Clinical and Functional Characterization of Genetic Hearing Loss Caused by Variants in Transcription Factors

Abstract

감각신경성 난청은 가장 흔한 감각질환으로, 소아 감각신경성 난청 환자의 절반 이상에서 유전성 난청으로 진단된다. 난청을 일으키는 150여 개 이상의 유전자가 발견되었고, 최근에는 난청 유전자의 내이 내 병인 메커니즘과 시간적 공간적 발현정보를 기반으로 한 유전성 난청의 기능적 분류가 제시되었다. 난청 유전자의 기능적 분류 중 한 부분인 전사인자는 일반적으로 특정 DNA 서열을 인식하며 특정 유전자의 전사와 발현을 조절한다. 인간에서 1600개 이상의 전사인자가 알려져 있고, 전사인자 유전자의 돌연변이 발생은 다양한 질병을 야기한다. 하지만, 난청과 관련된 전사인자 유전자의 임상 표현형, 유전형 및 분자유전학적 메커니즘에 대해서는 잘 알려져 있지 않다. 본 연구에서는 1,280 유전성 난청 가계의 데이터베이스를 이용하여 유전형 및 임상 표현형을 분석을 시행하였다. 약 2.6%에서 전사인자 유전자의 돌연변이에 의한 비증후군성 난청으로 진단되었다. 특이적으로, 네 개의 전사인자 유전자 (POU3F4, POU4F3, LMX1A, EYA4)의 돌연변이가 비증후군성 난청을 유발하였고 이는 비증후군성 난청과 관련된 전사인자 유전자의 스펙트럼은 매우 국한되어 있음을 제시한다. 전사인자에 의한 기능적 분류에 따른 유전성 난청의 유전형과 표현형 지도를 제작한 결과, 그동안 잘 알려져 있지 않은 전사인자 유전자 LMX1A의 돌연변이는 비대칭성 난청 표현형과 유의한 연관성이 있음을 확인하였다. 마지막으로, 성인의 유전성 난청의 대표적 전사인자 유전자인 POU4F3의 신규 돌연변이를 확인하였고 기능 분석에 따른 다양한 분자유전학적 메커니즘을 제시하였다. 또한, 환자 세포주를 이용한 전사체 분석을 통해 POU4F3의 돌연변이는 내이 발달과 관련된 14개의 표적 유전자의 발현을 조절함을 확인하였다. 종합하면, 본 연구를 통해 비증후군성 난청을 유발하는 전사인자 유전자 지도를 제시하였고 최초로 LMX1A 전사인자 유전자와 비대칭성 난청의 연관성에 대해 보고하였으며 기능분석을 통해 전사활성에 영향을 미치는 POU4F3 돌연변이의 다양한 병인 메커니즘 및 내이 발달과 관련된 표적 유전자를 확인하였다. 난청 유전자의 기능적 분류를 통해 향후 기존 연구에서 정의되지 않은 새로운 유전형-표현형 상관성을 규명하고 유전성 난청을 위한 표적 약물 및 유전자 치료 개발에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.

Sensorineural hearing loss is one of the most common hereditary sensory disorders. With recent developments in genomics, over 150 deafness genes have been identified and functional classifications of genetic hearing loss, based on the molecular mechanisms and the spatiotemporal expression in the inner ear, are currently being developed. The functional assignments of genetic hearing loss have elucidated the natural course of residual hearing, revealed genotype-phenotype correlations, and facilitated the development of target drug and gene therapy. Transcription factors (TFs) recognize specific DNA sequences to control transcription by forming a complex that guides genome expression. More than 1,600 human TFs have been documented, and their TF variants have been implicated in diverse human diseases. Transcriptional regulation, one of the functional classifications of genetic hearing loss, also serves a critical role in developing and maintaining hearing function. However, only a handful of TF variants known to cause hearing loss are currently understood, with their clinical phenotypes, genotypes, and molecular mechanisms in the context of hearing loss remaining poorly defined. Here, this study aimed to elucidate the clinical phenotypes and genotypes of non-syndromic hearing loss resulting from pathogenic variants in TF genes. The DNA of 1280 probands was subjected to molecular genetic testing, and 720 probands with disease-causing variants were identified. Ultimately, 33 probands (2.6%) had non-syndromic hearing loss caused by pathogenic variants in TF genes. The genetic landscape was exclusively clustered in only four TF genes (POU3F4, POU4F3, LMX1A, and EYA4), indicating a narrow molecular etiologic spectrum. Specifically, the phenotype-genotype analysis of the four TF genes showed that LMX1A-associated deafness is characterized by asymmetric hearing loss. This study also presented diverse functional aspects of novel POU4F3 variants and identified 14 downstream target genes associated with inner ear development using patient-derived lymphoblastoid cell lines. The transcriptome profiles of patient-derived lymphoblastoid cells showed a significant correlation with cochlear hair cells, providing a breakthrough for cases where human cochlear sample collection was unfeasible. Collectively, the results of this study present the phenotype-genotype map of TF variants underlying non-syndromic hearing loss, including the asymmetric hearing loss phenotype underlying LMX1A-associated DFNA7, and refine previously proposed molecular mechanisms underlying POU4F3-associated DFNA15.