Genetic investigation of inherited cardiac diseases in Cypriot patients

Abstract

Inherited cardiac diseases represent a highly heterogeneous group of conditions with a genetic etiology, in which the heart is affected showing structural, functional and electrical abnormalities. In general, they are considered as Mendelian disorders, whereby a single genetic defect is sufficient to cause the disease. Pathogenic variants in genes expressed in the cardiomyocytes of the cardiac muscle, are known to cause a diverse spectrum of inherited cardiac disorders, ultimately leading to heart failure, arrythmias and sudden cardiac death. Objective: This study focused on genetic testing of Cypriot patients with a clinical diagnosis of an inherited form of a heart condition, and at-risk family members. Due to the broad clinical and genetic heterogeneity of these diseases, targeted Next Generation Sequencing can be a helpful tool in genetic investigations. Methods: We prepared a panel of 72 genes, pathogenic variants in which were shown to cause inherited cardiac diseases as recommended by published guidelines and literature. We aimed to develop a robust approach for efficient identification of the exact molecular defect using the Next-Generation Sequencing technology. Genomic DNA was isolated from whole blood of 62 probands with cardiac diseases and massive parallel DNA sequencing was performed. The detected variants were analysed, and their pathogenicity was predicted by different computational approaches, databases, literature and by an in-house filtering analysis. All filtered variants were validated using Sanger DNA analysis. Familial segregation was also tested when possible. Results: We analysed the genetic data of probands belonging to 51 families with cardiomyopathies and 11 families with arrhythmias. From the 51 families with cardiomyopathies, we identified 87 different DNA variants, out of which 62 were novel. The 87 variants were classified as follows: 64 (73.6%) as variants of uncertain significance, 11 (12.6%) as likely-pathogenic, and 12 (13.8%) as pathogenic. From the 11 families with arrhythmias, we identified 18 DNA variants, out of which 12 were novel. We classified the 18 variants as follows: 13 (72%) as variants of uncertain significance, two (11%) as likely-pathogenic, and three (17%) as pathogenic. Conclusions: We genetically characterized families with a cardiac phenotype. The results suggest that in some families, the co-inheritance of multiple genetic variants may cause disease. However, in some cases, the genetic heterogeneity and the multiplicity of candidate variants make the definite molecular diagnosis challenging, especially when there is suspicion for incomplete penetrance or age-dependent penetrance. This is the first systematic study attempted in Cyprus for inherited cardiac conditions, enabling us to develop knowledge on the genetic basis of these diseases and guidelines for new therapeutic approaches.

Οι κληρονομικές καρδιακές παθήσεις αντιπροσωπεύουν μια εξαιρετικά ετερογενή ομάδα ασθενειών με γενετική αιτιολογία, στην οποία η καρδιά επηρεάζεται εμφανίζοντας δομικές, λειτουργικές και ηλεκτρικές ανωμαλίες. Γενικά, θεωρούνται ως μεντελιανές διαταραχές, όπου ένα μόνο γενετικό λάθος αρκεί για να προκαλέσει τη νόσο. Παθογόνες παραλλαγές σε γονίδια που εκφράζονται στα καρδιομυοκύτταρα του καρδιακού μυός, είναι γνωστό ότι προκαλούν ένα ποικίλο φάσμα κληρονομικών καρδιακών διαταραχών, που οδηγούν τελικά σε καρδιακή ανεπάρκεια, αρρυθμίες και αιφνίδιο καρδιακό θάνατο. Σκοπός: Η μελέτη αυτή επικεντρώθηκε στο γενετικό έλεγχο Κύπριων ασθενών με κλινική διάγνωση κληρονομικής μορφής καρδιακής πάθησης και μελών της οικογένειας που πιθανόν να βρίσκονται σε κίνδυνο. Λόγω της ευρείας κλινικής και γενετικής ετερογένειας των ασθενειών αυτών, η στοχευμένη αλληλούχηση επόμενης γενεάς μπορεί να είναι χρήσιμο εργαλείο στις γενετικές έρευνες. Μέθοδοι: Ετοιμάσαμε ένα πάνελ 72 γονιδίων, παθογόνες παραλλαγές στα οποία αποδείχθηκε ότι προκαλούν κληρονομικές καρδιακές ασθένειες, όπως προτείνεται από δημοσιευμένες οδηγίες και την βιβλιογραφία. Ο στόχος μας ήταν να αναπτύξουμε μια ισχυρή προσέγγιση για την αποτελεσματική ταυτοποίηση του ακριβούς μοριακού λάθους χρησιμοποιώντας την τεχνολογία αλληλούχησης επόμενης γενεάς. Το γενωμικό DNA απομονώθηκε από το ολικό αίμα 62 ασθενών με καρδιακές παθήσεις και πραγματοποιήθηκε μαζική παράλληλη αλληλούχηση DNA. Οι ανιχνευθείσες παραλλαγές αναλύθηκαν και η παθογονικότητά τους προβλέφθηκε από διαφορετικές υπολογιστικές προσεγγίσεις, βάσεις δεδομένων, την βιβλιογραφία και από μια δική μας ανάλυση φιλτραρίσματος. Όλες οι φιλτραρισμένες παραλλαγές επιβεβαιώθηκαν χρησιμοποιώντας την αλληλούχηση DNA κατά Sanger. Ο οικογενειακός διαχωρισμός ελέχθηκε, επίσης, όπου ήταν δυνατόν. Αποτελέσματα: Αναλύσαμε τα γενετικά δεδομένα ασθενών που ανήκαν σε 51 οικογένειες με μυοκαρδιοπάθειες και 11 οικογένειες με αρρυθμίες. Στις 51 οικογένειες με μυοκαρδιοπάθειες, εντοπίσαμε 87 διαφορετικές παραλλαγές DNA, από τις οποίες οι 62 ήταν νέες. Οι 87 παραλλαγές ταξινομήθηκαν ως εξής: 64 (73,6%) ως παραλλαγές αβέβαιης σημασίας, 11 (12,6%) ως πιθανώς παθογόνες και 12 (13,8%) ως παθογόνες. Στις 11 οικογένειες με αρρυθμίες, εντοπίσαμε 18 παραλλαγές DNA, από τις οποίες οι 12 ήταν νέες. Ταξινομήσαμε τις 18 παραλλαγές ως εξής: 13 (72%) ως παραλλαγές αβέβαιης σημασίας, δύο (11%) ως πιθανώς παθογόνες και τρεις (17%) ως παθογόνες. Συμπεράσματα: Χαρακτηρίσαμε γενετικά οικογένειες με καρδιακό φαινότυπο. Τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι σε ορισμένες οικογένειες, η συν-κληρονομικότητα πολλαπλών γενετικών παραλλαγών μπορεί να προκαλέσει ασθένεια. Ωστόσο, σε ορισμένες περιπτώσεις, η γενετική ετερογένεια και η πολλαπλότητα των υποψήφιων παραλλαγών καθιστούν την μοριακή διάγνωση δύσκολη, ειδικά όταν υπάρχει υποψία για ατελή διεισδυτικότητα ή διεισδυτικότητα εξαρτώμενη από την ηλικία. Αυτή είναι η πρώτη συστηματική μελέτη που επιχειρείται στην Κύπρο για κληρονομικές καρδιακές παθήσεις, δίνοντάς μας τη δυνατότητα να αναπτύξουμε γνώσεις για την γενετική βάση των ασθενειών αυτών καθώς και κατευθυντήριες γραμμές για νέες θεραπευτικές προσεγγίσεις.