Clinical Characterization and AlphaFold2-Based Structural Analysis of Novel Biallelic KARS1 Variants Causing Nonsyndromic Hearing Loss (DFNB89) = 비증후군성난청(DFNB89)을 유발하는 새로운 KARS1 이형접합 변이의 임상적 특징과 AlphaFold2에 기반한 단백질 구조 분석

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Introduction: The KARS1 gene encodes lysyl-tRNA synthetase (LysRS), an enzyme that catalyzes lysine’s attachment to its cognate tRNA. Pathogenic variants in KARS1 have been associated with a broad spectrum of phenotypes ranging from autosomal recessive nonsyndromic hearing loss (DFNB89) to a variety of neurological diseases. A family with two affected individuals presenting with nonsyndromic profound congenital hearing loss was diagnosed with novel compound heterozygous variants in KARS1 ([NM_005548.3] c.1357G>C (p.Glu453Gln), c.1513C>G (p.Pro505Ala)).
Methods: The clinical characteristics of the two affected individuals were evaluated, including postoperative speech outcomes following cochlear implantation. Structural analyses of the mutant protein models were performed by examining the mutation sites in relation to functional domains and predicting the impact of the amino acid residue substitutions. The mutant proteins were compared with the wild-type protein in both monomeric and dimeric forms.
Results: The two probands showed nonsyndromic profound congenital hearing loss (DFNB89). Cochlear implant results were favorable in both probands, with CAP (Categories of Auditory Perception) scores reaching 7 within a year postoperatively. The E453Q mutation eliminates a negative charge near the ATP/Mg2+ binding pocket, potentially altering the binding affinity and thereby affecting the catalytic efficiency of LysRS. The P505A mutation resulted in a loss of a weak hydrogen bond between two subunits of a homodimeric LysRS, indicating a potential change in LysRS’s oligomeric status. Superimposition of wild-type and variant proteins revealed no significant structural deviation.
Conclusion: Structural analysis of wild-type and mutant LysRS provides a valuable insight into the possible pathogenic mechanisms of the mutants. Further functional studies are warranted to validate the proposed mechanisms.

국문 초록 (Abstract)

서론: KARS1 유전자는 lysine 아미노산을 해당 전이 RNA(tRNA)에 결합시키는 효소인 lysyl-tRNA synthetase (LysRS)의 생성에 관여한다. KARS1의 변이는 상염색체 열성 비증후군성 난청(DFNB89)부터 다양한 신경계 질환에 이르기까지 폭넓은 임상적 표현형을 지닌 것으로 보고되어 왔다. 본 연구에서는 고도의 비증후군성 선천성 난청을 보이는 두 명의 환자가 포함된 한 가계에서 KARS1 [NM_005548.3]의 새로운 복합 이형접합 변이 (c.1357G>C (p.Glu453Gln), c.1513C>G (p.Pro505Ala)(het))를 확인하였다.
연구 방법: 두 환자의 임상적 특징(과거력, 청력, 인공와우 삽입술 후 언어능력 결과 등)을 정리하였다. 또한 변이 단백질 모델에 대한 구조 분석을 진행하여, 단백질 도메인 기준에서의 변이의 위치를 분석하였으며 아미노산 잔기 치환으로 인한 구조적·기능적 영향을 예측하였다. 변이 단백질의 구조모델을 단량체 및 이합체 형태 모두에서 wild-type 단백질 구조모델과 비교 분석하였다.
결과: 두 환자 모두 고도의 비증후군성 선천성 난청(DFNB89)을 보였다. 인공와우 삽입술 후 언어능력 결과는 두 환자 모두 수술 후 1년 이내 CAP (Categories of Auditory Perception) score가 7점에 도달할 정도로 우수하였다. E453Q 변이는 ATP/Mg2+의 결합위치 인근에서 음전하를 소실시키는 아미노산 치환으로, 결합 친화도의 변화를 유발하여 LysRS의 효율에 영향을 미칠 수 있을 것으로 생각된다. P505A 변이는 LysRS 이합체를 구성하는 두 subunit간의 수소결합을 소실시켜, LysRS의 이합체/다합체 비율 변화 가능성을 시사하였다. Wild-type 단백질과 변이 단백질의 구조를 중첩시켜 비교해본 결과, 전반적으로 구조의 유의미한 차이는 관찰되지 않았다.
결론: LysRS의 wild-type 및 변이 단백질에 대한 구조분석은 KARS1 변이가 질병을 유발하는 병적 기전을 이해하는데 중요한 단서를 제공하였다. 다만, 제시된 기전을 명확히 규명하기 위해서는 추가적인 functional study가 필요하겠다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Study Background
• 1.2 Purpose of Research
• Chapter 2. Materials and Methods 5
• 2.1 Subjects
• 2.2 Clinical Evaluation
• 2.3 Molecular Genetic Testing
• 2.4 Protein Structure Modeling and Analysis
• Chapter 3. Results 9
• 3.1 Clinical Information of Probands
• 3.2 Molecular Genetic Testing
• 3.3 Postoperative Outcome
• 3.4 Protein Structure Modeling and Analysis
• Chapter 4. Discussion 15
• Chapter 5. Conclusion 20
• Figures & Tables 21
• Bibliography 35
• Abstract in Korean 39