Non-coding variants disrupting a tissue-specific regulatory element in HK1 cause congenital hyperinsulinism

• DOI: 10.1038/s41588-022-01204-x
• Publication Date: 2022-11-04T17:04:58Z
• Authors: Matthew N. Wakeling; Nick D. L. Owens; Jessica R. Hopkinson; Matthew B. Johnson; Jayne A. L. Houghton; Antonia Dastamani; Christine S. Flaxman; Rebecca C. Wyatt; Thomas I. Hewat; Jasmin J. Hopkins; Thomas W. Laver; Rachel van Heugten; Michael N. Weedon; Elisa De Franco; Kashyap A. Patel; Sian Ellard; Noel G. Morgan; Edmund Cheesman; Indraneel Banerjee; Andrew T. Hattersley; Mark J. Dunne; ; Ivo Barić; Liat de Vries; Samar S. Hassan; Khadija Nuzhat Hu...; Floris Levy-Khademi; Catarina Limbert; Birgit Rami-Merhar; Verónica Mericq; Kristen Neville; Yasmine Ouarezki; Ana Tangari; Charles Verge; Esko Wiltshire; Sarah J. Richardson; Sarah E. Flanagan
• Keywords: Congenital hyperinsulinism

La expresión génica está estrechamente regulada, y muchos genes exhiben silenciamiento específico de la célula cuando su producto proteico alteraría la función celular normal1. Este silenciamiento está controlado en gran medida por elementos no codificantes, y su interrupción podría causar enfermedades humanas2. Realizamos un cribado agnóstico genético de las regiones no codificantes para descubrir nuevas causas moleculares del hiperinsulinismo congénito. Esto identificó 14 variantes de novo no codificantes que afectan a una región conservada de 42 pb abarcada por un elemento regulador en el intrón 2 del gen de la hexoquinasa 1 (HK1). HK1 se expresa ampliamente en todos los tejidos excepto en el hígado y las células beta pancreáticas y, por lo tanto, se denomina "gen no permitido" en estos tejidos específicos. Demostramos que las variantes resultan en una pérdida de la represión de HK1 en las células beta pancreáticas, causando así la secreción de insulina y el hiperinsulinismo congénito. Utilizando datos epigenómicos a los que se accede desde repositorios públicos, demostramos que estas variantes residen dentro de una región reguladora que determinamos que es crítica para el silenciamiento específico de la célula. Es importante destacar que esto ha revelado un mecanismo de enfermedad para las variantes no codificantes que causan la expresión inapropiada de un gen no permitido. Las variantes de novo que alteran una región conservada en un intrón de HK1 causan hiperinsulinismo congénito al perturbar la actividad de un supuesto elemento regulador específico del tipo celular.<br/>L'expression des gènes est étroitement régulée, de nombreux gènes présentant un silençage spécifique aux cellules lorsque leur produit protéique perturberait la fonction cellulaire normale1. Ce silence est en grande partie contrôlé par des éléments non codants, et leur perturbation pourrait causer des maladies humaines2. Nous avons effectué un dépistage génétique des régions non codantes pour découvrir de nouvelles causes moléculaires de l'hyperinsulinisme congénital. Cela a permis d'identifier 14 variants de novo non codants affectant une région conservée de 42 pb englobée par un élément régulateur dans l'intron 2 du gène de l'hexokinase 1 (HK1). HK1 est largement exprimé dans tous les tissus sauf dans les cellules bêta du foie et du pancréas et est donc appelé « gène non autorisé » dans ces tissus spécifiques. Nous avons démontré que les variants entraînent une perte de répression de HK1 dans les cellules bêta pancréatiques, provoquant ainsi la sécrétion d'insuline et l'hyperinsulinisme congénital. À l'aide de données épigénomiques accessibles à partir de référentiels publics, nous avons démontré que ces variants résident dans une région réglementaire que nous jugeons essentielle pour le silençage spécifique aux cellules. Il est important de noter que cela a révélé un mécanisme pathologique pour les variants non codants qui provoquent une expression inappropriée d'un gène non autorisé. Les variants de novo modifiant une région conservée dans un intron de HK1 provoquent un hyperinsulinisme congénital en perturbant l'activité d'un élément régulateur putatif spécifique au type cellulaire.<br/>التعبير الجيني منظم بإحكام، حيث تُظهر العديد من الجينات إسكاتًا خاصًا بالخلايا عندما يؤدي منتجها البروتيني إلى تعطيل الوظيفة الخلوية الطبيعية1. يتم التحكم في هذا الصمت إلى حد كبير من قبل عناصر غير مشفرة، وقد يتسبب تعطيلها في الإصابة بالأمراض البشرية2. أجرينا فحصًا جينيًا للمناطق غير المشفرة لاكتشاف الأسباب الجزيئية الجديدة لفرط الأنسولين الخلقي. حدد هذا 14 متغيرًا جديدًا غير مشفر يؤثر على منطقة محفوظة 42 - bp يشملها عنصر تنظيمي في الإنترون 2 من جين هيكسوكيناز 1 (HK1). يتم التعبير عن HK1 على نطاق واسع عبر جميع الأنسجة باستثناء خلايا بيتا الكبد والبنكرياس، وبالتالي يطلق عليه "جين غير مسموح به" في هذه الأنسجة المحددة. أظهرنا أن المتغيرات تؤدي إلى فقدان قمع HK1 في خلايا بيتا البنكرياس، مما تسبب في إفراز الأنسولين وفرط الأنسولين الخلقي. باستخدام البيانات اللاجينية التي تم الوصول إليها من المستودعات العامة، أظهرنا أن هذه المتغيرات موجودة داخل منطقة تنظيمية نقرر أنها حاسمة لإسكات الخلايا المحددة. الأهم من ذلك، أن هذا قد كشف عن آلية مرضية للمتغيرات غير المشفرة التي تسبب تعبيرًا غير مناسب عن جين غير مسموح به. تسبب المتغيرات الجديدة التي تغير المنطقة المحفوظة في إنترون HK1 فرط الأنسولين الخلقي عن طريق اضطراب نشاط عنصر تنظيمي خاص بنوع الخلية المفترض.<br/>Gene expression is tightly regulated, with many genes exhibiting cell-specific silencing when their protein product would disrupt normal cellular function1. This silencing is largely controlled by non-coding elements, and their disruption might cause human disease2. We performed gene-agnostic screening of the non-coding regions to discover new molecular causes of congenital hyperinsulinism. This identified 14 non-coding de novo variants affecting a 42-bp conserved region encompassed by a regulatory element in intron 2 of the hexokinase 1 gene (HK1). HK1 is widely expressed across all tissues except in the liver and pancreatic beta cells and is thus termed a 'disallowed gene' in these specific tissues. We demonstrated that the variants result in a loss of repression of HK1 in pancreatic beta cells, thereby causing insulin secretion and congenital hyperinsulinism. Using epigenomic data accessed from public repositories, we demonstrated that these variants reside within a regulatory region that we determine to be critical for cell-specific silencing. Importantly, this has revealed a disease mechanism for non-coding variants that cause inappropriate expression of a disallowed gene. De novo variants altering a conserved region in an intron of HK1 cause congenital hyperinsulinism by perturbing the activity of a putative cell type-specific regulatory element.<br/>