Article

Mutations in the Translated Region of the Lactase Gene (LCT) Underlie Congenital Lactase Deficiency

Department of Molecular Medicine, National Public Health Institute, Helsinki, Finland.
The American Journal of Human Genetics (Impact Factor: 10.99). 02/2006; 78(2):339-44. DOI: 10.1086/500053
Source: PubMed

ABSTRACT Congenital lactase deficiency (CLD) is a severe gastrointestinal disorder characterized by watery diarrhea in infants fed with breast milk or other lactose-containing formulas. We initially assigned the CLD locus by linkage and linkage disequilibrium on 2q21 in 19 Finnish families. Here we report the molecular background of CLD via characterization of five distinct mutations in the coding region of the lactase (LCT) gene. Twenty-seven patients out of 32 (84%) were homozygous for a nonsense mutation, c.4170T-->A (Y1390X), designated "Fin(major)." Four rare mutations--two that result in a predicted frameshift and early truncation at S1666fsX1722 and S218fsX224 and two point mutations that result in substitutions Q268H and G1363S of the 1,927-aa polypeptide--confirmed the lactase mutations as causative for CLD. These findings facilitate genetic testing in clinical practice and enable genetic counseling for this severe disease. Further, our data demonstrate that, in contrast to common adult-type hypolactasia (lactose intolerance) caused by a variant of the regulatory element, the severe infancy form represents the outcome of mutations affecting the structure of the protein inactivating the enzyme.

Download full-text

Full-text

Available from: Erkki Savilahti, Feb 03, 2014
0 Followers
 · 
136 Views
  • Source
    [Show abstract] [Hide abstract]
    ABSTRACT: Adult-type hypolactasia (primary lactose malabsorption, lactase non-persistence) is the most common enzyme deficiency worldwide, and manifests with symptoms of lactose intolerance such as abdominal pain, gas formation and diarrhea. In humans with adult-type hypolactasia, lactase activity is high at birth, but declines during childhood to about one-tenth of the activity at birth. In 2002, a one base polymorphism C/T-13910, located 14 kilobases from the starting codon of the lactase-phlorizin hydrolase (LPH) gene was observed to be associated with the persistence of lactase activity. The T-13910 allele (C/T-13910 and T/T-13910 genotypes) associates with persistence of lactase activity throughout life, whereas the C/C-13910 genotype associates with adult-type hypolactasia. In this thesis work, the timing and mechanism of decline of lactase enzyme activity during development was studied using the C/T-13910 polymorphism as a molecular marker. We observed an excellent correlation between low lactase activity and the C/C-13910 genotype in all subjects > 12 years of age, irrespective their ethnicity. In children of African origin, the lactase activity declined somewhat earlier than among Finnish children. Furthermore, we observed an increasing imbalance in the relative lactase mRNA expression from the C-13910 and T-13910 alleles in Finnish children beginning from five years of age. The genetic test for adult-type hypolactasia showed a sensitivity of 93% and a specificity of 100% in the Finnish children and adolescents > 12 years of age. The relation of milk consumption and the milk-related abdominal complaints to the C/T-13910 genotypes associated with lactase persistence/non-persistence was studied by a questionnaire-based approach in > 2100 Finns. Both Finnish children and adults with the C/C-13910 genotype consumed significantly less dairy products compared to those with the C/T-13910 and T/T-13910 genotypes. Flatulence was the only of the abdominal symptoms of lactose intolerance that subjects with the C/C-13910 genotype reported significantly more often than those with the C/T-13910 and T/T-13910 genotypes. A minor proportion (<10%) of subjects with the C/C-13910 genotype, nevertheless, reported drinking milk without any symptoms afterwards. There was no association between cow's milk allergy starting as a newborn and adult-type hypolactasia. In an association study an increased risk of colorectal cancer was observed among those with molecular diagnosis of adult-type hypolactasia. It warrants further studies to clarify whether the increased risk observed in the Finnish population is associated with lactose or decreased intake of dairy products in these subjects. Laktoosin imeytymishäiriö: perimästä ilmiasuun Laktoosin eli maitosokerin imeytymishäiriö on kaikille nisäkkäille tyypillinen ilmiö, joka johtuu laktoosia imeytyvään muotoon hajottavan laktaasi-entsyymin aktiivisuuden alenemisesta imeväisen suolen limakalvolla emon maidon tullessa tarpeettomaksi ravinnonlähteenä. Ihmiselle on vuosituhansia sitten tapahtunut mutaatio, jonka seurauksena osalla maapallon väestöstä laktaasin aktiivisuus säilyy suolessa läpi elämän. Tutkimusryhmämme tunnisti laktoosin imeytymishäiriöön liittyvän geenimuutoksen, yhden emäksen polymorfian C>T-13910 vuonna 2002. C/C-13910 perintötekijätyyppi (genotyyppi) liittyy laktoosin imeytymishäiriöön, kun taas C/T-13910 tai T/T-13910 -genotyyppisillä laktaasi-aktiivisuus säilyy korkeana läpi elämän. Suomalaisista 18%:lla on laktoosin imeytymishäiriö. Väitöskirjatyössäni tutkin normaaliin kehitykseen kuuluvan laktaasi-entsyymin aktiivisuuden laskun yhteyttä äskettäin tunnistettuun C/T-13910 emäsmuutokseen sekä muutoksen mekanismia. Töissämme totesimme C/C-13910 -genotyypin assosioituvan suolen matalaan laktaasi-aktiivisuuteen kaikilla yli 12-vuotiailla lapsilla etnisyydestä riippumatta. Suomalaislapsilla laktaasin aktiivisuus aleni 5-12 vuoden iässä ja afrikkalaista syntyperää olevilla ennen 8 vuoden ikää. Laktoosin imeytymishäiriön geenitestin sensitiivisyys yli 12-vuotiailla oli 93% ja spesifisyys 100%. Totesimme myös laktaasi-geenin lähetti-RNA:n tuoton C-13910 -alleelista vähenevän viidesosaan 4-6 vuoden iässä T-13910 alleeliin verrattuna, osoittaen näin geenimuutoksen osallistuvan laktaasi-aktiivisuuden alenemiseen transkription tasolla. Tutkimuksessa selvitimme myös maitotuotteiden käytön ja niiden aiheuttamien oireiden yhteyttä laktoosin imeytymishäiriön perintötekijätyyppeihin yli 2100 suomalaislapsen ja aikuisen aineistossa. Lapset ja aikuiset, joilla on C/C-13910 -genotyyppi, käyttivät merkitsevästi vähemmän maitotuotteita C/T-13910 ja T/T-13910 genotyyppisiin verrattuna. Klassisista laktoosi-intoleranssin oireista vain ilmavaivat olivat merkitsevästi yleisempiä C/C-13910 genotyyppisillä. Varhaislapsuudessa ilmenevän maitoallergian ja laktoosin imeytymishäiriön genotyypin välillä emme todenneet yhteyttä. Lisäksi tutkimuksessa selvitimme laktaasi-aktiivisuuden yhteyttä pakusuolensyövän syntyyn. Totesimme matalan laktaasi-aktiivisuuden määrittävän C/C-13910 genotyypin liittyvän suomalaisilla merkitsevästi kohonneeseen paksusuolensyövän riskiin, joskaan emme pystyneet erottelemaan, johtuiko havaintomme itse laktoosin imeytymishäiriöstä vai maitotuotteiden käytöstä. Laktosmalabsorption: från genotyp till fenotyp Malabsorption av mjölksocker, dvs. laktos, (vuxen-typs hypolaktasi) är karakteristiskt för alla däggdjur, och beror på att endast ungar som ammas uttrycker hög mängd av laktasenzym i tarmen för att kunna bryta ner laktos så att den kan absorberas. Enzymaktiviteten vid vuxen-typs hypolaktasi avtar successivt under uppväxten till ungefär 10-15% av aktiviteten vid födseln. Hos människan har det för årtusenden sedan skett en mutation som medförde att vissa individer uppvisar höga nivåer av laktas i tarmen även som vuxna. Vår forskningsgrupp upptäckte år 2002 denna mutation som är ett enbasparsutbyte C>T-13910 och är belägen 14 kb uppströms från genen som kodar för själva laktas-enzymet. Mutationen nedärvs recessivt, dvs individer med genotypen C/C-13910 har låg laktasaktivitet i tarmen medan individer med genotyperna C/T-13910 och T/T-13910 uttrycker hög mängd laktas även som vuxna. Av finländare har 18% laktosmalabsorption. I min doktorsavhandling studerade jag minskningen av laktasaktiviteten i tarmen m.h.a. den nyligen identifierade polymorfismen C>T-13910, och mekanismen hos denna nedgång. I delarbeten upptäckte vi att genotypen C/C-13910 är associerad med låg aktivitet av laktasenzymet i tarmen hos alla barn över 12 år, oberoende av deras etniska bakgrund. Hos finska barn skedde sänkningen vid 5-12 års ålder, och hos barn med afrikansk bakgrund före 8 års ålder. Sensitiviteten av gentestet för laktosmalabsorption var 93% och specificiteten 100% hos barn över 12 år. Vi konstaterade även att laktas budbärar-RNA:t som producerats av allelen C-13910 minskade till en femtedel vid 4-6 års ålder jämfört med det som producerats av T-13910 allelen, och bevisade med det här experimentet att polymorfismen associerar sig med regleringen av laktasaktiviteten på transkriptionsnivån. I den här studien undersökte vi även konsumtionen av mjölkprodukter och symptomen de orsakar i ett underlag på > 2100 finska barn och vuxna med hänsyn till deras C/T-13910 genotyper. Både barn och vuxna med genotypen C/C-13910 drack signifikant mindre mjölk jämfört med de med genotyperna C/T-13910 och T/T-13910. Av de klassiska symptomen förknippade med laktosintolerans rapporterades endast luftbesvären signifikant oftare av de med laktosmalabsorption. Någon association mellan mjölkallergi i barnåldern och laktosmalabsorption upptäckte vi inte. Våra forskningsresultat tyder även på en association mellan låg laktasaktivitet och tjocktarmscancer i den finska populationen. Eftersom vi inte hade möjlighet att studera mjölkkonsumtionen av deltagarna, har vi pågående studier som syftar till att reda ut den intagna laktosmängdens betydelse för uppkomsten av tjocktarmscancer.
  • Source
    [Show abstract] [Hide abstract]
    ABSTRACT: The rare autosomal recessive disease congenital chloride diarrhea (CLD) is caused by mutations in the solute carrier family 26 member 3 (SLC26A3) gene on chromosome 7q22.3-31.1. SLC26A3 encodes for an apical epithelial chloride-bicarbonate exchanger, the intestinal loss of which leads to profuse chloride-rich diarrhea, and a tendency to hypochloremic and hypokalemic metabolic alkalosis. Although untreated CLD is usually lethal in early infancy, the development of salt substitution therapy with NaCl and KCl in the late 1960s made the disease treatable. While the salt substitution allows normal childhood growth and development in CLD, data on long-term outcome have remained unclarified. One of the world s highest incidences of CLD 1:30 000 to 1:40 000 occurs in Finland, and CLD is part of the Finnish disease heritage. We utilized a unique sample of Finnish patients to characterize the long-term outcome of CLD. Another purpose of this study was to search for novel manifestations of CLD based on the extraintestinal expression of the SLC26A3 gene. This study on a sample of 36 patients (ages 10-38) shows that the long-term outcome of treated CLD is favorable. In untreated or poorly treated cases, however, chronic contraction and metabolic imbalance may lead to renal injury and even to renal transplantation. Our results demonstrate a low-level expression of SLC26A3 in the human kidney. Although SLC26A3 may play a minor role in homeostasis, post-transplant recurrence of renal changes shows the unlikelihood of direct transporter modulation in the pathogenesis of CLD-related renal injury. Options to resolve the diarrheal symptoms of CLD have been limited. Unfortunately, our pilot trial indicated the inefficacy of oral butyrate as well. This study reveals novel manifestations of CLD. These include an increased risk for hyperuricemia, inguinal hernias, and probably for intestinal inflammation. The most notable finding of this study is CLD-associated male subfertility. This involves a low concentration of poorly motile spermatozoa with abnormal morphology, high seminal plasma chloride with a low pH, and a tendency to form spermatoceles. That SLC26A3 immunoexpression appeared at multiple sites of the male reproductive tract in part together with the main interacting proteins cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) and sodium-hydrogen exchanger 3 (NHE3) suggests novel sites for the cooperation of these proteins. As evidence of the cooperation, defects occurring in any of these transporters are associated with reduced male fertility. Together with a finding of high sweat chloride in CLD, this study provides novel data on extraintestinal actions of the SLC26A3 gene both in the male reproductive tract and in the sweat gland. These results provide the basis for future studies regarding the role of SLC26A3 in different tissues, especially in the male reproductive tract. Fortunately, normal spermatogenesis in CLD is likely to make artificial reproductive technologies to treat infertility and even make unassisted reproduction possible. Synnynnäinen kloridiripuli on harvinainen peittyvästi periytyvä sairaus, joka aiheutuu kromosomissa 7q22.3-31.1 sijaitsevan SLC26A3-geenin virheistä. Geenivirheet johtavat suoliston tärkeimmän kloridi-bikarbonaattikuljettajan toiminnan häiriintymiseen. Suolojen ja veden imeytymisen estyminen aiheuttaa kloridiripulille tyypillisen ripulioireen ja johtaa henkeä uhkaaviin suola- ja happo-emästasapainon häiriöihin. Vaikka Suomessa 1960-luvun lopulla kehitetyn suolakorvaushoidon ansiosta potilaat jäivät ensimmäistä kertaa henkiin ja hoidon todettin mahdollistavan normaalin lapsuusiän kasvun ja kehityksen, taudin pitkäaikaisennusteesta ei ole ollut tietoa. Kloridiripuli kuuluu nk. suomalaiseen tautiperintöön ja taudin ilmaantuvuus Suomessa on yksi maailman korkeimmista, 1:30 000-1:40 000. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää synnynnäisen kloridiripulin pitkäaikaisennustetta ja etsiä uusia sairauden ilmenemismuotoja perustuen SLC26A3-geenin ilmenemiseen suoliston ulkopuolisissa kudoksissa. Tutkimuksemme osoittaa 36 suomalaisen 10-38-vuotiaan potilaan aineistossa, että suolakorvaushoito mahdollistaa kloridiripulin suotuisan pitkäaikaisennusteen. Riittämätön hoito saattaa kuitenkin johtaa munuaisvaurioon ja jopa munuaisensiirtoon. Vaikka havaitsimme SLC26A3-geenin ilmentymisen ihmisen munuaisessa, munuaisvaurion uusiutuminen munuaissiirteissä tukee suola- ja happoemästasapainon häiriön keskeistä merkitystä munuaisvaurion taustalla. Kloridiripuliin ei ole olemassa oireita helpottavaa hoitoa. Valitettavasti aiemmin yhdellä potilaalla hyödylliseksi havaittu butyraatti eli voihappo ei vaikuttanut ripulioireeseen suomalaispotilailla. Tutkimuksessamme löysimme uusia kloridiripuliin liittyviä ilmenemismuotoja. Taudin yhteydessä riski veren uraattipitoisuuksien kohoamiseen, nivustyrien muodostumiseen sekä tulehduksellisiin suolistosairauksiin on lisääntynyt. Merkittävin havainnoistamme oli kuitenkin kloridiripulia sairastavien miesten heikentynyt hedelmällisyys, johon liittyy siittiöiden vähäinen määrä ja niiden epänormaali muoto, siemennesteen korkea kloridipitoisuus ja matala happamuus sekä taipumus siemennestekystien muodostumiseen. Havaitsimme SLC26A3-proteiinin ilmentyvän miehen lisääntymiselimistössä osin yhdessä CFTR- sekä NHE3-proteiinin kanssa, joiden toimintahäiriöihin tiedetään liittyvän miesten hedelmättömyyttä. Koska osalla potilaista myös hien kloridipitoisuus oli koholla, tutkimuksemme tuottaa uutta tietoa SLC26A3-geenin toiminnasta sekä miehen lisääntymiselimistössä että ihon hikirauhasessa. Tässä väitöskirjassa esitetyt tulokset luovat perustaa jatkotutkimuksille selvitettäessä SLC26A3-geenin virheellisen toiminnan merkitystä eri kudoksissa, erityisesti miehen lisääntymiselimistössä. Onneksi normaali siittiönkehitys kloridiripulia sairastavilla miehillä mahdollistaa erilaiset hedelmöityshoidot ja jopa lisääntymisen ilman hedelmöityshoitoja.
  • Source
    [Show abstract] [Hide abstract]
    ABSTRACT: The longitudinal and transverse dynamics of a heavy ion fusion beam during the drift compression and final focus phase is studied. A lattice design with four time-dependent magnets is described that focuses the entire beam pulse onto a single focal point with the same spot size.
    Particle Accelerator Conference, 2003. PAC 2003. Proceedings of the; 06/2003