Genetic studies on primary immunodeficiency diseases

Abstract

Primary immunodeficiency diseases (PIDD) compromise a heterogeneous group of clinical entities, ranging from isolated susceptibility for certain pathogen to widespread, early-onset infections or overwhelming autoimmunity. Although rare, PIDDs cause significant morbidity and mortality. Over 300 genes are associated with PIDD development, and multiple gene defects can cause a similar phenotype. On the other hand, phenotypes caused by the same mutation can vary considerably even between family members. Therefore, genetic diagnostics in PIDD is challenging with standard candidate gene approach.

In this study, three novel primary immunodeficiency conditions are characterized: early-onset multiorgan autoimmune disease caused by STAT3 hyperactivity, combined immunodeficiency as due to DOCK2 deficiency, and generalized infection susceptibility caused by recessive HYOU1 mutations. The mutations were discovered using exome sequencing.

In the first and second part of this study, the authors studied a cohort of six patients with missense STAT3 mutations that were shown to be activating by luciferase reporter assay. The patients presented with multi-organ autoimmunity that commonly started in infancy. Additionally, some had lymphoproliferation and developed hypogammaglobulinemia in their teens, and one patient had delayed-onset mycobacterial disease. Three patients were immunologically characterized. They showed peripheral eosinopenia and deficiency of regulatory T cells, T helper 17 cells, NK cells, and dendritic cells. Notably, one patient developed large granular lymphocyte (LGL) leukemia at age 14 and another had LGL cells in her bone marrow without clinical disease.

In third part of the study, compound heterozygous DOCK2 mutations were identified in a patient that showed mild hematological autoimmunity and susceptibility to bacterial and viral infections. Four additional patients with a similar phenotype and homozygous DOCK2 mutations were subsequently independently identified in four additional research groups in US, Austria, and France. All patients showed profound lymphopenia with defective B, T and NK cell responses, and invasive viral and bacterial infections that were fatal without stem cell transplantation.

Finally, a patient with anemia and combined deficiency of granulocytes, B cells and dendritic cells was studied. She presented with severe early-onset bacterial and herpetic infections and stressinduced hypoglycemic episodes. She was found to harbor compound heterozygous mutations in HYOU1, an endoplasmic reticulum chaperone, and the mutations altered HYOU1 substrate binding specificity. The defective HYOU1 function compromised the redox balance in patient neutrophils and skin fibroblasts, and led to altered endoplasmic reticulum stress response.

This study shows that next generation sequencing tools such as exome sequencing are powerful in PIDD diagnostics. With these techniques it is possible to identify causal variants even in situations where only a single individual is affected. The results show that monogenic immunological conditions have considerable phenotypic variation even between patients with similar gene defects. The study also identifies novel genes with previously undescribed roles in human immunity, and broadens the general understanding of human immunobiology.

Primaarinen immuunipuutos (Primary immunodeficiency disease, PIDD) käsittää joukon kliinisesti ja immunologisesti heterogeenisiä tautitiloja, jotka periytyvät mendelöivästi. Noin 300 geeniä on yhdistetty niiden kehittymiseen. Ilmiasut vaihtelevat kapeakirjoisesta herkkyydestä tietylle patogeenille (esim. herpesenkefaliitti) laajaan ja vaikeaan infektioherkkyyteen tai yleistyneeseen autoimmuniteettiin. Immuunivajavuuksien diagnostinen haaste on, että saman geenin mutaatiot voivat tehdä hyvin erityyppisiä kliinisiä ilmiasuja samankin perheen jäsenelle. Toisaalta samankaltaisen taudin voi aiheuttaa hyvin monta eri geenivirhettä. Tyypillinen geenidiagnostiikka, jossa diagnoosia etsitään yhdestä geenistä kerrallaan, on näin ollen taudeissa vaikeaa.

Tässä tutkimuksessa on kuvattu kolme geneettiseltä pohjaltaan uudenlaista immuunipuutosta: STAT3 -proteiinin ylitoiminnan aiheuttama monen elimen autoimmuniteettioireyhtymä, sekä DOCK2- ja HYOU1 -puutoksen aiheuttama yleistynyt infektioherkkyys (ns. yhdistelmäimmuunivajavuus). Geenimuutokset löydettiin eksomisekvensoinnilla.

Tutkimuksen ensimmäisessä ja toisessa osassa kuvataan kuuden potilaan kohortti, jossa kliinisenä kuvana on monen elimen autoimmuniteetti, hypogammaglobulinemia ja lymfoproliferaatio. Yhdellä potilaalla on lisäksi teini-iässä alkanut mykobakteeritauti. Kolme potilaista karakterisoitiin immunologisesti. Kaikilla on perifeerinen eosinopenia yhdistettynä luuydineosinofiliaan, Th17- solupuutos, NK-solupuutos, ja dendriittisolupuutos. Kahdella potilaalla on säätelijä-T-solujen (Treg) puutos. Yksi potilaista kehitti LGL (large granular lymphocyte) -leukemian teini-iässä, ja toisella oli LGL-soluja luuytimessä ilman kliinistä tautia. Kaikilla on STAT3 -proteiinissa aminohappomuutos, joka lisää proteiinin transkriptionaalista aktiivisuutta lusiferaasireportterilla mitattuna.

Tutkimuksen kolmannessa osassa löydettiin DOCK2-geenin resessiiviset mutaatiot suomalaiselta lapselta, jonka oireena olivat invasiiviset virus- ja mykobakteeri-infektiot sekä lievä hematologinen autoimmuniteetti. Samoihin aikoihin neljä samanlaista potilasta identifioitiin itsenäisesti myös Yhdysvalloissa, Ranskassa ja Itävallassa, ja kohortti julkaistiin yhtenäisenä tutkimuksena. Kaikilla potilailla oli selkeä lymfopenia sekä puutteellinen T- B- ja NK-solutoiminta. Tauti on fataali ilman kantasolusiirtoa.

Viimeisessä osassa kuvataan vaikeista bakteeri- ja herpesinfektoista sekä lapsuusiän toistuvista hypoglykemioista kärsivä potilas. Immunologisesti potilaalla todettiin syvä granulosytopenia, anemia, B- ja dendriittisolupuutos. Potilaalla todettiin HYOU1-geenin resessiiviset mutaatiot, joiden osoitettiin johtavan epänormaaleihin proteiini-interaktiohin. Potilaan neutrofiilinen ja fibroblastien hapetustasapaino oli epänormaali, ja solulimakalvoston stressivaste poikkeava.

Tutkimus osoittaa, että uudet sekvensointimenetelmät kuten eksomisekvensointi soveltuvat hyvin immuunivajavuuksien diagnostiikkaan. Näillä menetelmillä on mahdollista löytää geenimuutos tapauksissa, joissa affisioituneita on vain yksi. Tutkimus vahvistaa kliinisen toteaman, jonka mukaan immuunivajavuuksien kliininen kuva on hyvin vaihteleva. Tutkimus on lisäksi löytänyt geenejä, joita ei aiemmin ole yhdistetty immunologiaan tai ihmisen immunologisiin häiriöihin, ja laajentaa näin ymmärrystämme immuunijärjestelmän toiminnasta.