Genetically isolated populations
Implications for genetic care
Mathijssen, I.B.
Publication date
2018
Document Version
Other version
License
Other
Link to publication
Citation for published version (APA):
Mathijssen, I. B. (2018). Genetically isolated populations: Implications for genetic care.
General rights
It is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), other than for strictly personal, individual use, unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Disclaimer/Complaints regulations
If you believe that digital publication of certain material infringes any of your rights or (privacy) interests, please let the Library know, stating your reasons. In case of a legitimate complaint, the Library will make the material inaccessible and/or remove it from the website. Please Ask the Library: https://uba.uva.nl/en/contact, or a letter to: Library of the University of Amsterdam, Secretariat, Singel 425, 1012 WP Amsterdam, The Netherlands. You will be contacted as soon as possible.
Summary
Samenvatting
10
SUMMARY
Genetically isolated populations exist worldwide and provide unique opportunities for many different genetic investigations. The main objective of this thesis is to demonstrate the various opportunities for research and clinical care in a young genetically isolated population in the northwest of the Netherlands. This population was founded in the 14th century by seven to 20 families. It is a typical Roman Catholic village, in great contrast to its Protestant environment. Due to religious and social factors, it is still a close-knit village. The village has about 21,500 inhabitants and a birth rate of about 250 births/year. (Chapter 1).
Part I of this thesis compromises studies about genetic causes and phenotypic variation of disorders in the genetically isolated population under study.
In chapter 2, homozygosity mapping followed by Sanger sequencing of a candidate gene was used to identify the cause of fetal akinesia deformation sequence (FADS) in four-teen affected fetuses in the genetically isolated population. Children with this disorder have progressively reduced fetal movements, joint contractures, severe pulmonary hypo-plasia, and polyhydramnios. Affected infants die in utero or shortly after birth. We iden-tified a founder mutation in the MUSK gene. A founder mutation is a mutation on an identical haplotype background, observed with high frequency in a genetically isolated population in which one or more of the ancestors were carriers of the mutation. All chil-dren with FADS were homozygous for this mutations, meaning that they inherited the same mutations from both parents. The MUSK-gene encodes a muscle-specific tyrosine kinase and is essential for neuromuscular synaptogenesis. Mutations in this gene had been described before in patients with congenital myasthenic syndrome (CMS), but it is a novel cause of lethal FADS. Our study strengthens the existing idea that genes encoding neuromuscular synaptogenesis can cause phenotypes with variable severity, ranging from late-onset and neonatal CMS to the peri- or prenatal lethality observed in fetal akinesia. Moreover, with the identification of the cause of FADS, carrier screening for this disorder can be offered in the genetically isolated population under study.
Chapter 3 describes the identification of the cause of XX female gonadal dysgenesis (XX-GD) in six women in the genetically isolated population under study. Women with this disorder have primary amenorrhea, lack of secondary sexual characteristics, streak gonads, hypoplastic uterus, and hypergonadotropic hypogonadism. Using
zygosity mapping and Sanger sequencing of a candidate gene, we identified a homo-zygous founder mutation in PSMC3IP in all women with XX-GD. No homohomo-zygous
PSMC3IP-mutations were identified in infertile men in this population, suggesting that
this is not a major cause of male infertility in this population. Heterozygous mutations in PSMC3IP have been associated with an increased risk of breast or ovarium cancer, but this was not confirmed in the genetically isolated population as we did not find a higher incidence of breast and ovarium cancer in the genetically isolated population compared to the general Dutch population.
In chapter 4 the long-term clinical course and variability of 30 patients with retinitis pigmentosa type 12 due to a homozygous founder mutation in the CRB1 gene, all originating from the genetically isolated population under study, is described. Patients with RP have night blindness, restricted visual fields and decreased visual acuity. All 30 RP-patients have the same homozygous mutation in the CRB1-gene. The age of diagnosis and the clinical course, in terms of visual acuity, visual fields, and ophthalmic findings, showed marked interindividual variability, supporting the hypothesis that the phenotype of patients with CRB1 mutations is modulated by other, genetic and/or envi-ronmental, factors.
Part II of this thesis includes studies about the implementation and evaluation of preconception carrier screening in genetically isolated populations. In the genetically isolated population under study four severe early childhood onset recessive disorders occur at relatively high frequency; pontocerebellar hypoplasia type 2 (PCH2), fetal akinesia deformation sequence (FADS), rhizomelic chondrodysplasia punctata type 1 (RCDP1), and osteogenesis imperfecta (OI) type IIB/III. Children with these disorders suffer significant morbidity and have a severely reduced lifespan. The disorders all have an autosomal recessive mode of inheritance, meaning that both copies of the gene must be mutated in order to have the disorder. Individuals with a mutation in only one of both genes are called carriers. Only parents who are both carriers of the same disorder can have a child with the disorder. The chance is 1 in 4 (25 percent) in each pregnancy with no difference between boys and girls.
In September 2012 we started a local preconception outpatient clinic offering carrier testing to couples planning a pregnancy for these four disorders. The aim of this offer is to identify carrier couples with a 1-in-4 (25%) risk of affected offspring, enabling autonomous repro-ductive decisions, which consequently might reduce perinatal morbidity and mortality.
10
Traditionally, carrier testing is targeted to close relatives and partners of previously identi-fied patients and carriers (cascade genetic carrier testing). However, carrier screening can also be offered to high risk populations based on ancestral background (ancestry-based carrier screening) and to the general population irrespective of risk status (universal or pan-ethnic carrier screening).
In chapter 5, the implementation of the outpatient clinic and the first year results of carrier testing are described. In one year, 203 individuals (92 couples and 19 individ-uals) were counseled. Of the 196 individuals tested, 33% were carriers of at least one disorder. Not only in individuals with a positive family history for one of the disorders, but also in individuals with a negative family history, the carrier frequency was high (57.8% versus 25.8% respectively). Four PCH2 carrier couples were identified. We demonstrated that targeted carrier screening is an effective method for carrier screening in genetically isolated populations in terms of identification of carriers and is likely to be more effective compared to cascade genetic testing. Our findings and set-up can be seen as a model for carrier screening in other high-risk populations and contributes to the discussion about the way carrier screening can be offered and organized in the general population.
Chapter 6 describes the evaluation of the carrier screening offer for four disorders from a user perspective, by completing questionnaires by 182 attendees and 137 non-attendees of the outpatient clinic and by conducting semi-structured interviews with seven carrier couples. Attendees were highly familiar with the disorders, demonstrated no major psychological outcomes, experienced no stigmatization, and were very satisfied after testing. All identified carrier couples made reproductive decisions based on their test results, including refraining from having children, preimplantation genetic diag-nosis (PGD), and prenatal diagdiag-nosis (PND). The main reason for non-attendance was unawareness of the screening offer. Knowledge after counseling increased significantly but some individuals wrongly mentioned an increased risk of having an affected child if both partners are carriers of different recessive disorders. Almost all attendees recalled their results correctly, but two couples reported being a carrier of another disorder than was reported to them. Adequately informing couples is of major importance, and a pre-test consultation by a clinical geneticist is preferred by the vast majority of the attendees. Technological advances now enable the development and offer of expanded carrier screening (ECS) in which couples can be screened for several (hundreds of) disorders simultaneously, also regardless of race or ethnicity (universal). Our findings can be
helpful for the discussion and implementation of expanded carrier screening in other high-risk populations, but also for ECS in the general population.
In Chapter 7, we investigated critical factors involved in the successful implementation of carrier screening, from a user perspective, by literature review and by studying experi-ences with carrier screening in two subpopulations at risk for specific genetic disorders; the genetically isolated population under study and the Ashkenazi Jewish population. Factors identified were: high familiarity with (specific) genetic disorders and carrier screening, high perceived benefits of screening, acceptance of reproductive options, high perceived risk of being a carrier, low perceived social barriers, and community support. To ensure successful implementation of population-based expanded carrier screening, efforts should be made to increase knowledge and create awareness about genetic disor-ders, and address personal benefits of screening in a non-directive way.
In chapter 8, we made an inventory of six Dutch genetically isolated populations and their autosomal recessive founder mutations, and investigated whether these founder mutations are covered in the (preconception) expanded carrier screening (ECS) tests offered by five (commercial) carrier screening providers. We demonstrated that the great majority of the founder mutations are not covered in the screening panels. Offering a (commercial) routine ECS panel to inhabitants (of the majority) of the genetically isolated populations is thus not appropriate because it may give false reassurance to couples with an increased risk for founder mutations related disorders they are not being tested for. It is therefore important to be aware of founder mutations in a population when offering carrier tests.
Concluding remarks
Genetically isolated populations provide unique opportunities for many different genetic studies because of several benefits of these populations. This is illustrated in this thesis by different investigations in a young genetically isolated population in the Netherlands. Although genetically isolated populations may differ in various aspects from other popu-lations and not all research findings may be representative for the general population, investigations in these populations may be helpful in understanding causes of genetic disorders and may provide lessons for further successful and responsible implementation of preconception (expanded) carrier screening in the general population.
10
SAMENVATTING
Genetisch geïsoleerde populaties komen wereldwijd voor en bieden unieke mogelijkheden voor veel verschillende genetische onderzoeken. De belangrijkste doelstelling van het onderzoek in dit proefschrift is om de diverse onderzoeksmogelijkheden en klinische toepassingen te demonstreren in een jonge genetisch geïsoleerde populatie in Neder-land. Deze gemeenschap is gesticht in de 14e eeuw door zeven tot 20 families. Het is een
typisch rooms-katholiek dorp, in groot contrast met de protestantse omgeving. Door religieuze en sociale factoren is het nog steeds een hecht dorp met zo’n 21.500 inwoners en een geboortecijfer van ongeveer 250 geboortes per jaar. (Hoofdstuk 1).
Deel I van dit proefschrift richt zich op onderzoeken naar genetische oorzaken en vari-aties in fenotype (waarneembare eigenschappen of kenmerken) van aandoeningen in de bestudeerde genetisch geïsoleerde populatie.
In hoofdstuk 2 hebben we onderzoek verricht naar de oorzaak van foetale akinesie deformatie sequentie (FADS) bij veertien kinderen met deze aandoening uit de bestu-deerde genetisch geïsoleerde populatie. Kinderen met deze aandoening bewegen niet (goed) tijdens de zwangerschap. Hierdoor ontstaan contracturen (vergroeiingen van de gewrichten), onderontwikkeling van de longen en te veel vruchtwater tijdens de zwangerschap. Het kind overlijdt tijdens de zwangerschap of binnen een paar dagen na de geboorte. Met DNA-onderzoek (homozygozity mapping gevolgd door Sanger sequencing van een kandidaat-gen) hebben we een founder-mutatie in het zogenaamde
MUSK-gen gevonden. Een founder-mutatie is een verandering in het DNA die meerder
generaties terug in een (genetisch geïsoleerde) populatie is ontstaan bij een voorouder en vervolgens is doorgegeven aan de volgende generaties. Alle kinderen met FADS zijn homozygoot voor deze mutatie, wat wil zeggen dat ze twee keer dezelfde mutatie hebben die ze van beide ouders geërfd hebben. Het MUSK-gen is belangrijk voor de aansturing van de spieren door de zenuwen. Mutaties in dit gen zijn al eerder beschreven bij mensen met congenitale myasthenie (een vorm van aangeboren spierzwakte), maar niet bij FADS waarbij de kinderen binnen een week na de geboorte overlijden. Dit onder-zoek versterkt het bestaande idee dat genen die betrokken zijn bij de overdracht van signalen tussen zenuwen en spieren aandoeningen kunnen veroorzaken met verschil-lende ernst, variërend van een laat-optredende myasthenie tot een bij de geboorte optre-dende myasthenie tot FADS, waarbij kinderen tijdens de zwangerschap of binnen een paar dagen na de geboorte overlijden. Door het ontdekken van de oorzaak van de FADS
kan bovendien dragerschapsonderzoek naar deze aandoening aangeboden worden aan de bestudeerde genetisch geïsoleerde populatie.
In hoofdstuk 3 wordt een nieuwe oorzaak voor XX gonadale dysgenesie beschreven bij zes vrouwen met deze aandoening uit de bestudeerde genetisch geïsoleerde popu-latie. Vrouwen met deze aandoening hebben een primaire amenorroe (menstrueren niet), hebben ontbrekende secundaire geslachtskenmerken, streak gonaden (eierstokken bestaande uit bindweefselstrengen), een onderontwikkelde baarmoeder en hypergon-adotroop hypogonadisme (onvoldoende functie van de geslachtsklieren). Met DNA-onderzoek (homozygozity mapping en Sanger sequencing van een kandidaat-gen) hebben we een homozygote founder-mutatie in het PSMC3IP-gen gevonden. De vrouwen met XX gonadale dysgenesie zijn homozygoot voor deze mutatie. Er werden geen homozygote mutaties gevonden bij onvruchtbare mannen uit de bestudeerde genetisch geïsoleerde populatie, waardoor we aannemen dat dit niet een belangrijke oorzaak is voor mannelijke onvruchtbaarheid in deze populatie. Er is eerder beschreven dat mensen die één mutatie in het PSMC3IP-gen hebben een verhoogde kans hebben op het krijgen van borst- of eierstokkanker. Dit konden wij niet bevestigen, aangezien borst- en eierstokkanker niet vaker voorkomen in de bestudeerde genetisch geïsoleerde populatie vergeleken met de algemene Nederlandse bevolking.
Hoofdstuk 4 beschrijft het lange termijn verloop en de variabiliteit van de aandoening retinitis pigmentosa type 12 (RP type 12) bij 30 patiënten met deze aandoening uit de bestudeerde genetisch geïsoleerde populatie. Mensen met deze aandoening hebben nachtblindheid waardoor zij geleidelijk steeds minder kunnen zien in het donker. Daar-naast hebben zij een beperking van het blikveld wat uiteindelijk leidt tot kokerzien of tunnelvisie. Later ontstaat ook overdag een verminderd gezichtsvermogen. Alle 30 RP-patiënten hebben dezelfde homozygote mutatie in het CRB1-gen. De leeftijd van de diagnose en het verloop wat betreft gezichtsvermogen, blikveld en oogheelkundige kenmerken was erg verschillend tussen de verschillende patiënten. Dit ondersteunt de hypothese dat de kenmerken bij de RP-patiënten beïnvloed wordt door andere factoren, zoals andere genen en omgevingsfactoren.
Deel II van dit proefschrift omvat onderzoeken naar de opzet en evaluatie van precon-ceptie dragerschapsscreening in genetisch geïsoleerde populaties. In de bestudeerde genetisch geïsoleerde populatie komen vier ernstige erfelijke aandoeningen die zich
10
uiten op de vroege kinderleeftijd relatief vaak voor; pontocerebellaire hypoplasie type 2 (PCH2), foetale akinesie deformatie sequentie (FADS), rhizomele chondrodysplasia punctata type 1 (RCDP1) en osteogenesis imperfecta (OI) type IIB/III. Kinderen met deze aandoeningen zijn ernstig verstandelijk en/of lichamelijk beperkt en hebben meestal een beperkte levensverwachting. Deze aandoeningen zijn allemaal autosomaal recessief erfelijk. Een kind heeft de aandoening als beide exemplaren van het gen een mutatie bevatten. We noemen iemand een drager van de aandoening als één van beide genen een mutatie bevat en de andere niet veranderd is. Alleen als beide ouders drager zijn van dezelfde aandoening, kunnen zij een kind krijgen met deze aandoening. Die kans is bij iedere zwangerschap dan 1 op 4 (25 procent). De aandoeningen komen even vaak voor bij jongens als bij meisjes.
In september 2012 hebben we een polikliniek opgezet in de bestudeerde genetisch geïsoleerde populatie waar mensen met kinderwens zich kunnen laten testen op drager-schap van deze vier aandoeningen. Doel van dit aanbod is om dragerparen te informeren over hun verhoogde kans op het krijgen van een kind met zo’n erfelijke aandoening waar-door zij goed geïnformeerd beslissingen kunnen nemen over het krijgen van kinderen, met als gevolg mogelijk ook een daling van het aantal kinderen die de ziektes krijgen en/ of eraan overlijden.
Van oudsher wordt dragerschapsonderzoek verricht door middel van cascadescreening waarbij DNA-diagnostiek wordt aangeboden aan familieleden van mensen die zelf de aandoening hebben of drager zijn van de aandoening. Een andere manier is om drager-schapsscreening aan een deel (bijvoorbeeld hoog-risicopopulatie) of de hele bevolking aan te bieden ongeacht of de aandoening(en) in de familie voorkomen.
In hoofdstuk 5 worden het aanbod van dragerschapsscreening, de opzet van de polik-liniek en de resultaten van het eerste jaar beschreven. In één jaar tijd werden 203 mensen (92 koppels en 19 individuen) gecounseld. Van de 196 geteste mensen was 33% drager van ten minste één van de aandoeningen. Niet alleen bij mensen waarbij één van de aandoeningen in de familie voorkwam, maar ook bij mensen waarin het niet in de familie voorkwam, bleek de kans om drager te zijn groot (57,8% versus 25,8%). Er werden vier dragerkoppels gevonden waarbij beide partners drager bleken van PCH2. We hebben aangetoond dat dragerschapsscreening in een genetisch geïsoleerde popu-latie een effectieve methode is voor het opsporen van dragers en waarschijnlijk meer effectief is dan cascadescreening binnen aangedane families. Onze opzet van de polik-liniek en ervaringen kunnen gebruikt worden als model voor dragerschapsscreening in andere populaties met een hoog risico op erfelijke aandoeningen. Ook draagt het bij aan
de discussie over de manier waarop dragerschapsscreening aangeboden en georganiseerd moet worden in de algemene populatie.
Hoofdstuk 6 beschrijft de evaluatie van de dragerschapsscreening voor de vier aandoe-ningen onder deelnemers door middel van het laten invullen van vragenlijsten. Deze vragenlijsten werden zowel ingevuld door 182 mensen die de polikliniek bezochten als 137 mensen die dit niet gedaan hebben. Daarnaast werden semi-gestructureerde inter-views afgenomen bij zeven dragerkoppels. De mensen die de polikliniek bezochten waren over het algemeen bekend met de aandoeningen, rapporteerden geen uitgesproken nega-tieve psychologische gevolgen van het aanbod van de dragerschapstest, ervaarden weinig tot geen stigmatisatie en waren erg tevreden na het testen. Alle dragerkoppels met een verhoogde kans op het krijgen van een kind met een aandoening verbonden reproduc-tieve consequenties aan de uitslag van de test, waaronder het afzien van het krijgen van kinderen, prenatale diagnostiek tijdens de zwangerschap of pre-implantatie genetische diagnostiek, dat wil zeggen testen van het embryo op de aandoening vóór plaatsing in de baarmoeder door reageerbuisbevruchting. De belangrijkste reden dat mensen de polikliniek niet bezochten was dat zij niet bekend waren met de mogelijkheid om zich te laten testen. De kennis van mensen nam significant toe na de counseling. Sommige mensen gaven echter ten onrechte aan dat er een verhoogde kans is op het krijgen van een kind met (één van) de aandoeningen als beide partners drager zijn van verschillende aandoeningen. Bijna alle deelnemers die de polikliniek bezochten konden hun testuit-slag goed opnoemen. Twee koppels gaven echter aan dat zij drager waren van een andere aandoening dan daadwerkelijk aan hen was gerapporteerd. Het is van groot belang om mensen die screening willen laten verrichten goed te informeren. De grote meerderheid van de mensen die de polikliek bezochten had de voorkeur voor een persoonlijk consult met een klinisch geneticus voorafgaande aan de test.
Door de technologische ontwikkelingen van de afgelopen jaren is het nu mogelijk om gemakkelijker op dragerschap van meerdere aandoeningen tegelijkertijd te screenen en wordt een universeel aanbod (onafhankelijk van afkomst) mogelijk. Dit wordt ook wel ‘expanded carrier screening’ of ECS genoemd. De bevindingen van dit onderzoek kunnen van nut zijn voor de opzet van dragerschapsscreening in andere hoog-risico populaties, maar ook voor screeningsprogramma’s op meerdere aandoeningen (ECS) in de algemene bevolking.
In hoofdstuk 7 hebben we belangrijke factoren onderzocht die samenhangen met de succesvolle implementatie van dragerschapsscreening, vanuit het perspectief van de
10
gebruikers. Dit onderzoek is verricht door middel van literatuurstudie en door het bestuderen van ervaringen met dragerschapsscreening in twee genetisch geïsoleerde populaties; de bestudeerde genetisch geïsoleerde populatie en de Ashkenazi Joodse gemeenschap. Geïdentificeerde factoren waren: grote bekendheid met dragerschap-sonderzoek en met de erfelijke aandoeningen waarop getest wordt, het ervaren van voordelen van de screening, acceptatie van de verschillende reproductieve handeling-sopties, een hoge ervaren kans om drager te zijn, minder gevoelens van ervaren stigma en steun vanuit de gemeenschap. Om succesvolle implementatie van populatie-brede dragerschapsscreening in de algemene bevolking te garanderen, moeten er inspanningen worden geleverd om kennis te vergroten en bewustzijn te creëren wat betreft de erfelijke aandoeningen. Daarnaast is het belangrijk om de persoonlijke voordelen van screening op een niet-directieve manier onder de aandacht te brengen.
In hoofdstuk 8 hebben we een inventarisatie gemaakt van zes Nederlandse genetisch geïsoleerde populaties en de autosomaal recessieve founder-mutaties die er voorkomen. Vervolgens hebben we onderzocht of deze founder-mutaties opgenomen zijn in de brede (preconceptie) dragerschapstesten, die gericht zijn op het testen van meerdere aandoeningen tegelijk, van vijf (commerciële) aanbieders van deze testen. We hebben laten zien dat de grote meerderheid van de founder-mutaties niet zijn opgenomen in de betreffende test panels. Het aanbieden van een (commerciële) standaard ECS test aan inwoners (van de meerderheid) van de genetisch geïsoleerde populaties is daarom niet zinvol omdat het valse geruststelling kan geven aan koppels met een verhoogde kans op aandoeningen die door founder-mutaties veroorzaakt worden en waar zij niet op getest worden. Het is daarom belangrijk om bewust te zijn van founder-mutaties in een popu-latie bij het aanbieden van brede dragerschapstesten.
Slotopmerkingen
Genetisch geïsoleerde populaties bieden unieke mogelijkheden voor veel verschillende genetische onderzoeken. Dit is geïllustreerd in dit proefschrift door diverse onder-zoeken in een jonge genetisch geïsoleerde populatie in Nederland. Alhoewel genetisch geïsoleerde populaties in veel opzichten kunnen verschillen van ander populaties en niet alle onderzoeksresultaten representatief zullen zijn voor de algemene populatie, kunnen de resultaten van onderzoek in deze populaties zinvol zijn voor het begrijpen van oorzaken van genetische aandoeningen. Ook bieden de resultaten handvatten voor een verdere succesvolle en verantwoorde implementatie van brede dragerschapsscreening in de algemene bevolking.
