, France
| | - Mahsa Shirin
- Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, Institut national de la santé et de la recherche médicale (INSERM) UMR_S 1109, Plateforme GENOMAX, Centre de Recherche d'Immunologie et d'Hématologie and Centre de Recherche en Biomédecine de Strasbourg (CRBS), Faculté de Médecine, Fédération Hospitalo-Universitaire OMICARE, Fédération de Médecine Translationnelle de Strasbourg (FMTS), Université de Strasbourg, Strasbourg, France
- Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) Transplantex NG de Médecine de Précision de Strasbourg, Faculté de Médecine, Université de Strasbourg, Strasbourg, France
| | - Virginie Collin-Bund
- Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, Institut national de la santé et de la recherche médicale (INSERM) UMR_S 1109, Plateforme GENOMAX, Centre de Recherche d'Immunologie et d'Hématologie and Centre de Recherche en Biomédecine de Strasbourg (CRBS), Faculté de Médecine, Fédération Hospitalo-Universitaire OMICARE, Fédération de Médecine Translationnelle de Strasbourg (FMTS), Université de Strasbourg, Strasbourg, France
- Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) Transplantex NG de Médecine de Précision de Strasbourg, Faculté de Médecine, Université de Strasbourg, Strasbourg, France
| | - Katerina Jerabkova-Roda
- Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, Institut national de la santé et de la recherche médicale (INSERM) UMR_S 1109, Plateforme GENOMAX, Centre de Recherche d'Immunologie et d'Hématologie and Centre de Recherche en Biomédecine de Strasbourg (CRBS), Faculté de Médecine, Fédération Hospitalo-Universitaire OMICARE, Fédération de Médecine Translationnelle de Strasbourg (FMTS), Université de Strasbourg, Strasbourg, France
- Equipe labellisée, Ligue nationale Contre le Cancer, Strasbourg, France
| | - Zhichao Miao
- Guangzhou National Laboratory, Guangzhou International Bio-Island, Guangzhou, China
- Translational Research Institute of Brain and Brain-Like Intelligence and Department of Anesthesiology, Shanghai Fourth People's Hospital Affiliated to Tongji University School of Medicine, Shanghai, China
| | - Alice Bernard
- Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, Institut national de la santé et de la recherche médicale (INSERM) UMR_S 1109, Plateforme GENOMAX, Centre de Recherche d'Immunologie et d'Hématologie and Centre de Recherche en Biomédecine de Strasbourg (CRBS), Faculté de Médecine, Fédération Hospitalo-Universitaire OMICARE, Fédération de Médecine Translationnelle de Strasbourg (FMTS), Université de Strasbourg, Strasbourg, France
- Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) Transplantex NG de Médecine de Précision de Strasbourg, Faculté de Médecine, Université de Strasbourg, Strasbourg, France
- Laboratoire d'Immunologie, Plateau Technique de Biologie, Pôle de Biologie, Nouvel Hôpital Civil, Hôpitaux Universitaires de Strasbourg, Strasbourg, France
| | - Véronique Rolli
- Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, Institut national de la santé et de la recherche médicale (INSERM) UMR_S 1109, Plateforme GENOMAX, Centre de Recherche d'Immunologie et d'Hématologie and Centre de Recherche en Biomédecine de Strasbourg (CRBS), Faculté de Médecine, Fédération Hospitalo-Universitaire OMICARE, Fédération de Médecine Translationnelle de Strasbourg (FMTS), Université de Strasbourg, Strasbourg, France
- Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) Transplantex NG de Médecine de Précision de Strasbourg, Faculté de Médecine, Université de Strasbourg, Strasbourg, France
- Laboratoire d'Immunologie, Plateau Technique de Biologie, Pôle de Biologie, Nouvel Hôpital Civil, Hôpitaux Universitaires de Strasbourg, Strasbourg, France
| | - Pierre Grenot
- Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, Institut national de la santé et de la recherche médicale (INSERM) UMR_S 1109, Plateforme GENOMAX, Centre de Recherche d'Immunologie et d'Hématologie and Centre de Recherche en Biomédecine de Strasbourg (CRBS), Faculté de Médecine, Fédération Hospitalo-Universitaire OMICARE, Fédération de Médecine Translationnelle de Strasbourg (FMTS), Université de Strasbourg, Strasbourg, France
- Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) Transplantex NG de Médecine de Précision de Strasbourg, Faculté de Médecine, Université de Strasbourg, Strasbourg, France
| | - Carla Noemi Castro
- Institute for Immunodeficiency, Center for Chronic Immunodeficiency, Medical Center-University of Freiburg, Faculty of Medicine, University of Freiburg, Freiburg, Germany
| | - Michelle Rosenzwajg
- Assistance Publique Hôpitaux de Paris, Hôpital Pitié-Salpêtrière, Clinical Investigation Center for Biotherapies (CIC-BTi) and Immunology-Inflammation-Infectiology and Dermatology Department (3iD), Paris, France
- Sorbonne Université, INSERM UMR_S 959, Immunology-Immunopathology-Immunotherapy (i3), Paris, France
| | - Elyssa G Lewis
- Norton Children's Medical Group, University of Louisville School of Medicine, Louisville, KY, USA
| | | | | | - Milja Kaare
- Blueprint Genetics, A Quest Diagnostics Company, Espoo, Finland
| | | | - Nurit Assia Batzir
- Pediatric Genetics Unit, Schneider Children's Medical Center of Israel, Petach Tikvah, Israel
| | - Gal Zaks Hoffer
- Pediatric Genetics Unit, Schneider Children's Medical Center of Israel, Petach Tikvah, Israel
| | - Nicodème Paul
- Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, Institut national de la santé et de la recherche médicale (INSERM) UMR_S 1109, Plateforme GENOMAX, Centre de Recherche d'Immunologie et d'Hématologie and Centre de Recherche en Biomédecine de Strasbourg (CRBS), Faculté de Médecine, Fédération Hospitalo-Universitaire OMICARE, Fédération de Médecine Translationnelle de Strasbourg (FMTS), Université de Strasbourg, Strasbourg, France
- Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) Transplantex NG de Médecine de Précision de Strasbourg, Faculté de Médecine, Université de Strasbourg, Strasbourg, France
| | - Tristan Stemmelen
- Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, Institut national de la santé et de la recherche médicale (INSERM) UMR_S 1109, Plateforme GENOMAX, Centre de Recherche d'Immunologie et d'Hématologie and Centre de Recherche en Biomédecine de Strasbourg (CRBS), Faculté de Médecine, Fédération Hospitalo-Universitaire OMICARE, Fédération de Médecine Translationnelle de Strasbourg (FMTS), Université de Strasbourg, Strasbourg, France
- Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) Transplantex NG de Médecine de Précision de Strasbourg, Faculté de Médecine, Université de Strasbourg, Strasbourg, France
- Laboratoire d'Immunologie, Plateau Technique de Biologie, Pôle de Biologie, Nouvel Hôpital Civil, Hôpitaux Universitaires de Strasbourg, Strasbourg, France
| | - Lydie Naegely
- Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, Institut national de la santé et de la recherche médicale (INSERM) UMR_S 1109, Plateforme GENOMAX, Centre de Recherche d'Immunologie et d'Hématologie and Centre de Recherche en Biomédecine de Strasbourg (CRBS), Faculté de Médecine, Fédération Hospitalo-Universitaire OMICARE, Fédération de Médecine Translationnelle de Strasbourg (FMTS), Université de Strasbourg, Strasbourg, France
- Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) Transplantex NG de Médecine de Précision de Strasbourg, Faculté de Médecine, Université de Strasbourg, Strasbourg, France
| | - Antoine Hanauer
- Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, Institut national de la santé et de la recherche médicale (INSERM) UMR_S 1109, Plateforme GENOMAX, Centre de Recherche d'Immunologie et d'Hématologie and Centre de Recherche en Biomédecine de Strasbourg (CRBS), Faculté de Médecine, Fédération Hospitalo-Universitaire OMICARE, Fédération de Médecine Translationnelle de Strasbourg (FMTS), Université de Strasbourg, Strasbourg, France
- Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) Transplantex NG de Médecine de Précision de Strasbourg, Faculté de Médecine, Université de Strasbourg, Strasbourg, France
| | - Sabrina Bibi-Triki
- Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, Institut national de la santé et de la recherche médicale (INSERM) UMR_S 1109, Plateforme GENOMAX, Centre de Recherche d'Immunologie et d'Hématologie and Centre de Recherche en Biomédecine de Strasbourg (CRBS), Faculté de Médecine, Fédération Hospitalo-Universitaire OMICARE, Fédération de Médecine Translationnelle de Strasbourg (FMTS), Université de Strasbourg, Strasbourg, France
- Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) Transplantex NG de Médecine de Précision de Strasbourg, Faculté de Médecine, Université de Strasbourg, Strasbourg, France
| | - Sarah Grün
- Institute for Immunodeficiency, Center for Chronic Immunodeficiency, Medical Center-University of Freiburg, Faculty of Medicine, University of Freiburg, Freiburg, Germany
- Faculty of Biology, University of Freiburg, Freiburg, Germany
| | - Sophie Jung
- Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, Institut national de la santé et de la recherche médicale (INSERM) UMR_S 1109, Plateforme GENOMAX, Centre de Recherche d'Immunologie et d'Hématologie and Centre de Recherche en Biomédecine de Strasbourg (CRBS), Faculté de Médecine, Fédération Hospitalo-Universitaire OMICARE, Fédération de Médecine Translationnelle de Strasbourg (FMTS), Université de Strasbourg, Strasbourg, France
- Centre de Référence des maladies rares orales et dentaires (O-Rares), Pôle de Médecine et de Chirurgie bucco-dentaires, Hôpitaux Universitaires de Strasbourg, Strasbourg, France
| | - Ignacio Busnelli
- Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, Institut national de la santé et de la recherche médicale (INSERM) UMR_S 1109, Plateforme GENOMAX, Centre de Recherche d'Immunologie et d'Hématologie and Centre de Recherche en Biomédecine de Strasbourg (CRBS), Faculté de Médecine, Fédération Hospitalo-Universitaire OMICARE, Fédération de Médecine Translationnelle de Strasbourg (FMTS), Université de Strasbourg, Strasbourg, France
| | | | | | | | | | - Eunkyung Song
- Division of Infectious Diseases and Host Defense, Department of Pediatrics, Nationwide Children's Hospital, Columbus, OH, USA
| | - Kristin Zajo
- Institute of Genomic Medicine, Nationwide Children's Hospital, Columbus, OH, USA
| | - Santiago Partida-Sanchez
- Center for Microbial Pathogenesis, Abigail Wexner Research Institute, Nationwide Children's Hospital, Columbus, OH, USA
| | - Frank Robledo-Avila
- Center for Microbial Pathogenesis, Abigail Wexner Research Institute, Nationwide Children's Hospital, Columbus, OH, USA
| | - Attila Kumanovics
- Department of Laboratory Medicine and Pathology, Mayo Clinic, Rochester, MN USA
| | - Yoram Louzoun
- Department of Mathematics, Bar-Ilan University, Ramat Gan, Israel
| | - Aurélie Hirschler
- Laboratoire de Spectrométrie de Masse Bio-Organique (LSMBO), Institut Pluridisciplinaire Hubert Curien (IPHC), UMR 7178, Université de Strasbourg, CNRS, Infrastructure Nationale de Protéomique ProFI - FR2048, Strasbourg, France
| | - Angélique Pichot
- Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, Institut national de la santé et de la recherche médicale (INSERM) UMR_S 1109, Plateforme GENOMAX, Centre de Recherche d'Immunologie et d'Hématologie and Centre de Recherche en Biomédecine de Strasbourg (CRBS), Faculté de Médecine, Fédération Hospitalo-Universitaire OMICARE, Fédération de Médecine Translationnelle de Strasbourg (FMTS), Université de Strasbourg, Strasbourg, France
- Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) Transplantex NG de Médecine de Précision de Strasbourg, Faculté de Médecine, Université de Strasbourg, Strasbourg, France
| | - Ori Toker
- Allergy and Immunology Unit, Shaare Zedek Medical Center, Jerusalem, Israel
- Faculty of Medicine Hebrew university, Jerusalem, Israel
| | | | - Nima Parvaneh
- Department of Pediatrics, Children's Medical Center, Tehran University of Medical Sciences, Tehran, Iran
| | - Esther Knapp
- Norton Children's Medical Group, University of Louisville School of Medicine, Louisville, KY, USA
| | - Joseph H Hersh
- Norton Children's Medical Group, University of Louisville School of Medicine, Louisville, KY, USA
| | - Heather Kenney
- Laboratory of Clinical Immunology and Microbiology (LCIM), National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID), National Institutes of Health (NIH), Bethesda, MD, USA
| | - Ottavia M Delmonte
- Laboratory of Clinical Immunology and Microbiology (LCIM), National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID), National Institutes of Health (NIH), Bethesda, MD, USA
| | - Luigi D Notarangelo
- Laboratory of Clinical Immunology and Microbiology (LCIM), National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID), National Institutes of Health (NIH), Bethesda, MD, USA
| | - Jacky G Goetz
- Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, Institut national de la santé et de la recherche médicale (INSERM) UMR_S 1109, Plateforme GENOMAX, Centre de Recherche d'Immunologie et d'Hématologie and Centre de Recherche en Biomédecine de Strasbourg (CRBS), Faculté de Médecine, Fédération Hospitalo-Universitaire OMICARE, Fédération de Médecine Translationnelle de Strasbourg (FMTS), Université de Strasbourg, Strasbourg, France
- Equipe labellisée, Ligue nationale Contre le Cancer, Strasbourg, France
| | - Samir B Kahwash
- Department of Pathology and Laboratory Medicine, Nationwide Children's Hospital, Columbus, OH, USA
| | - Christine Carapito
- Laboratoire de Spectrométrie de Masse Bio-Organique (LSMBO), Institut Pluridisciplinaire Hubert Curien (IPHC), UMR 7178, Université de Strasbourg, CNRS, Infrastructure Nationale de Protéomique ProFI - FR2048, Strasbourg, France
| | - Rajinder P S Bajwa
- Division of Pediatric Hematology, Oncology and Bone Marrow Transplantation, Department of Pediatrics, Nationwide Children's Hospital, Columbus, OH, USA
| | - Caroline Thomas
- Service d'Oncologie-Hématologie et Immunologie Pédiatrique, Hôpital Enfant-Adolescent, CHU Nantes, Nantes, France
| | - Stephan Ehl
- Institute for Immunodeficiency, Center for Chronic Immunodeficiency, Medical Center-University of Freiburg, Faculty of Medicine, University of Freiburg, Freiburg, Germany
| | - Bertrand Isidor
- Service de Génétique Médicale, Hôpital Hôtel-Dieu, CHU de Nantes, Nantes, France
| | - Raphael Carapito
- Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, Institut national de la santé et de la recherche médicale (INSERM) UMR_S 1109, Plateforme GENOMAX, Centre de Recherche d'Immunologie et d'Hématologie and Centre de Recherche en Biomédecine de Strasbourg (CRBS), Faculté de Médecine, Fédération Hospitalo-Universitaire OMICARE, Fédération de Médecine Translationnelle de Strasbourg (FMTS), Université de Strasbourg, Strasbourg, France
- Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) Transplantex NG de Médecine de Précision de Strasbourg, Faculté de Médecine, Université de Strasbourg, Strasbourg, France
- Laboratoire d'Immunologie, Plateau Technique de Biologie, Pôle de Biologie, Nouvel Hôpital Civil, Hôpitaux Universitaires de Strasbourg, Strasbourg, France
| | - Roshini S Abraham
- Department of Pathology and Laboratory Medicine, Nationwide Children's Hospital, Columbus, OH, USA
| | - Richard K Hite
- Structural Biology Program, Memorial Sloan Kettering Cancer Center, New York, NY, USA
| | - Nufar Marcus
- Allergy and Immunology Unit, Kipper Institute of Immunology, Schneider Children's Medical Center of Israel, Petah Tikva, Israel
- Sackler Faculty of Medicine, Tel Aviv University, Tel Aviv, Israel
- The Jeffrey Modell Foundation Israeli Network for Primary Immunodeficiency, New York, NY, USA
| | | | - Seiamak Bahram
- Laboratoire d'ImmunoRhumatologie Moléculaire, Institut national de la santé et de la recherche médicale (INSERM) UMR_S 1109, Plateforme GENOMAX, Centre de Recherche d'Immunologie et d'Hématologie and Centre de Recherche en Biomédecine de Strasbourg (CRBS), Faculté de Médecine, Fédération Hospitalo-Universitaire OMICARE, Fédération de Médecine Translationnelle de Strasbourg (FMTS), Université de Strasbourg, Strasbourg, France
- Institut Thématique Interdisciplinaire (ITI) Transplantex NG de Médecine de Précision de Strasbourg, Faculté de Médecine, Université de Strasbourg, Strasbourg, France
- Laboratoire d'Immunologie, Plateau Technique de Biologie, Pôle de Biologie, Nouvel Hôpital Civil, Hôpitaux Universitaires de Strasbourg, Strasbourg, France
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Ghasemi DR, Okonechnikov K, Rademacher A, Tirier S, Maass KK, Schumacher H, Joshi P, Gold MP, Sundheimer J, Statz B, Rifaioglu AS, Bauer K, Schumacher S, Bortolomeazzi M, Giangaspero F, Ernst KJ, Clifford SC, Saez-Rodriguez J, Jones DTW, Kawauchi D, Fraenkel E, Mallm JP, Rippe K, Korshunov A, Pfister SM, Pajtler KW. Compartments in medulloblastoma with extensive nodularity are connected through differentiation along the granular precursor lineage. Nat Commun 2024; 15:269. [PMID: 38191550 PMCID: PMC10774372 DOI: 10.1038/s41467-023-44117-x] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Key Words] [MESH Headings] [Grants] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 01/04/2023] [Accepted: 11/30/2023] [Indexed: 01/10/2024] Open
Abstract
Medulloblastomas with extensive nodularity are cerebellar tumors characterized by two distinct compartments and variable disease progression. The mechanisms governing the balance between proliferation and differentiation in MBEN remain poorly understood. Here, we employ a multi-modal single cell transcriptome analysis to dissect this process. In the internodular compartment, we identify proliferating cerebellar granular neuronal precursor-like malignant cells, along with stromal, vascular, and immune cells. In contrast, the nodular compartment comprises postmitotic, neuronally differentiated malignant cells. Both compartments are connected through an intermediate cell stage resembling actively migrating CGNPs. Notably, we also discover astrocytic-like malignant cells, found in proximity to migrating and differentiated cells at the transition zone between the two compartments. Our study sheds light on the spatial tissue organization and its link to the developmental trajectory, resulting in a more benign tumor phenotype. This integrative approach holds promise to explore intercompartmental interactions in other cancers with varying histology.
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Affiliation(s)
- David R Ghasemi
- Hopp-Children's Cancer Center Heidelberg (KiTZ), Heidelberg, Germany
- Division of Pediatric Neuro-oncology, German Cancer Consortium (DKTK), German Cancer Research Center (DKFZ), Heidelberg, Germany
- Department of Pediatric Oncology, Hematology, and Immunology, Heidelberg University Hospital, Heidelberg, Germany
| | - Konstantin Okonechnikov
- Hopp-Children's Cancer Center Heidelberg (KiTZ), Heidelberg, Germany
- Division of Pediatric Neuro-oncology, German Cancer Consortium (DKTK), German Cancer Research Center (DKFZ), Heidelberg, Germany
| | - Anne Rademacher
- Division of Chromatin Networks, German Cancer Research Center (DKFZ) and Bioquant, Heidelberg, Germany
| | - Stephan Tirier
- Division of Chromatin Networks, German Cancer Research Center (DKFZ) and Bioquant, Heidelberg, Germany
- Resolve BioSciences GmbH, Monheim am Rhein, Germany
| | - Kendra K Maass
- Hopp-Children's Cancer Center Heidelberg (KiTZ), Heidelberg, Germany
- Division of Pediatric Neuro-oncology, German Cancer Consortium (DKTK), German Cancer Research Center (DKFZ), Heidelberg, Germany
- Department of Pediatric Oncology, Hematology, and Immunology, Heidelberg University Hospital, Heidelberg, Germany
| | - Hanna Schumacher
- Heidelberg University, Faculty of Medicine, and Heidelberg University Hospital, Institute for Computational Biomedicine, Bioquant, Heidelberg, Germany
| | - Piyush Joshi
- Hopp-Children's Cancer Center Heidelberg (KiTZ), Heidelberg, Germany
- Division of Pediatric Neuro-oncology, German Cancer Consortium (DKTK), German Cancer Research Center (DKFZ), Heidelberg, Germany
| | - Maxwell P Gold
- Department of Biological Engineering, Massachusetts Institute of Technology (MIT), Cambridge, MA, USA
| | - Julia Sundheimer
- Hopp-Children's Cancer Center Heidelberg (KiTZ), Heidelberg, Germany
- Division of Pediatric Neuro-oncology, German Cancer Consortium (DKTK), German Cancer Research Center (DKFZ), Heidelberg, Germany
- Faculty of Biosciences, Heidelberg University, Heidelberg, Germany
| | - Britta Statz
- Hopp-Children's Cancer Center Heidelberg (KiTZ), Heidelberg, Germany
- Division of Pediatric Neuro-oncology, German Cancer Consortium (DKTK), German Cancer Research Center (DKFZ), Heidelberg, Germany
| | - Ahmet S Rifaioglu
- Heidelberg University, Faculty of Medicine, and Heidelberg University Hospital, Institute for Computational Biomedicine, Bioquant, Heidelberg, Germany
- Department of Electrical and Electronics Engineering, İskenderun Technical University, Hatay, Turkey
| | - Katharina Bauer
- Single-cell Open Lab, German Cancer Research Center (DKFZ), Heidelberg, Germany
| | - Sabrina Schumacher
- Division of Chromatin Networks, German Cancer Research Center (DKFZ) and Bioquant, Heidelberg, Germany
| | | | - Felice Giangaspero
- Department of Radiological, Oncological and Anatomo-Pathological Sciences, Sapienza University of Rome, Rome, Italy
- Istituto di Ricovero e Cura a Carattere Scientifico (IRCCS) Neuromed, Pozzilli, Italy
| | - Kati J Ernst
- Hopp-Children's Cancer Center Heidelberg (KiTZ), Heidelberg, Germany
- Division of Pediatric Glioma Research, German Cancer Research Center (DKFZ), Heidelberg, Germany
| | - Steven C Clifford
- Wolfson Childhood Cancer Research Centre, Translational and Clinical Research Institute, Newcastle University Centre for Cancer, Newcastle upon Tyne, UK
| | - Julio Saez-Rodriguez
- Heidelberg University, Faculty of Medicine, and Heidelberg University Hospital, Institute for Computational Biomedicine, Bioquant, Heidelberg, Germany
| | - David T W Jones
- Hopp-Children's Cancer Center Heidelberg (KiTZ), Heidelberg, Germany
- Division of Pediatric Glioma Research, German Cancer Research Center (DKFZ), Heidelberg, Germany
| | - Daisuke Kawauchi
- Department of Biochemistry and Cellular Biology, National Center of Neurology and Psychiatry (NCNP), Tokyo, Japan
| | - Ernest Fraenkel
- Department of Biological Engineering, Massachusetts Institute of Technology (MIT), Cambridge, MA, USA
- Edythe Broad Institute of MIT and Harvard, Cambridge, MA, USA
| | - Jan-Philipp Mallm
- Single-cell Open Lab, German Cancer Research Center (DKFZ), Heidelberg, Germany
| | - Karsten Rippe
- Division of Chromatin Networks, German Cancer Research Center (DKFZ) and Bioquant, Heidelberg, Germany
| | - Andrey Korshunov
- Hopp-Children's Cancer Center Heidelberg (KiTZ), Heidelberg, Germany.
- Department of Neuropathology, Institute of Pathology, Heidelberg University Hospital, Heidelberg, Germany.
- Clinical Cooperation Unit Neuropathology, German Cancer Research Center (DKFZ), German Consortium for Translational Cancer Research (DKTK), Heidelberg, Germany.
| | - Stefan M Pfister
- Hopp-Children's Cancer Center Heidelberg (KiTZ), Heidelberg, Germany.
- Division of Pediatric Neuro-oncology, German Cancer Consortium (DKTK), German Cancer Research Center (DKFZ), Heidelberg, Germany.
- Department of Pediatric Oncology, Hematology, and Immunology, Heidelberg University Hospital, Heidelberg, Germany.
| | - Kristian W Pajtler
- Hopp-Children's Cancer Center Heidelberg (KiTZ), Heidelberg, Germany.
- Division of Pediatric Neuro-oncology, German Cancer Consortium (DKTK), German Cancer Research Center (DKFZ), Heidelberg, Germany.
- Department of Pediatric Oncology, Hematology, and Immunology, Heidelberg University Hospital, Heidelberg, Germany.
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