4
2
4344 1 15 0203.40,5
IV 1
V
affected male
female carrier, examined
affected by history, not examined probable female carrier, not examined
7-9
0 7
Abbildung 6: Stammbaum einer Familie mit Pelizaeus-Merzbacher-Patienten MEDIZIN
ist defekt, woraus sich die neurologi- schen Symptome erklären lassen.
Diese Beispiele veranschauli- chen die verheerende Wirkung ei- nes einzelnen Nukleotidaustausches und gleichzeitig die Möglichkeiten der Diagnostik und Präventivmedi- zin, die sich durch die molekulare Neurobiologie eröffnen. In diesem kurzen Abriß, der nur einen ersten Einblick in die Möglichkeiten ver- mittelt, die die neurobiologische Grundlagenforschung durch die An- wendung der molekularbiologischen Techniken in die Diagnostik neuro- logischer und bald auch psychiatri- scher Erkrankungen einbringt, drän- gen sich unausweichlich Fragen auf, die in den ethischen Bereich hin- überreichen.
Wir befinden uns in einer Zeit, in der die rapide wachsende geneti- sche Information in der Medizin zu einer raschen und exakten Diagnose führt und in der sich ein nicht abzu- sehendes Potential für neue thera- peutische Strategien entwickelt.
Die Diagnostik genetischer Krankheiten verbessert sich dabei sehr viel rascher als unsere Möglich- keiten der Therapie. Schwierige ethi- sche Fragen harren ihrer dringenden Lösung: wie gehen wir mit persönli- chen genetischen Informationen be- züglich Prädisposition und der Prä- diktion genetischer Krankheiten um, Fragen zur Vertraulichkeit im weite- sten Sinne sowie zur pränatalen Dia- gnostik und Intervention, um hier nur einige zu nennen.
Der Segen, der vom Fortschritt in Molekularbiologie und Genetik ausgeht, muß durch Antworten auf diese Fragen so begleitet werden, daß er nicht zum Trauma für das In- dividuum und für die ganze Gesell- schaft wird.
Die molekularen Neurowissenschaften bedürfen des Tiermodells genetisch bedingter Krankheiten des Zentralnervensystems Die humanen molekularen Neu- rowissenschaften experimentieren nur streng innerhalb der enggesteck-
AKTUELL
ten ethischen Grenzen. Um so be- deutsamer sind für den Fortschritt, der auf der molekular-ätiologischen Seite im wesentlichen von den Ergeb- nissen der Molekularbiologie als Ar- beitsrichtung der Neurowissenschaf- ten getragen wird, die Verfügbarkeit von Tiermodellen neurologischer Krankheiten, wie sie die Natur zufäl- lig liefert oder aber im Tiermodell
nun mit Hilfe der Technik des „gene targeting" mittels homologer Rekom- bination gezielt etabliert werden können. Homologe Rekombination erlaubt die präzise, ortsspezifische Integration eines gezielt mutierten Gens oder die Ausschaltung eines je- den Gens, dessen Funktion unter- sucht werden soll, und schließt die ungesteuerte statistische Integration in das Genom aus.
Bei Kenntnis der Genstruktur und der Mutation bedarf es nur noch des exerimentellen Geschicks, jede genetisch bedingte Erkrankung im Tiermodell zu erstellen.
Diese Modelle erlauben dann ein detailliertes Studium diagnosti- scher, pharmakologischer, therapeu- tischer und prophylaktischer Proble- me zu genetischen Erkrankungen des Zentralnervensystems.
Hier liegt ein unverzichtbares Anwendungsgebiet des Tierversuchs in der Medizin vor.
Eine ausführlichere Übersicht ist zu finden in: Stoffel, W. The mye- lin membrane of the central nervous system. Essential macromolecular structure and function, Angew.
Chem. Int. Ed. Engl. 29 (1990), 958-976.
Deutsches Arzteblatt
91 (1994) A-1805-1813 [Heft 25/26]
Literatur:
Stoffel, W.: The myelin membrane of the cen- ral nervous system. Essential macromolecular structure and function. Angew. Chem. Int. Ed.
Engl 29 (1990) 958-976
Anschrift des Verfassers:
Prof. Dr. med. Dr. rer. nat.
Wilhelm Stoffel Institut für Biochemie Medizinische Fakultät Joseph-Stelzmann-Straße 52 50931 Köln
Deutsches Ärzteblatt 91, Heft 25/26, 27. Juni 1994 (49) A-1813
MEDI IN AKTUELL
Instabile Mutationen und
ihre Rolle bei der Entstehung von Erbkrankheiten
Hans-Hilger Ropers
D
ie Stabilität der genetischen Information, das heißt die Beibehaltung der Reihenfol- ge chromosomaler DNA- Bausteine während der Gametogene- se und der Keimesentwicklung, ist ei- ne unabdingbare Voraussetzung für die Aufrechterhaltung komplexer biologischer Funktionen und für die Erhaltung genetischer Arten. Muta- tionen sind selten; wenn sie jedoch auftreten, werden sie im allgemeinen unverändert von Zelle zu Zelle und von Generation zu Generation wei- tergegeben. Auch die meisten Erb- krankheiten verhalten sich nicht an- ders: im Rahmen einer bestimmten klinischen Variationsbreite bleibt ihr Erscheinungsbild von Generation zu Generation konstant. Ausnahmen von dieser Regel, etwa eine stets frü- here Manifestation von Krankheiten (Antizipation) und die Zunahme ih- res Schweregrades, sind zwar schon vor langer Zeit beschrieben, jedoch bis vor wenigen Jahren stets als Er- fassungsfehler (ascertainment bias) gedeutet worden. Erst durch syste- matische Untersuchungen dieses Phänomens in Familien mit Dystro- phia myotonica (18) und der geisti- gen Retardierung mit „fragilem" X- Chromosom (39) konnte ein Erfas- sungsfehler zweifelsfrei ausgeschlos- sen werden. Vor kurzem gelang es, diese Krankheiten durch Klonierung und Sequenzierung der betreffenden Gene aufzuklären und die Antizipa- tion auf eine Instabilität der geneti- schen Information zurückzuführen.Inzwischen sind bei vier weiteren Erbkrankheiten instabile Mutationen identifiziert worden. Diese Befunde haben weitreichende Konsequenzen für die Diagnose, Prognose und Prä- vention dieser Störungen und sind möglicherweise ein Schlüssel zur Aufklärung von genetischen Fakto-
ren in der Ätiologie häufiger Krank- heiten wie der manisch-depressiven Psychose und der Schizophrenie.
Instabile Mutationen und Erbkrankheiten
Die Dystrophia myotonica (DM) ist eine autosomal-dominant vererbte Multisystemkrankheit, die meist im dritten Lebensjahrzehnt auftritt und deren Vollbild Muskelschwäche, Myotonie, fehlende Mimik, hormo- nale und psychische Störungen sowie bei Männern Hodenatrophie und Stirnglatze einschließt. Viele Patien- ten versterben zwischen dem 50. und 60. Lebensjahr, jedoch sind Erstma- nifestationszeitpunkt, Schweregrad und Verlauf dieser Krankheit außer- ordentlich variabel. Bis ins hohe Al- ter gesunde Genträger kommen vor, aber ebenso gibt es kongenitale Ver- laufsformen, die häufig letal sind.
Auffällig ist, daß die Frühmanifesta- tion dieser Krankheit ausschließlich bei Kindern mütterlicher Genträger gefunden wird, und in vielen Famili- en beobachtet man im Laufe der Ge- nerationen eine Abnahme des Erst- manifestationsalters.
Ganz analog ist die Situation beim FRAXA-Syndrom, der häufig- sten Form der X-chromosomalen gei- stigen Retardierung und, mit einer Inzidenz von etwa 1/1000, eine der meist vorkommenden (monogenen) Erbkrankheiten überhaupt. Neben einer „fragilen", dekondensierten Region am Ende des langen X-Chro- mosomenarmes und einem mehr oder weniger charakteristischen Ge- sicht findet man bei erwachsenen
Department of Human Genetics (Leitender Direktor: Prof. Dr. med. Hans-Hilger Ro- pers), University Hospital Nijmegen
männlichen Patienten auffällig große Hoden. Auch bei dieser Krankheit wird im Laufe der Generationen sehr häufig eine Zunahme des Schwere- grads gefunden, wobei schwere Mani- festationsformen ausschließlich bei Kindern weiblicher Genträger vor- kommen Diese Beobachtungen ha- ben zum Konzept der „Prämutation"
geführt, welche eine Vorstufe der ei- gentlichen Mutation darstellt. Ge- nealogische Untersuchungen haben in der Tat Verwandtschaftsbeziehungen zwischen vielen unabhängig erfaßten Familien mit FRAXA-Syndrom auf- gezeigt (41) und wahrscheinlich ge- macht, daß Prämutationen unbemerkt über viele Generationen vererbt wer- den können. Bei der DM wird bereits seit einigen Jahren angenommen, daß die Krankheit auf ein einziges oderwe- nige (Prä-)Mutationsereignisse zu- rückgeht, weil über 70 Prozent aller Patienten ein bestimmtes, eng mit dem DM-Gen gekoppeltes DNA-Merkmal aufweisen (17).
Durch die Klonierung des FMR1-Gens ( = Fragile X Mental Retardation) (18, 45) und die Isolati- on des DM-Gens nur wenig später (12, 5, 29, 22) konnte das Prämutati- onskonzept bestätigt und die bei bei- den Krankheiten beobachtete Antizi- pation auf ein gemeinsames moleku- lares Prinzip zurückgeführt werden.
In beiden Genen kommen sogenann- te Trinukleotid-Repeats vor, Sequen- zen, die aus Blöcken von jeweils drei DNA-Bausteinen aufgebaut sind, CTG (Cytosin, Thymin und Guanin) im DM-Gen und CGG (Cytosin — Guanin — Guanin) im FMR1-Gen.
Bei Gesunden findet man meist zwi- schen fünf und etwa 40 solcher repe- tierten Trinukleotid-Blöcke, wäh- rend bei schwer betroffenen Patien- ten mehrere tausend repetierte Nu- kleotidtripletts vorkommen können.
GCC, 6-25 (200-1 000?) FRAXE-Syndrom
Tabelle 1: Expandierende Trinukleotid-Repeats als Ursache von Erbkrankheiten
Progression bei Transmission durch
Repeat-Längen bei Gesunden (Kranken) Krankheit Häufigkeit
FRAXA-Syndrom 1/1 000 Mutter CGG, 10-50 (200-2 000)
Myotone Dystrophie 1/8 000 Mutter
(kongenitale Form)
CTG, 5-35 (100-2 000)
Spinobulbäre Muskelatrophie
< 1/50000 CAG, 11-31 (40-62)
Chorea Huntington 1/10 000 Vater
(frühe Formen)
CAG, 10-37 (42-121)
Spinozerebelläre Ataxie Typ-I
selten Vater
(frühe Formen)
CAG, 6-39 (41-81)
MEDIZIN AKTUELL
Die meisten klinisch unauffälli- gen Überträger dieser beiden Krank- heiten weisen 50 bis 200 Trinukleoti- de lange Repeats auf (Tabelle 1).
Diese Repeats sind nicht stabil: ab- hängig von ihrer Länge zeigen sie ei- ne Tendenz zur weiteren Größenzu- nahme, was in einer einzigen Gene- ration zu einer Verlängerung um mehrere hundert Trinukleotide füh- ren kann.
In jüngster Zeit konnte gezeigt werden, daß expandierende Trinu- kleotid-Repeats für das Auftreten von vier weiteren Krankheiten ver- antwortlich sind. Die bekannteste und häufigste dieser Krankheiten ist die Chorea Huntington (Huntington disease, HD), deren Gen eine — bei Patienten verlängerte — (CAG) n-Se- quenz enthält (44). Diese Krankheit wird meist im vierten oder fünften Lebensjahrzehnt manifest und führt innerhalb von 15 bis 20 Jahren zum Tode, wobei klinisch der Verlust kognitiver Fähigkeiten, psychische Veränderungen und choreoathetoti- sche Bewegungen im Vordergrund stehen. Frühe Verlaufsformen mit Symptomen im ersten oder zweiten Lebensjahrzehnt kommen vor, je- doch finden sie sich nahezu aus- schließlich bei Kindern männlicher Patienten.
Diese Beobachtung legte — wie bei der DM und dem FRAXA-Syn- drom — eine Beteiligung von Trinu- kleotid-Repeats nahe und führte
kürzlich zur Isolierung des HD- Gens, dessen Lokalisation (auf dem kurzen Arm von Chromosom 5) be- reits seit 1983 bekannt war (16).
Expandierte (CAG)„-Repeats sind auch für zwei weitere Erbkrank- heiten verantwortlich, eine dominan- te Form der spinozerebellären Ata- xie (SCA1), bei der Antizipation vor- kommt (33), und die X-chromosomal vererbte spinobulbäre Muskelatro- phie (SBMA), auch „Kennedy dis- ease" genannt (27).
Schließlich konnte vom lange be- kannten FRAXA-Syndrom eine wei- tere Form der X-chromosomalen gei- stigen Retardierung abgegrenzt wer- den, welche ebenfalls mit einer loka- len Dekondensation (Fragilität) auf dem terminalen langen Arm des X- Chromosoms einhergeht. Bei diesem Krankheitsbild, FRAXE-Syndrom genannt, wurden, wie bei FRAXA, lange (CGG)n-Repeats als Ursache identifiziert (26).
Bei Patienten mit SMBA liegt die expandierte (CAG)„-Sequenz in- nerhalb des Androgenrezeptor- Gens. Dies ist sehr überraschend, da Defekte dieses Gens normalerweise zur testikulären Feminisierung füh- ren, einem völlig anderen Krank- heitsbild. Das DM-Gen kodiert für eine Serin-Threonin-Proteinkinase und wird in vielen verschiedenen Or- ganen und Geweben exprimiert, was mit dem vielgestaltigen klinischen Bild dieser Krankheit im Einklang
steht. Über die Funktion der anderen vier Gene ist nichts Endgültiges be- kannt. Das FMR1-Gen, welches für das FRAXA-Syndrom verantwortlich ist, kommt im Hirn, in den Testes und vielen anderen Geweben zur Ex- pression (45, 3); das Genprodukt ist in der Lage, RNA zu binden (2, 40).
Die Funktionen des HD-Gens und des SCA1-Gens sind noch nicht be- kannt; ihre Sequenzen, soweit bis heute aufgeklärt, weisen keine Ho- mologie zu bekannten Genen auf, und die Isolierung des FRAXE-Gens steht noch aus.
Im Unterschied zu Patienten mit DM, FRAXA und FRAXE, bei de- nen die Zahl der repetierten (CTG- beziehungsweise CGG-)Trinukleoti- de 200 bis 250 übersteigt, variieren die Repeatlängen bei der Chorea Huntington, der SCA1 und der SBMA meist zwischen 40 und 60 CAG-Tripletts. Repeats mit 100 Tri- nukleotiden oder mehr werden bei diesen Krankheiten praktisch nie be- obachtet.
Für verschiedene Aspekte der Expansion repetierter Trinukleotid- sequenzen und ihrer pathogeneti- schen Funktion gibt es noch keine allgemein akzeptierte Erklärung.
Diese Fragen sollen nachstehend an- hand jüngster Befunde diskutiert werden. Auch die Implikationen für die Diagnose und Prävention von Krankheiten werden in diesem Zu- sammenhang behandelt.
A-1816 (52) Deutsches Ärzteblatt 91, Heft 25/26, 27. Juni 1994
MEDIZIN
Pathomechanismen Warum und auf welche Weise führt die Expansion dieser repetier- ten Trinukleotide zur Krankheit?
Anscheinend spielen in diesem Zu- sammenhang verschiedene Mecha- nismen eine Rolle. Bei der SBMA, der Chorea Huntington und bei der SCA1 liegt die repetierte (CAG) n
-Sequenz innerhalb des „kodieren- den" Genabschnittes. CAG-Tripletts werden bei der Proteinsynthese in die Aminosäure Glutamin übersetzt.
Polyglutamin-Sequenzen kommen bei einer Reihe von Proteinen vor, je- doch enthalten diese Sequenzen nie mehr als 38 Glutaminreste (15). Bei allen drei Krankheiten mit intrage- nen CAG-Repeats handelt es sich um neurodegenerative Störungen, was bedeuten könnte, daß Proteine mit langen Polyglutamin-Abschnitten neurotoxisch sind. Die unterschiedli- chen Symptome dieser Krankheiten wären dann eine Folge der verschie- denen zellulären Verteilung dieser Eiweiße. Die Expansion des CAG- Repeats im Androgenrezeptor-Gen (welche bei Patienten mit SBMA ge- funden wird) hat offenbar auch eine Funktionseinschränkung des Andro- genrezeptors zur Folge, was die rela- tive Androgenresistenz von Patien- ten mit SBMA erklärt (31).
Bei der DM liegt die repetierte (CTG) n-Sequenz außerhalb des ko- dierenden Abschnitts am 3 '-Ende des Gens. Mehrere Gruppen (8, 13, 20) haben bei Patienten verringerte oder fehlende Expression des mutierten Proteinkinase-Gens gefunden, und bei Säuglingen mit sehr langen CTG- Repeats ist anscheinend die Expres- sion des normalen DM-Allels deut- lich reduziert.
Das FMR1-Gen ist bei Patien- ten mit FRAXA-Syndrom inaktiv.
Experimentelle Befunde belegen, daß die Inaktivierung durch Methy- lierung der expandierten (CGG) n-Se- quenz zustande kommt (4, 21), und dem FRAXE-Syndrom dürfte dersel- be Pathomechanismus zugrundelie- gen. In der DNA von Säugern kön- nen nur Cytosinbausteine methyliert werden, die Bestandteil von „CG-Di- meren" sind, das heißt, auf die in 3'-Richtung „stromabwärts" ein Glutamin folgt. Unter den bisher mit
AKTUELL
Krankheiten in Verbindung gebrach- ten expandierten Trinukleotiden (CTG) n, (CAG) n und (CGG) n kann deshalb nur die CGG-Sequenz me- thyliert und auf diesem Wege inakti- viert werden. Beim FRAXA-Syn- drom liegt die expandierende Se- quenz in der nicht in Protein über- setzten Region am 5'-Ende des FMR1-Gens. In der DNA von gesun- den Männern sind sämtliche CG-Di- mere der (CGG) n-Sequenz unmethy- liert, während sie bei Patienten mit klinisch manifestem FRAXA-Syn- drom vollständig methyliert sind (23). Möglicherweise spielen bei der Regulation des FMR1-Gens kürzlich entdeckte Proteine eine Rolle, wel- che diese Repeats im unmethylier- ten, jedoch nicht im methylierten Zu- stand binden (35).
Mechanismus und Kinetik der
Trinukleotid-Expansion Die Instabilität einfacher repe- tierter Sequenzen im menschlichen Genom nimmt mit der Länge dieser Repeats zu. Dies gilt nicht nur für Trinukleotide, sondern auch für Di- und Tetranukleotid-Repeats. So kommen praktisch alle (CA) n-Re- peats in der Bevölkerung in vielen verschiedenen Varianten vor, sofern ihre Länge 25 Dinukleotid-Einheiten übersteigt (25), während kurze CA- Repeats selten polymorph sind. Bei Trinukleotiden nimmt die Instabilität jenseits von etwa 40 bis 50 repetier- ten Einheiten dramatisch zu, weshalb asymptomatische Überträger von DM- und FRAXA-„Prämutationen"
häufiger manifest kranke Nachkom- men haben. Unterhalb einer Länge von 35 Trinukleotiden sind diese Re- peats in Familien anscheinend stabil, obwohl das Vorkommen verschieden langer „normaler" Allele in der Be- völkerung belegt, daß diese Stabilität nicht absolut sein kann.
Bei Patienten mit klassischer HD findet man meist zwischen 40 und 60 CAG-Tripletts (14, 49), wäh- rend bei Gesunden bis zu 37 Trinu- kleotide vorkommen Im Unterschied zur Situation bei FRAXA und DM findet man bei Kindern von Eltern
mit HD keine massive Repeat-Ex- pansion, wenn die elterliche Repeat- länge 50 Trinukleotide übersteigt (19). Wahrscheinlich ist dies auf Se- lektion zurückzuführen, da die mei- sten Patienten mit 60 bis 100 CAG- Tripletts bereits im jugendlichen Al- ter erkranken. CAG-Repeats von über 125 Trinukleotiden Länge sind wahrscheinlich letal und werden da- her nicht beobachtet. Deshalb wider- sprechen diese Befunde nicht der Annahme, daß die Instabilität von Trinukleotid- und anderen einfachen Repeats in erster Linie von ihrer Länge abhängt. Befunde in Familien mit SCA1 unterstreichen die Bedeu- tung perfekter Repeats: Bereits durch Insertion eines einzigen ande- ren DNA-Bausteins wird die Instabi- lität des Repeats aufgehoben (9).
Bis heute ist unklar, warum diese repetierten Sequenzen häufig expan- dieren, jedoch nur sehr selten schrumpfen, und warum die Expansi- onsneigung bei Erreichen einer Länge von etwa 40 Tripletts dramatisch zu- nimmt Nach einem Modell von Wie- ringa und Mitarbeitern (24) entsteht die Instabilität durch Crossover zwi- schen Schwesterchromatiden. Jen- seits einer Länge von etwa 40 Trinu- kleotiden kann es auf beiden Chroma- tiden zur Schleifenbildung und nach- folgendem unsymmetrischen Aus- tausch kommen In einer der beiden Schwesterchromatiden führt dies zur Verkürzung, in der anderen zur Ver- längerung der beiden DNA-Stränge.
Da bei der anschließenden enzymati- schen „Reparatur" bevorzugt der je- weils längere DNA-Doppelstrang als Matritze herangezogen wird (25), führt dieser Prozeß zur Elongation des Repeats. Ein Beweis für die Richtig- keit dieser Vorstellung, welches so- wohl die Expansionstendenz als auch die Längenabhängigkeit der Instabili- tät erklärt, steht jedoch noch aus.
Abhängigkeit der
Krankheitsmanifestation von der parentalen
Herkunft der Mutation Bei allen bisher untersuchten Krankheiten findet sich eine deutli- che Korrelation zwischen der Länge
M E D
der Trinukleotid-Repeats und dem Schweregrad der Erkrankung, und bei mindestens vier dieser Krank- heitsbilder spielt die parentale Her- kunft des mutierten Gens eine we- sentliche Rolle.
Untersuchungen von Wöhrle et al. (48) an fötalen Geweben von FRAXA-Patienten haben deutlich gemacht, daß die Expansion der Re- peats (jedenfalls zum Teil) postzygo- tisch erfolgt. Auch der Befund, daß CTG-Repeats in Muskelgewebe von DM-Patienten länger sind als in Lymphozyten (1), deutet in dieselbe Richtung. Die Annahme, daß nach der Befruchtung eine präferentielle Expansion mütterlicher DM- bezie- hungsweise FRAXA-Allele erfolgt, setzt jedoch voraus, daß Zellen des frühen Keims in der Lage sind, die beiden elterlichen Allele zu unter- scheiden. Tatsächlich werden be- stimmte menschliche Gene während der Gametogenese (durch DNA- Methylierung) unterschiedlich ge- prägt („imprinted"), was die Inakti- vierung der väterlichen oder der müt- terlichen Genkopie zur Folge hat (19, 42).
Untersuchungen von Jansen et al. (23) an Gesunden haben jedoch gezeigt, daß beide elterlichen Kopien des DM-Proteinkinase-Gens in fö- talen Geweben aktiv sind. Dieser Be- fund schließt auch die Möglichkeit aus, daß kongenitale Formen der DM bei Kindern betroffener Mütter durch eine selektive Inaktivierung vä- terlicher DM-Allele zustande kom- men.'
Daher ist es wahrscheinlich, daß die Abhängigkeit der Krankheitsma- nifestation vom Geschlecht der be- troffenen Eltern nicht auf Imprin- ting, sondern auf die Transmission unterschiedlich langer Trinukleotid- Repeats in der männlichen und weib- lichen Gametogenese zurückgeht.
Tatsächlich werden in Spermien von Patienten mit FRAXA-Syndrom keine langen CGG-Repeats gefun- den (3, 34), und in Spermien von schwer betroffenen DM-Patienten haben Wieringa und Mitarbeiter (29) ebenfalls eine Verkürzung der CTG-
1 Strikt genommen läßt sich eine unterschied- liche Prägung väterlicher und mütterlicher Al- lele jedoch nur durch Untersuchung der Me- thylierungsmuster selbst ausschließen.
AKTUELL
Repeats nachgewiesen. In seltenen Fällen kommt es sogar zur vollständi- gen Regression dieser Repeats (6, 32). Derartige Rückmutationen tre- ten anscheinend nur bei Kindern be- troffener Väter auf. Diese Beobach- tungen sprechen für eine Selektion gegen (sehr) lange Trinukleotid-Re- peats während der Spermiogenese, wobei es nicht ausgeschlossen ist, daß diese Selektion bereits während der Meiose stattfindet.
Wie läßt sich diese Erklärung mit der Tatsache in Einklang brin- gen, daß schwere Verlaufsformen der HD sehr viel häufiger bei Kin- dern betroffener Väter vorkommen?
Im Vergleich zur Instabilität der Re- peats bei Patienten mit DM oder FRAXA sind die (sehr viel kürzeren) Repeats bei Patienten mit HD (oder SCA1) ausgesprochen stabil. Eine Expansion um mehr als 20 CAG-Re- peats ist ausschließlich bei Kindern betroffener Väter gefunden worden (43). Möglicherweise hängt diese Be- obachtung damit zusammen, daß die Zahl mitotischer Zellteilungen in der Spermatogenese wesentlich größer ist als in der Oogenese. Tatsächlich haben jüngste Untersuchungen von Brunner et al (7) auch für die DM ge- zeigt, daß eine Expansion kleiner (CTG)„-Repeats (n < 100) signifi- kant häufiger bei Kindern männli- cher Überträger als bei Nachkom- men weiblicher Genträger gefunden wird. Die Selektion gegen die Wei- tergabe expandierter Repeats greift erst bei größeren Repeatlängen und spielt unterhalb von 100 Trinukleoti- den anscheinend keine Rolle.
Die Expansion kurzer Repeats findet demnach vor allem in der männlichen Gametogenese statt, was die paternale Herkunft des mutierten Gens bei früh auftretenden Formen von Chorea Huntington und bei SCA1 erklärt. Lange Repeats (zum Beispiel n > 700 bei DM und n > 200 bei FRAXA) können von betroffe- nen Männern nicht vererbt werden.
Noch längere Repeats bei Patienten mit FRAXA und kongenitalen For- men von DM entstehen wahrschein- lich durch weitere Expansion in der frühen Keimesentwicklung. Da lange Repeats maternalen Ursprungs sind, kommen sehr lange Repeats nur bei Kindern weiblicher Genträger vor.
Trinukleotid-Expansion bei anderen
Erbkrankheiten und diagnostische Aspekte Charakteristische Eigenschaften von Krankheiten, die durch expan- dierende Trinukleotid-Repeats her- vorgerufen werden, sind einerseits der von Generation zu Generation zunehmende Schweregrad und ihr stets früheres Auftreten (Antizipati- on) sowie andererseits die Abhängig- keit ihrer Manifestation von der pa- rentalen Herkunft der Krankheitsan- lage.
Antizipation kommt bei ver- schiedenen, zumeist seltenen Erb- krankheiten vor, so bei der fami- liären Amyloidpolyneuropathie (11), aber auch bei häufigen Störungen wie der manisch-depressiven Psycho- se (20) und möglicherweise auch in Familien mit Schizophrenie (30). Da Antizipation bis vor kurzem allge- mein als Erfassungsfehler interpre- tiert wurde, ist es wahrscheinlich, daß viele vergleichbare' Beobachtun- gen unveröffentlicht geblieben sind.
Trinukleotid-Repeats kommen in vielen bekannten menschlichen Ge- nen vor, wie durch Analyse von Da- tenbanken gezeigt werden konnte (36), und durch Screening von Gen- bibliotheken konnte eine größere Zahl exprimierter Sequenzen mit (CAG).- oder (CGG) n-Repeats iso- liert werden. Die bis heute identifi- zierten „Trinukleotid-Repeat-Krank- heiten" stellen daher wahrscheinlich nur die sprichwörtliche Spitze des Eisbergs dar. Eine kürzlich entwik- kelte, elegante Technik zum Nach- weis elongierter Trinukleotid-Re- peats in chromosomaler DNA von Patienten (38) sollte die Suche nach weiteren pathogenetisch relevanten Trinukleotidsequenzen erleichtern.
Die Entdeckung von expandie- renden Trinukleotid-Repeats bei Pa- tienten mit FRAXA-Syndrom, DM, und Chorea Huntington hat weitrei- chende Konsequenzen für die Dia- gnose und Prävention dieser Krank- heiten. Andere Mutationen in den betreffenden Genen sind anschei- nend sehr selten: bei FRAXA sind bisher nur wenige Familien beschrie- ben, bei der die Inaktivierung des
A-1818 (54) Deutsches Ärzteblatt 91, Heft 25/26, 27. Juni 1994
MEDIZIN
Gens nicht durch Repeat-Expansion, sondern durch Deletionen oder Punktmutationen verursacht ist (10, 47). Bei HD sind einige Patienten mit dem Vollbild der Krankheit, doch ohne verlängerte CAG-Repeats pu- bliziert (28), allerdings ist unklar, ob das HD-Gen in diesen Fällen funk- tionell verändert ist. Bei der DM ist das Vorkommen von Patienten ohne expandierte CTG-Repeats bisher nicht gesichert. Für alle drei Krank- heiten existieren inzwischen einfache diagnostische Verfahren, welche die Erkennung der Mutation bei nahezu allen Patienten erlauben. Die mei- sten Tests basieren auf der Polyme- rase-Kettenreaktion (PCR) zur Am- plifikation derjenigen Gensequen- zen, welche expandierte Trinukleo- tid-Repeats aufweisen. Aufgrund be- kannter Lokalisation dieser Repeats entfällt in diesen Fällen die mühevol- le Mutationssuche in den betreffen- den Genen. Deshalb eignet sich diese Form der Diagnostik für sporadische Fälle, im Gegensatz zur Gendiagnose mit Hilfe von gekoppelten DNA- Markern, welche für die Erkennung familiärer Fälle infrage kommt
Da die Länge von expandierten Trinukleotid-Repeats mit dem Schweregrad der Erkrankung korre- liert, hat ihre Bestimmung auch pro- gnostische Bedeutung. Die Zuverläs- sigkeit solcher Prognosen ist be- grenzt, weil die Länge dieser Repeats in verschiedenen Geweben desselben Patienten variieren können (1). Die Untersuchung von Blut erlaubt keine sicheren Rückschlüsse auf Repeat- längen im Hirn bei FRAXA- oder Muskelgewebe bei DM-Patienten.
Bislang gibt es keine systematischen Erhebungen zur Korrelation von Re- peatlängen in verschiedenen Orga- nen und Geweben. Im Hinblick auf pränatale Prognosen zum Krank- heitsverlauf wären derartige Daten für Zellen der Amnionflüssigkeit und Chorionzotten wichtig.
Seit 1984 war unsere Arbeits- gruppe maßgeblich an der Aufklä- rung der molekularen Ursachen der DM beteiligt. Ziel dieser Untersu- chungen war die Entwicklung zuver- lässiger diagnostischer Tests zur prä- symptomatischen und pränatalen Er- kennung von Merkmalsträgern. Wir nahmen an, daß Identifizierung aller
AKTUELL
Genträger in betroffenen Familien, genetische Beratung und gegebenen- falls Pränataldiagnose eine Präventi- on der meisten Krankheitsfälle erlau- ben würde. Wegen der Seltenheit von Neumutationen erwarteten wir zu- dem eine drastische Verringerung der Krankheitshäufigkeit in einer einzi- gen Generation. Diese Erwartungen haben sich weitgehend bestätigt, mit Ausnahme der Hoffnung, diese Krankheit durch Familienuntersu- chungen im Laufe der Zeit zum Ver- schwinden bringen zu können. Im Ge- gensatz zu früher wissen wir jetzt, daß in der Bevölkerung ein großes Reser- voir an Prämutationen existiert, aus dem sich immer wieder neue, klinisch relevante Mutationen entwickeln können. Die Erfassung dieser Prämu- tationen ist zwar technisch möglich, würde jedoch ein Screening der ge- samten Bevölkerung erfordern.
Gegen die Durchführung sol- cher obligater Reihenuntersuchun- gen spricht die Tatsache, daß dabei nicht nur Träger von Prämutationen, sondern auch (noch) asymptomati- sche Patienten identifiziert würden.
Solange es für diese Krankheiten kei- ne Behandlungsmöglichkeiten gibt, wäre es ethisch nicht vertretbar, die- se noch gesunden Patienten mit ihrer Krankheit zu konfrontieren. Daraus ergibt sich, daß Bevölkerungsunter- suchungen auf unbehandelbare Erb- krankheiten nur auf freiwilliger Basis durchgeführt werden sollten. Dieses Prinzip wurde bei allen bisherigen Screeningsprogrammen gewahrt.
Schließlich ist in diesem Zusammen- hang die Bemerkung angebracht, daß die klinische Genetik ausschließlich auf eine Erkennung und Vermeidung genetischer Risiken bei Individuen und ihren Familien zielt. Eugenische Gesichtspunkte spielen in der geneti- schen Beratung keine Rolle.
Deutsdies Arzteblatt
91 (1994) A-1814-1820 [Heft 25/26]
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Anschrift des Verfassers:
Prof. Dr. med.
Hans-Hilger Ropers
Department of Human Genetics University Hospital
Geert-Grooteplein 20 P.O. Box 9101 6500HB Nijmegen Niederlande
A-1820 (56) Deutsches Ärzteblatt 91, Heft 25/26, 27. Juni 1994
