Genetic Contribution to Chronic Tinnitus in Patients with Meniere’s Disease and Tinnitus Extreme Phenotype (MD-TEP)

Abstract

Introduction: Tinnitus is the perception of noise in the absence of an external acoustic stimulation affecting more than15% of adult population. Severe tinnitus is observed in 1% of the general population. The genetic studies conducted in twins, adoptees and families support a significant heritability. Several studies selecting candidate genes have shown no consistent findings and the evidence to support a genetic contribution to tinnitus is weak and emphasis the need to select an appropriate tinnitus phenotype. Objectives: To identify the genes involved in the development and maintenance of severe tinnitus by selecting individuals with extreme phenotype for tinnitus using exome sequencing and gene burden analyses. The identification of potential pathways and biological processes will be carried out by gene ontology and gene-set enrichment analysis. Methods: Exomes of 59 Meniere disease patients with extreme tinnitus and 32 MD patients without severe tinnitus of Spanish ancestry as internal control were sequenced. For replication cohort, 97 Swedish patients with severe tinnitus were sequenced and a third dataset of 701 patients with genetic generalized epilepsy of European ancestry were included. Minor allele frequency of variants was compared with Non-Finnish European and Spanish reference data sets. Gene ontology and gene-set enrichment was performed to identify the pathways and biological processes. Results: We found an enrichment of rare missense variants in 24 synaptic genes in a Spanish cohort, the most significant being PRUNE2, AKAP9, SORBS1, ITGAX, ANK2, KIF20B and TSC2, when they were compared with reference datasets. This burden was replicated for ANK2 gene in a Swedish cohort with 97 tinnitus individual, and in a subset of 34 Swedish patients with severe tinnitus for ANK2, AKAP9 and TSC2 genes. In addition, the hypothesis-free data driven approach, gene burden analyses revealed ADGRV1 gene and also confirmed the excess of missense variants for ANK2 and TSC2 with tinnitus. However, these associations were not significant in the third cohort of 701 genetic generalized epilepsy individuals without tinnitus. Gene ontology (GO) and gene-set enrichment analyses showed several pathways and biological processes involved in severe tinnitus, including membrane trafficking and cytoskeletal protein binding in neurons. Conclusions: In this Thesis, the potential genes and pathways for severe tinnitus have been identified, suggesting the role of synaptic genes and axon initial branching in the development and maintenance of severe tinnitus. These results could be beneficial for future genetic studies of tinnitus.

Introducción: El acúfeno es la percepción de ruido en ausencia de una estimulación acústica externa que afecta a más del 15% de la población adulta. El acúfeno severo está presente en el 1% de la población general. Los estudios genéticos realizados en gemelos, adoptados y familias avalan una heredabilidad significativa. Varios estudios que seleccionaron genes candidatos no han mostrado hallazgos consistentes y la evidencia que respalda una contribución genética al acúfeno es débil y enfatiza la necesidad de seleccionar el fenotipo de acúfeno apropiado. Objetivos: Identificar los genes implicados en el desarrollo y mantenimiento del acúfeno severo mediante la selección de individuos con fenotipo extremo para acúfeno mediante secuenciación del exoma y análisis de carga génica. La identificación de posibles vías y procesos biológicos se llevará a cabo mediante análisis de ontología genética y análisis de enriquecimiento de conjuntos de genes. Métodos: Los exomas de 59 pacientes con enfermedad de Meniere (EM) y fenotipo extremo para acúfenos, y 32 pacientes con EM sin acúfeno grave de ascendencia española fueron secuenciados como control interno. Para la cohorte de replicación, se secuenciaron 97 pacientes suecos con acúfeno severo y se reclutó un tercer conjunto de datos de 701 pacientes con epilepsia genética generalizada de ascendencia europea. La frecuencia de alelos menores de las variantes se comparó con conjuntos de datos de referencia españoles y europeos no finlandeses. Se realizó un análisis de ontología genética y un enriquecimiento de conjuntos de genes para identificar las vías y los procesos biológicos. Resultados: Encontramos un enriquecimiento de variantes raras sin sentido en 24 genes sinápticos en la cohorte española, siendo los más significativos PRUNE2, AKAP9, SORBS1, ITGAX, ANK2, KIF20B y TSC2, cuando se compararon con conjuntos de datos de referencia. Esta carga se replicó para el gen ANK2 en la cohorte sueca con 97 individuos con acúfeno y en un subconjunto de 34 pacientes suecos con acúfeno severo para los genes ANK2, AKAP9 y TSC2. Además, en el enfoque basado en datos sin hipótesis, los análisis de carga genética revelaron el gen ADGRV1 y también confirmaron el exceso de variantes sin sentido para ANK2 y TSC2 en pacientes con acúfeno. Sin embargo, estas asociaciones no fueron significativas en la tercera cohorte de 701 individuos con epilepsia generalizada sin acúfeno. La ontología genética (GO) y los análisis de enriquecimiento de conjuntos de genes mostraron varias vías y procesos biológicos involucrados en el acúfeno severo, incluido el transporte a través de membranas y la unión de proteínas del citoesqueleto en las neuronas. Conclusiones: En esta tesis, se han identificado los genes y las potenciales vías del acúfeno severo, lo cual sugiere que los genes sinápticos y la ramificación inicial del axón juegan un importante papel en el desarrollo y mantenimiento del acúfeno severo. Estos resultados podrían ser beneficiosos para futuros estudios genéticos del acúfeno.