The phenotypic spectrum of WWOX-related disorders: 20 additional cases of WOREE syndrome and review of the literature
WWOX is gelokaliseerd op de lange arm van chromosoom 16 in een bekende fragiele site. Het bestaat uit negen exonen en is >1 Mb groot.1 Het canonieke transcript (ENST00000566780.5, NM_016373.3) codeert voor een 414-aminozuur (aa) ubiquitair eiwit dat sterk tot expressie komt in de prostaat, geslachtsklieren, borst, longen, endocriene weefsels, en hersenen.21,22 Alternatieve splicing van WWOX tijdens precursor messenger RNA (pre-mRNA) verwerking genereert acht transcripten die alleen in kankers zijn waargenomen; of elk afwijkend WWOX mRNA in eiwit wordt vertaald is onbekend.23 Het WW-domein-bevattende oxidoreductase is het enige eiwit dat twee verschillende domeinen koppelt met hoge homologieën met zowel de WW-domein familie als de SRD superfamilie. WWOX bevat twee WW domeinen aan de amino terminus, een nucleair localisatie signaal (NLS) motief en een C-terminaal korte-keten dehydrogenase reductase (SDR) domein (Fig. 1b). Een mitochondriaal targeting sequence (MTS) motief is ook in kaart gebracht binnen het SDR domein tussen aa 209 en aa 273 (ref. 24). WWOX bevat ook zowel een co-enzym, NAD(H) of NADP(h) bindingsplaats (GANSGIG, aa 131-137), als een potentiële substraat bindingsplaats (YNRSK, aa 293-297) (ref. 1). Het C-terminale domein van WWOX (aa 125-414) is vergelijkbaar met een MAPT-interactiegebied (http://www.uniprot.org/uniprot/Q9NZC7).
WOX is tolerant voor missense variaties met een missense constraint metric Z = -3,19 (Exome Aggregation Consortium).20 Veel heterozygote CNV’s die dit gen geheel of gedeeltelijk beïnvloeden, worden waargenomen in gezonde controlemonsters (Database of Genomic Variants).25 Het hoge aantal pathogene/waarschijnlijk pathogene variaties in publieke databases is niet verwonderlijk gezien een autosomaal recessieve wijze van overerving voor WWOX-gerelateerde encefalopathie.
WWOX komt tot expressie in het zich ontwikkelende zenuwstelsel van de muis met inbegrip van cerebrale cortex en cerebellum van in utero stadia tot in de volwassenheid.26 Diermodellen toonden epilepsie en ataxie aan veroorzaakt door WWOX verlies,3,27 wat wijst op een neurodegeneratief proces. In een gedetailleerd overzicht van de literatuur, toonden Aldaz en medewerkers duidelijk aan dat WWOX op het kruispunt staat van kanker, metabool syndroom, en encefalopathie.28
Clinische en moleculaire gegevens van alle patiënten uit de literatuur met ofwel SCAR12 ofwel WOREE fenotypes zijn beschreven in Supplementale Tabel 3 (refs. 3,4,5,6,7,8,29,30). Twee extra patiënten, zussen uit een consanguine Arabische familie met een WWOX homozygote variant (c.1228G>T; p.Gly410Cys), werden ook gerapporteerd door Alkhateeb et al. in 2016 (ref. 9), maar er is twijfel over de pathogeniciteit van de variant die in deze gevallen is geïdentificeerd. Beiden presenteerden zich met vertraagde spraak en één had epilepsie vanaf de leeftijd van 2 jaar. De klinische presentatie in deze familie is zeer mild in vergelijking met het WOREE-syndroom dat wordt waargenomen bij patiënten met biallelische germline pathogene varianten in WWOX. De verandering van glycine naar cysteïne op positie 410 beïnvloedt een aminozuur helemaal aan het einde van de carboxyl terminus kant van het eiwit. Bovendien is deze aminozuurverandering in homozygote vorm aanwezig in twee individuen in de gnomAD dataset. Hoewel in silico voorspellingen in het voordeel zijn van de pathogeniciteit van deze missense pathogene variant (mogelijk schadelijk door PolyPhen-2), is de causale rol ervan in deze familie twijfelachtig. Wij hebben daarom besloten deze patiënten uit te sluiten van onze literatuurstudie.
Wij rapporteren hier over het grootste cohort van individuen met een WOREE fenotype bestaande uit 20 additionele patiënten met biallelische pathogene varianten in WWOX geërfd van gezonde ouders (Supplementele Tabel 1). Moleculaire diagnoses werden verkregen door een combinatie van verschillende technieken (array-CGH, qPCR/MLPA, gerichte Sanger sequencing, ES en WGS). Door onze patiënten samen te voegen met alle tot nu toe in de literatuur gerapporteerde gevallen, zijn 37 patiënten uit 27 families met een WOREE syndroom en biallelische WWOX pathogene varianten bekend. In totaal zijn 29 verschillende pathogene/waarschijnlijk pathogene allelen (10 CNVs en 19 SNVs) geïdentificeerd (Fig. 1a, b). Introns 5 en 8 van het WWOX gen zijn zeer groot met een omvang van respectievelijk 220 en 780 Kb. Zij beslaan 90% van de WWOX genomische sequentie en bevatten translocatie breekpunten voor multipel myeloom,28 in overeenstemming met het feit dat grote intronic regio’s vaak recombinogeen zijn en vatbaar voor chromosomale breekpunten. Dienovereenkomstig zijn duplicatie (één allel) en deletie (vijf allelen) die exonen 6 tot 8 omvatten de meest frequente pathogene CNVs waargenomen bij patiënten met WWOX-gerelateerde aandoeningen (supplementaire tabellen 1 en 3). Alle patiënten uit consanguine families (10/27; 37%) bleken homozygoot te zijn voor hetzelfde deleterieuze allel, een veel voorkomend verschijnsel bij autosomaal recessieve aandoeningen met een lage prevalentie. Het hoge percentage families met een genotype dat één of twee pathogene CNVs bevat (14/27; 52%) benadrukt de noodzaak van een kwantitatieve benadering voor het screenen van de WWOX locus bij patiënten met ernstige aandoeningen van het centrale zenuwstelsel. Bij patiënten die heterozygoot zijn voor een CNV dat meerdere exonen beïnvloedt, is het belangrijk te zoeken naar (1) een mogelijk samengesteld heterozygoot genotype voor twee kleine CNV’s en de noodzaak van een tweede kwantitatieve analyse door MLPA of qPCR in beide ouders en (2) een SNV op het tweede allel door gerichte Sanger sequencing. Op dezelfde manier, wanneer ES of gerichte gen panel sequencing wordt uitgevoerd als een eerstelijns onderzoek, is het zoeken naar CNVs essentieel in dit grote gen dat gevoelig is voor deleties en duplicaties, waarbij alle of een deel van de coderende sequenties betrokken zijn.
In deze studie rapporteren we acht nieuwe missense pathogene varianten (Supplementele Tabel 2). Onder de exoom en gerichte gen panel high-throughput sequencing resultaten, zijn WWOX missense varianten talrijk. Hun pathogeniciteit is moeilijk vast te stellen omdat WWOX talrijke functies en eiwitpartners heeft. We volgden de American College of Medical Genetics and Genomics (ACMG) richtlijnen31 voor het interpreteren en annoteren van missense varianten in WWOX gegevens om ze te classificeren als pathogeen, waarschijnlijk pathogeen, varianten van onbekende betekenis (VUS), waarschijnlijk goedaardig, of goedaardig. Om ons te helpen bij het interpreteren van de varianten, gebruikten we een openlijk beschikbare online tool (http://www.medschool.umaryland.edu/Genetic_Variant_Interpretation_Tool1.html/) om de varianten efficiënt te classificeren op basis van de bewijscategorieën zoals beschreven in de ACMG richtlijnen.31 Vier aa veranderingen (p., p., p., p.) zijn geassocieerd in trans met null varianten in een gen waar functieverlies een bekend ziektemechanisme is. Alle missense varianten geïdentificeerd in individuen met WWOX-gerelateerde encefalopathie (11 aa veranderingen in 12 families, supplementaire tabel 2) zijn voorspeld ziekte-veroorzakend te zijn door een combinatie van web-gebaseerde softwares. Belangrijker is dat geen van de varianten homozygoot aanwezig is in gnomAD.20 Alle missense varianten zijn geclassificeerd als pathogeen of waarschijnlijk pathogeen volgens de ACMG aanbevelingen. Eén patiënt (P19) is drager van drie verschillende missense pathogene varianten: p.; (Supplementele Tabel 1). De p.(Lys200Glu) en p.(Thr358Ile) bevinden zich in cis; van beide aminozuurveranderingen wordt voorspeld dat ze waarschijnlijk pathogeen zijn, hoewel de threonine op positie 358 zich niet in een bekend functioneel domein bevindt. Het is niet mogelijk om te bepalen of een van deze varianten of beide varianten de ziekte-veroorzakende missense variant in P19 zijn. In de meeste gevallen die hier gerapporteerd worden en in de medische literatuur gepubliceerd zijn, worden WWOX sequentie variaties beschreven op het basis DNA niveau. Alle missense pathogene varianten op één na (P3; p.) worden geïnterpreteerd op basis van in silico studies zonder experimenteel bewijs (geen RNA of eiwitsequentie geanalyseerd). In P3, totaal RNA analyse door Sanger sequencing van omgekeerde transcriptie PCR (RT-PCR) producten kon geen splicing anomalie in leukocyten aantonen. RNA-onderzoek werd niet uitgevoerd voor andere patiënten omdat geschikte bloedmonsters niet beschikbaar waren op het moment van de moleculaire diagnose. Exonische SNVs kunnen fysiologische acceptor/donor splice sites beïnvloeden, maar ook exonische splicing enhancer (ESE) en exonische splicing silencer (ESS). Bovendien is de activering van cryptische splice sites door SNVs een goed begrepen pathologisch mechanisme in vele genetische aandoeningen; een goed voorbeeld hiervan is het Hutchinson-Gilford progeria syndroom.32 Missense varianten kunnen ook een invloed hebben op de mRNA stabiliteit.33 Tot 10% van de gekende ziekte-geassocieerde missense varianten, maar slechts 3% van de gewone SNPs, veranderen pre-mRNA splicing.33 Het is waarschijnlijk dat een fractie van de voorspelde missense varianten geïdentificeerd in patiënten met WWOX-gerelateerde encefalopathie resulteert in een verlies van expressie als gevolg van abnormale splicing. Dit is des te waarschijnlijker voor een gen met pathogene loss-of-function allelen. Voor missense pathogene varianten in het SRD domein, maakt de afwezigheid van geïdentificeerde substraten het moeilijk om hun impact op de katalytische activiteit van WWOX te evalueren. Karakterisatie van knock-in diermodellen zoals zebravisjes zou aanwijzingen geven over de pathogeniciteit van WWOX missense varianten.
In één patiënt die niet in deze studie werd opgenomen, werd een moleculaire diagnose van WWOX-gerelateerde encefalopathie aanvankelijk vermoed voor een biallelisch genotype bestaande uit twee SNVs in trans: een nonsense (ENST00000566780.5:p.Gln72*) en een missense variant (ENST00000402655:c.600T>A, p.Ser200Arg). De aa wijziging op positie 200 beïnvloedt alleen een niet-RefSeq WWOX eiwit van 311 residuen. Tot nu toe zijn alle pathogene aa veranderingen beschreven voor het canonieke WWOX eiwit (414 aa), dat het resultaat is van de translatie van een 9-exon transcript (ENST00000566780.5, isovorm 1). Het is onbekend of het WWOX eiwit isovorm bestaande uit 311 residuen relevant is voor WWOX-gerelateerde aandoeningen. Bovendien was het fenotype bij deze patiënt mild vergeleken met het WOREE syndroom. Om deze redenen hebben wij besloten dit genotype niet als oorzakelijk te beschouwen voor de encefalopathie bij deze patiënt.
WWOX, kanker, en longziekten?
WWOX is een tumor suppressor gen betrokken bij de modulatie van kanker-gerelateerde pathways via eiwit-eiwit interacties tussen de WW domeinen en verschillende oncogene eiwitten. Verlies van WWOX proteïne werd gevonden in meerdere neoplasieën.23 Osteosarcomen en longcarcinomen worden waargenomen in Wwox-/- muizen22 en tumorigenese is één van de gevolgen van een Wwox hypomorf genotype.34 Een functioneel verlies van kopie CNV (67048) in WWOX werd significant geassocieerd met een verhoogd kankerrisico in Chinese populaties.35,36,37 Meer recent werd aangetoond dat verlies van WWOX expressie in muizenlong neutrofiele ontsteking veroorzaakt.38 Verrassend genoeg werd nooit een toename van kankergevallen gerapporteerd bij patiënten met biallelische WWOX germline pathogene varianten of bij hun heterozygote ouders. De ernst van het WOREE syndroom met een hoge frequentie van vroegtijdig overlijden in de eerste levensjaren zou de afwezigheid van kanker kunnen verklaren. Dit is geen overtuigende verklaring voor patiënten die heterozygoot zijn voor een WWOX null allel. Ablatie van Wwox is niet tumorigene in alle knock-out diermodellen; dit putatieve tumor suppressor gen is eerder van belang bij tumor progressie dan bij initiatie tijdens oncogenese. Deze studie bevestigt dat germline WWOX wijzigingen geen driver pathogene varianten zijn die belangrijk zijn voor de initiatie en/of progressie van kanker.
WWOX en DSD
WWOX komt sterk tot expressie in hormonaal gereguleerde weefsels zoals de hypofyse, testis, en ovarium, en wordt verondersteld een rol te spelen in de gonadotropine of sex-steroide biosynthese.1,39 Het SRD enzymatische domein in WWOX zou een rol spelen in het steroïd metabolisme met nog niet geïdentificeerde substraten. Deze waarnemingen en de beschrijving van twee verschillende WWOX knockout muismodellen met gonadale afwijkingen34,39 ondersteunen duidelijk een rol voor WWOX in de gonadale ontwikkeling.
De eerste germline herschikking van WWOX bij de mens was geassocieerd met een 46, XY DSD.2 De patiënt had bilateraal ongedifferentieerd gonadaal weefsel en onrijpe testes. Hij was heterozygoot voor een deletie van exonen 6 tot 8 geërfd van zijn moeder die een persoonlijke geschiedenis van late menarche had. Deze CNV resulteert in een in-frame deletie, waardoor het product verkort is en het SRD domein grotendeels ontbreekt. Meer recent werden drie heterozygote VUS in het WWOX gen geïdentificeerd door ES in patiënten met DSD (Fig. 1) (ref. 40). Voor zover wij weten is DSD niet gerapporteerd bij heterozygote ouders van patiënten met het WOREE syndroom en wij zijn van mening dat de implicatie van heterozygote SNVs/CNVs in de moleculaire etiologie van DSD twijfelachtig is. Atrofie van de testikels, verminderde vruchtbaarheid, gonadale afwijkingen, disfunctie van de Leydigcellen, en verminderde borstontwikkeling maken deel uit van de fenotypes waargenomen in verschillende diermodellen van WWOX ablatie.28 Voor zover wij weten, is DSD niet gerapporteerd in heterozygote knock-out diermodellen. Er blijft echter een mogelijkheid dat een milder fenotype kan worden geïdentificeerd na zorgvuldige evaluatie van geslachtsontwikkeling en gonadale functie in patiënten heterozygoot voor een WWOX pathogene variant.
SCAR12 fenotype
In 2014 werden homozygote missense pathogene varianten in WWOX geïdentificeerd door ES in zes patiënten uit twee consanguine families met autosomaal recessieve spinocerebellaire ataxie (SCAR12). Tot nu toe werd deze associatie niet bevestigd in andere families. De getroffen patiënten presenteerden zich met ataxie van het cerebellum op jonge leeftijd, gegeneraliseerde tonisch-clonische epilepsie, een verstandelijke handicap en opvallende spasticiteit.3 Vergeleken met patiënten met het WOREE-syndroom hebben patiënten met het SCAR12-fenotype een minder ernstige ontwikkelingsachterstand: allen konden lopen (4/4; 100%), 3 van de 4 waren in staat te spreken, en er werd geen vroegtijdige dood gerapporteerd. Hersen MRI toonde milde cerebellaire hypoplasie (2/2; 100%) in de getroffen patiënten, een kenmerk dat niet werd waargenomen in ons cohort. Hoewel epilepsie een constant kenmerk was bij SCAR12 patiënten, reageerden aanvallen vaker op anti-epileptica (2/4; 50%). Betrokkenheid van de ogen was ook aanwezig met nystagmus gerapporteerd in vier patiënten. Deze vorm van WWOX-gerelateerde autosomaal recessieve cerebellaire ataxie lijkt een zeldzame genetische aandoening te zijn. De ernst van het WOREE fenotype en de vroegtijdige dood bij een deel van de patiënten zou evenwichtsproblemen gerelateerd aan cerebellaire disfunctie kunnen verbergen. Aanvullende gevallen van WWOX-gerelateerde cerebellaire ataxie zijn nodig om de betrokkenheid bij deze neurologische aandoening te bevestigen.
WOREE fenotype
Snel na de beschrijving van het SCAR12 fenotype werd WWOX betrokken bij een recessieve vorm van infantiele epileptische encefalopathie bij 17 patiënten uit 9 families.4,5,6,7,8,9,30 Wij zijn meer dan het dubbele aantal gevallen met 20 aangedane patiënten uit 18 extra families. Het fenotype van onze patiënten is consistent met dat van eerdere rapporten. We zagen een lager percentage consanguiniteit in ons cohort in overeenstemming met het hogere aandeel van samengestelde heterozygote genotypen beschreven in deze studie. Deze genotypen zouden eerder gemist kunnen zijn wanneer array-CGH of high-throughput sequencing onafhankelijk van elkaar werden uitgevoerd. De implementatie van CNV-voorspelling uit exoomsequentiegegevens vergemakkelijkt de identificatie van patiënten met WWOX-genotypen bestaande uit zowel SNV als CNV.
Een foetus met hersenafwijkingen en mogelijke intra-uteriene aanvallen werd gemeld in 2015 (ref. 7). Verminderde foetale bewegingen werden af en toe gemeld in onze serie (3/20) terwijl verhoogde nuchal translucency het meest frequente teken was tijdens de zwangerschap in eerdere rapporten (4/17). Contracturen van handen en voeten werden gemeld bij 5 patiënten in ons cohort en bij 3 patiënten uit de literatuur4,5,6 in de prenatale of neonatale periode. Verminderde foetale bewegingen, verhoogde nuchal translucency, en handen of voeten anomalieën zouden prenatale tekenen van de ziekte kunnen zijn, maar zijn noch specifiek noch frequent klinische kenmerken.
In tegenstelling tot de literatuur, waren groeiachterstand (6%) en microcefalie (20%) geen prominente kenmerken bij onze patiënten die zich presenteerden met een normale lage gemiddelde lengte (-1,1 SD) en gemiddelde OFC (-1,4 SD). Dysmorfisme werd gerapporteerd bij meer dan de helft van de patiënten. De meest opvallende kenmerken waren een rond gezicht met volle wangen, een korte hals, en een hypotone gezichtsuitdrukking (Fig. 2). Bij patiënten P15 en P16, op latere leeftijd, was hypotonie nog steeds aanwezig, maar het gezicht werd meer driehoekig. Bijkomende medische problemen waren scoliose of kyfose van vroege datum (65%), die de diagnose zou kunnen leiden, evenals voedingsproblemen die sondevoeding nodig maakten bij 70% van de patiënten en ademhalingsproblemen (40%), zoals gezien wordt bij andere infantiele encefalopathieën.
Alle patiënten hadden een ernstige ontwikkelingsachterstand. Geen van hen was in staat te zitten, te spreken of te lopen. Neurologisch onderzoek toonde axiale hypotonie en distale hypertonie bij de meeste van de patiënten. Dystonische bewegingen werden af en toe waargenomen. Zoals gerapporteerd in de literatuur, hadden alle patiënten vroeg ontstane epilepsie (100%) met dagelijkse aanvallen en medicijnresistentie waargenomen in de meeste gevallen (95%). Er was geen grote gevoeligheid voor koortsaanvallen. Het syndroom van West, gekenmerkt door spasmen en hypsaritmie geregistreerd op het EEG, werd gemeld bij 26% van de patiënten. Focale, gegeneraliseerde en gecombineerde aanvallen werden waargenomen. Tonische, klonische, tonisch-clonische en myoclonische aanvallen, alsook infantiele spasmen en absences werden beschreven. De epilepsie was dus zeer ernstig, van vroege aanvang en met variabele aanvalsgehaltes. Zoals eerder beschreven, lijkt visuele beperking deel uit te maken van het klinische spectrum van het WOREE syndroom. De meeste van de getroffen patiënten hadden geen oogcontact (75%). Ongeveer de helft van hen presenteerde zich met veranderde fundus oculi (47%) en/of elektrodiagnostische tests (45%) die wijzen op optische atrofie en/of netvlies dystrofie. Vroeg oogheelkundig onderzoek kan daarom diagnostische aanwijzingen geven bij patiënten met beginnende aanvallen en ontwikkelingsachterstand. Hersen MRI (Fig. 3) was abnormaal bij 80% van de patiënten, voornamelijk met corpus callosum hypoplasie (75%) en cerebrale atrofie (55%). Wij bevestigden in ons cohort dat vroegtijdig overlijden een kenmerk is van het WOREE syndroom dat bij acht patiënten (40%) optrad met een gemiddelde leeftijd bij overlijden van 40 maanden. De ernst van de epilepsie en de neurologische stoornissen kunnen in verband worden gebracht met vroegtijdig overlijden bij getroffen patiënten.
De belangrijkste klinische verschijnselen bij eerder gepubliceerde patiënten met WOREE zijn samengevat in supplementaire tabel 4. Uit dit overzicht kunnen we concluderen dat WOREE een zeer ernstige epileptische encefalopathie is, die wordt gekenmerkt door een slechte spontane mobiliteit, het uitblijven van taalontwikkeling en het niet kunnen lopen, vroeg optredende medicijnresistente aanvallen, oogheelkundige betrokkenheid, en een grote kans op vroegtijdig overlijden. Dysmorfe kenmerken (rond hypotoon gezicht, volle wangen, en korte nek) en misvorming van de wervelkolom kunnen vroege geassocieerde tekenen zijn die de diagnose kunnen ondersteunen.
Phenotype/genotype correlaties
Phenotype/genotype correlaties werden recent gesuggereerd voor WWOX-gerelateerde neurologische ontwikkelingsstoornissen5,7 met een classificatie van WWOX genotypes in drie groepen. Volgens de voorlopige classificatie hadden patiënten die twee voorspelde nulde allelen droegen meer kans op het meest ernstige WOREE fenotype, terwijl hypomorfe genotypen met twee missense varianten in plaats daarvan zouden resulteren in spinocerebellaire ataxie (SCAR12). Het fenotype van patiënten die drager zijn van een null allel en een missense pathogene variant zou intermediair zijn.5 Onze grote studie biedt een herwaardering van deze voorlopige correlaties.
De meest ernstige klinische presentatie lijkt geassocieerd te zijn met genotypen bestaande uit vroege voortijdige stop codons die overeenkomen met WWOX volledige knockdown. Deze genotypes zijn waargenomen bij zeven patiënten: homozygote deletie van exon 1 tot 4 in P10, homozygote stopcodons p.(Arg54*) en p.(Trp44*),4,30 homozygote deletie van de eerste zes exonen.7 Vroegtijdige dood vóór 2 jaar kwam voor in 5/7 gevallen en hersenanomalieën werden prenataal gedetecteerd in één familie. Bovendien is vroegtijdige dood nog nooit beschreven bij patiënten met een missense pathogeen variant-genotype (supplementaire tabellen 1 en 3). De precieze karakterisering van missense varianten en CNVs op eiwitniveau met functionele studies kan aanwijzingen geven over hoe genotypes verschillende klinische presentaties zouden kunnen verklaren, vooral met betrekking tot SCAR12/WOREE fenotypes.
In conclusie, kiembaan pathogene varianten in WWOX zijn duidelijk geassocieerd met een ernstige vroeg-ontstane epileptische encefalopathie genaamd WOREE syndroom en we rapporteren hier over het grootste cohort van individuen met deze neurologische aandoening. Implicatie van constitutionele WWOX varianten in DSD en SCA behoeft nog replicatiestudies.