Archiv "Das Haupt-Histokompatibilitätssystem HLA und die Genetik der Zuckerkrankheit" (30.04.1982)

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DIABETES-SERIE:

Das Haupt-Histokompatibilitäts- system HLA und die

Genetik der Zuckerkrankheit

Shraga F. Goldmann

Aus der Abteilung Transplantationsimmunologie (Leiter: Privatdozent Dr. med. Shraga F. Goldmann) des DRK-Biutspendedienstes Ulm

und der Abteilung Transfusionsmedizin (Leiter: Prof. Dr. med. Bernhard Kubanek) der Universität Ulm

Einleitung

Die primäre Zuckerkrankheit wird in zwei unterschiedliche Grunderkran- kungen unterteilt.

..,.. Der juvenile Diabetes mellitus (Typ I) tritt meistens vor dem 20.

Lebensjahr auf; die Krankheit be- ginnt akut und fast immer in den Monaten Oktober-Dezember, die Patienten sind schlank und müssen von Anfang an mit Insulin substitu- iert werden.

..,.. Der "Aitersdiabetes" (Typ II) tritt allmählich auf und bevorzugt fettlei- bige Personen, die über 40 Jahre alt sind; eine Insulinsubstitution ist selten notwendig.

Zehn Prozent der Patienten mit pri- märer Zuckerkrankheit weisen den Typ I, 90 Prozent den Typ II auf (6).

Untersuchungen bei Mäusen und Meerschweinchen zeigten, daß die Immunantwort gegen Insulin von der Haupt-Histokompatibilitätsre- gion (der chromosomale Abschnitt, der die Erbinformation über die we- sentlichen Gewebemerkmale beinhaltet) dieser Spezies kodiert wird (4). Die Feststellung, daß ein bestimmter Anteil der Typ-I-Diabetiker Insulin-Antikörper produziert, führt

zu der Frage, ob eine analoge genetische Grundlage auch beim Men- schen vorhanden ist.

DasHLA-System

Die Haupt-Histokompatibilitätsre- gion des Menschen ist die HLA- (Humane-Leukozyten-Antigene-) Region. Sie ist auf dem kurzen Arm des Chromosoms Nr. 6 des Men- schen lokalisiert (Darstellung 1 ). Bis heute wurden 81 HLA-Determinan- ten definiert, die von fünf benachbarten Genorten (HLA-A, C, B, D, DR) kodiert werden (3).

Der HLA-Erbgang ist kodominant, die Vererbung geschieht "en bloc", und entsprechend fünf benachbar- ter Genorte sowie einem diploiden Chromosomensatz kann jede Per- son zehn HLA-Gene (und Antigene) aufweisen.

Analog zu Histokompatibilitätsregio- nen anderer Säugetiere beinhaltet die HLA-Region die Erbinformation für Transfusions- und Transplanta- tionsantigene sowie einen Teil des genetischen Kodes für eine individu- elle Krankheitsempfänglichkeit und wahrscheinlich auch einen Anteil der Erbinformation für die individu- elle Immunantwort (3, 4, 5).

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ÜBERSICHTSAUFSATZ

Der juvenile Diabetes mellitus kann in zwei unterschiedliche Grunderkrankungen unterteilt werden. Die HLA-DR3-assoziierte Erkrankung entsteht wahrscheinlich als Autoim- munprozeß; die HLA-DR4-assoziierte Erkrankung als mögli- che Immuntoleranz gegenüber bestimmten Viren. HLA-DR2- Träger scheinen resistent ge- genüber der Erkrankung zu sein. Sowohl immungeneti- sche als auch exogene Fakto- ren entscheiden über die Emp- fänglichkeit beziehungsweise über die Resistenz gegen- über dem insulinpflichtigen ju- venilen Diabetes mellitus.

Merkmalassoziation und Krankheit Um festzustellen ob eine bestimmte Erkrankung von einer definierten Erbeinheit (Gen) beziehungsweise einer bekannten genetischen Re- gion (mit-)bestimmt wird, werden sichtbare Ausdrucksformen (Phäno- typen, Genprodukte, Antigene usw.) dieser Erbeinheit beziehungsweise genetischen Region auf ihre Korre- lation mit der Erkrankung untersucht. Soweit eine überdurch- schnittliche, aber keine vollständige Übereinstimmung zwischen den festgestellten Phänotypen und der Erkrankung besteht, spricht man von einer merkmal-assoziierten Er- krankung. Die bekannteste HLA-assoziierte Erkrankung ist die "ankylosierende Spondylitis" (Morbus Bechterew). 95 Prozent der Patien- ten weisen das HLA-827-Antigen auf gegenüber drei Prozent der gesunden Population (4, 5).

Neben dem Vergleich der Häufigkeit bestimmter Merkmale bei erkrankten und gesunden Personen wird das relative Risiko (rR) für das Auf- treten eines bestimmten Merkmals bei erkrankten Patienten bestimmt.

Es errechnet sich aus der Multiplika- tion der Patientenanzahl, die ein Merkmal aufweisen (a), und der An- zahl der gesunden Kontrollperso- Ausgabe A/8 DEUTSCHES ARZTEBLATT 79. Jahrgang Heft 17 vom 30. April1982 45

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B7 7 13 23 0,49 < 0,05

B8 16 29 16 2,21 < 0,005

Bw62 15 28 14 2,36 < 0,005

Cw3 19 35 24 2,17 < 0,005

DR2 3 6 26 0,17 < 10 -4

DR3 24 44 21 3,0 < 10 -6

DR4 33 61 19 6,70 < 10 -6

54 Patienten Kontroll gruppe (N — 500)

Rela- tives Risiko

Signi- fikanz

Antigen Prozent Prozent HLA

Positiv/Alle Patienten Prozent HLA

DR2 DR3 DR4 DR3 + DR4 DR3 und/oder DR4

3/54 24/54 33/54 9/54 48/54

6 44 61 17 88

Weder DR3 noch DR4 ^6/54 ¹²

Tabelle 1: HLA-Antigenassoziation mit juvenilem Diabetes mellitus (Typ I)

Tabelle 2: HLA^-DR-Assoziationen und Typ I Zur Fortbildung

Aktuelle Medizin

Diabetes mellitus — Genetik

nen, die dieses Merkmal nicht tragen (d), dividiert durch die Multipli- kation der Anzahl der merkmalnega- tiven Patienten (b) und die merkmal- positiver, gesunder Kontrollperso- nen (c):

a • d rR ^=a

b • c

Bei fehlender Krankheitsassoziation ist rR = 1; bei positiver Assoziation höher als 1 und bei negativer Asso- ziation niedriger als 1. Die HLA-Anti-

gene sind in der Oberflächenmem- bran sämtlicher kernhaltiger Zellen des menschlichen Körpers lokalisiert. Die Bestimmung der serolo- gisch definierbaren HLA-A, B, C, DR- Antigene erfolgt am einfachsten mittels zytotoxischer Verfahren, wobei als Testsubstrat Lymphozyten des peripheren Blutes verwendet werden (3). Die Bestimmung der nur mittels einer gemischten Lymphozy- tenkultur definierbaren HLA-D-De- terminante ist aufwendig und kann

aus praktischen Gründen unterlas- sen werden, da HLA-D- und HLA-DR (D-related) Determinanten eine star- ke Kopplung aufweisen. Die errech- neten Antigenfrequenzen sowie die rR-Werte müssen statistisch abgesi- chert werden (4).

HLA-Region und Typ 1

Eine Assoziation zwischen HLA-An- tigenen und „Altersdiabetes" (Typ II) wurde nicht gefunden (1). Dagegen wurde eine Assoziation mit dem „ju- venilen Diabetes mellitus" (Typ I) er- mittelt. Die HLA-Typisierung umfaß- te 54 Typ-l-Patienten und 500 gesun- de Blutspender (Kontrollgruppe).

Von den insgesamt 66 in unserer Bevölkerung nachweisbaren HLA-A, B, C, DR-Antigenen zeigten fünf HLA-Antigene eine positive und zwei eine negative Assoziation (Tabelle 1). Dabei weisen HLA-DR3 mit rR = 3,0 und HLA-DR4 mit rR = 6,7 die höchste positive Assoziation, HLA- DR2 mit rR = 0,17 die höchste negative Assoziation auf. Die zwar schwä- chere aber signifikante Assoziation der restlichen vier HLA-Antigene kann als sekundär betrachtet werden: HLA-B7 ist auch bei Gesunden häufiger als erwartet mit HLA-DR2 gekoppelt (HLA-B7 — DR2-Kopp- lungsgruppe), HLA-B8 mit HLA-DR3 (HLA-B8 — DR3-Kopplungsgruppe) und HLA-Cw3 sowohl mit HLA-Bw62 als auch mit HLA-DR4 (HLA-Cw3 — Bw62 — DR4-Kopplungsgruppe). Die hochsignifikante negative Assozia- tion von HLA-DR2 und die hochsignifikante positive Assoziation von HLA-DR3 und DR4 mit Typ-1-Diabe- tes mellitus wird auch durch die Ver- gleiche der Häufigkeit dieser Antige- ne zwischen erkrankter und gesunder Population in Tabelle 1 ausge- drückt.

Tabelle 2 schlüsselt diese Ergebnis- se weiter auf und zeigt, daß 9 von 54 Patienten (17 Prozent) sowohl HLA- DR3- als auch DR4-Antigene aufweisen und daß 48 von 54 Patienten (88 Prozent) HLA-DR3- und/oder HLA- DR4-Antigene tragen. Die fehlende komplette Übereinstimmung zwischen HLA-DR3 und DR4 und Er- krankung beziehungsweise das re- 46 Heft 17 vom 30. April 1982 79. Jahrgang DEUTSCHES ÄRZTEBLATT Ausgabe A/B

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Kurzer Arm des Chromosoms Nr.6 C2

Zur Fortbildung Aktuelle Medizin Diabetes mellitus- Genetik

C4 HLA-

Bf

PGM-3

GLO

HLA-0/DR

B

c

^A

~0 ^C ^z J r~D~I~ITJTO I J ~ J ~

Rekombinationsrate% l+--to---.I+---7--_J+---O,B---+~J-o,6~

Allele: 12/10 34 8 17

Darstellung 1: Der kurze Arm des Chromosoms Nr. 6 des Menschen

a) Genorte neben HLA (Humane Leukozyten-Antigene) - Bf: Properdin Factor B - C'2, C'4: Komplementaktivatoren - GLO:

Glyooxalase

b) Z: Zentromeier (Ansatz der Spindelfasern bei der Zellkernteilung)

c) Allele: Alternative Formen eines Gens, die zu unterschiedlichen Erscheinungsformen (Phänotypen) führen, z. B. beim HLA-DR- Genort verschiedene HLA-DR-Gene bzw. Antigene. Jedes Individuum trägt auf einem Genort eines Chromosoms nur ein Allel d) Rekombinationsrate: relative Entfernung der Genorte in Prozent

duzierte, aber trotzdem seltene Vor- kommen von HLA-DR2 und Typ-I- Diabetes weisen darauf hin, daß die Erbinformation für die Krankheits- empfänglichkeit beziehungsweise Resistenz nicht von diesen HLA-DR- Genen per se bestimmt wird. Es kann jedoch angenommen werden, daß sowohl Empfänglichkeit als auch die Resistenz gegenüber Typ-I- Diabetes genetisch von einem HLA- DR-benachbarten Genort kodiert wird.

Diese Annahme wird durch Befunde einer 1980 im Rahmen des "VIII.

International Histocompatibility Workshop" durchgeführten Studie unterstrichen. Die erwähnte HLA- DR2-, DR3- und DR4-Assoziation wurde bei den gesamten europä- ischen Typ-I-Patienten gefunden, bei den japanischen Patienten gilt das gleiche für HLA-DR2 und DR4;

es zeigt jedoch HLA-DRw8 und nicht HLA-DR3 eine positive Assozia- tion (8\.

Die Feststellung, eine HLA-DR3- und DR4 (bei Japanern HLA-DRw8-)positive Assoziation beziehungsweise HLA-DR2-negative Assoziation führt zur Annahme, daß ein HLA-DR-na- her Genort für Krankheitsempfäng- lichkeit beziehungsweise Resistenz gegenüber Typ I kodiert.

Die höhere Assoziation mit HLA-DR im Vergleich zu HLA-B (Darstellung 1, Tabelle 1) führte zur Vermutung, daß der Typ-1-Genort zwischen HLA- B und Zentromer lokalisiert ist. Stu- dien mit Genprodukten der Bf (Pro- perdin-Factor B-), C'2- und C'4- (Complement-Proaktivatoren-)Gen- orte ergaben für bestimmte Merkma- le hohe Assoziationswerte, die jedoch diejenigen von HLA-DR nicht übersteigen (1, 7).

Die Interpretation dieser Daten läßt zwei Hypothesen zu:

..,.. entweder sind diese Assoziatio- nen sekundär zu HLA-DR oder

..,.. mehr als ein Genort des kurzen Arms des Chromosoms Nr. 6 kodie- ren für Typ-I-Empfänglichkeit beziehungsweise Resistenz.

Bei der letztgenannten Hypothese wäre eine Assoziation von Komplika- tionen des Typ I (beispielsweise pro- liferierende Retinopathie) mit einer bestimmten nQn-HLA-DR-Erbeinheit denkbar (1, 7).

HLA-Genetik und Typ-I-Diabetes Die Frage, ob Typ-I-Diabetes eine dominante oder rezessive Erkran- kung ist, könnte in Familienstudien untersucht werden. Beim dominan- ten Erbgang wäre zu erwarten, daß die Mehrzahl der Träger des erkran- kungsassoziierten Gens beziehungsweise Haplotypus (HLA-defi- nierter chromosomaler Abschnitt des Chromosoms Nr. 6) erkrankt sind. Bei unseren Familienuntersu- chungen stellten wir fest, daß die Eitern selten erkrankt sind und daß Ausgabe NB DEUTSCHES ARZTEBLATT 79. Jahrgang Heft 17 vom 30. April1982 47

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Diabetes mellitus- Genetik

nicht selten auch die HLA-haplo- identischen Geschwister des Patien- ten nicht erkrankt sind. Für einen rezessiven Erbgang wäre eine Er- krankung der Mehrzahl der HLA- identischen Geschwister zu erwarten. Dies betraf bei unseren Daten nur 60 Prozent dieser Geschwister, wobei sogar bei zwei Familien mit eineiigen Zwillingen und entsprechenden HLA-DR-Antigenen das eine Zwillingspaar erkrankt war und beim anderen Paar nur eines der eineiigen Geschwister.

Familienstudien zeigten ähnliche Resultate (1, 8). Dies kann bedeuten, daß neben der HLA-Region weitere genetische und/oder exogene Fakto- ren bei der Manifestation des Typ I mitwirken.

HLA·Assoziation und mikrobielle Genese

Bei einer Reihe von HLA-assoziierten Erkrankungen ist eine infektiöse Anamnese bekannt. So ist beispielsweise die paralytische Poliomyelitis mit HLA-Bw16, das rezidivierende Herpes labiales mit HLA-A29 und die ankylosierende Spondylitis (Morbus Bechterew) mit HLA-B27 assoziiert (4, 5). Beim Morbus Bechterew ist nach neuen Erkenntnissen eine bestimmte Klebsiellainfektion ana- mnestisch verifizierbar (2). Neuer- dings wurden zwei Typ-I-Diabetiker beschrieben, die eine nekrotische Veränderung des mit Coxsackie-Vi- rus B4 infizierten Inselapparates auf- wiesen (9). Die experimentelle Infek- tion von Mäusen mit Coxsackie-B4- Viren führte zum Diabetes bestimmter Mäusestämme (9).

Diese Daten weisen darauf hin, daß Menschen und Säugetiere unter Umständen entsprechend ihrer Er- binformation empfänglich beziehungsweise resistent gegenüber bestimmten Mikroorganismen sind. Dabei wären für Viren, die beim Typ- I-Diabetes in Frage kommen, unter anderem die drei folgenden Arbeits- hypothesen denkbar:

~ die Viren weisen HLA-DR-ähnli- che oder -identische Struktur auf;

der Träger der entsprechenden HLA- DR-Antigene erkennt diese Viren nicht als "fremd" an.

~ Entsprechend der Kopplung zwischen Immunantwortregion und

Haupt-Histokompatibilitätsregion bei sämtlichen untersuchten Säuge- tieren ist die Immunantwortregion beim Menschen HLA-gekoppelt, und dies führt bei assoziierter Erkran- kung entweder zur Toleranz oder Resistenz.

~ Auch die Autoimmunität scheint HLA-abhängig zu sein. HLA-DR3 ist mit einer Reihe von endokrinalogi- schen Autoimmunerkrankungen gekoppelt (1, 7). Eine gesteigerte Auto- immunität gegen Inselzellen ist mit der viralen Theorie verträglich.

Besonders die dritte Hypothese scheint den Typ-I-Diabetes in zwei Grunderkrankungen zu unterteilen. HLA-DR3-assoziierte Autoimmuner-

~:rankungen und eine HLA-DR4-assoziierte Erkrankung mit anderen Grundlagen (Hypothese a und/oder Hypothese b?).

Typ-I-Diabetes: zwei unterschiedli·

ehe Grunderkrankungen?

Untersuchungen mehrerer Autoren weisen darauf hin, daß bei den HLA- DR3-assoziierten Typ-I-Patienten vorwiegend lmmunkomplexe, lnsel- zellantikörperresistenz, Autoimmun- erkrankungen und Autoimmunanti- körper gegen verschiedene Organe (insbesonders endokrinologische) registrierbar sind.

Dagegen zeigen H LA-DR4-Typ-I-Pa-

tienten vorwiegend eine familiäre

Belastung, frühes Erkrankungsalter, Erkrankungsgipfel zwischen Okto- ber und Dezember, Insulin-Antikör- perbildung und eine proliferative Retinopathie (Übersicht bei [1] ).

Diese unterschiedlichen epidemio- logischen, immunologischen und klinischen Daten demonstrieren zwei differierende Erscheinungsfor- men des Typ I und erklären auch, weshalb Patienten, die sowohl HLA- DR3 als auch HLA-DR4 aufweisen, besonders schwer erkrankt sind.

Die zwei differierenden Typ-I-Er- krankungen passen auch in die Theorie der HLA-assoziierten Er- krankungen, da bis heute nur jeweils ein HLA-Antigen mit einer Erkran- kung assoziiert werden konnte.

Die beschriebenen Daten zeigen, daß weitere Untersuchungen notwendig sind um die Genese des Typ I aufzuhellen. Klinische, epide- miologische, mikrobiologische, genetische und biochemische Unter- suchungen könnten zum besseren Verständnis der Erkrankung führen.

Unter Umständen können dann pro- phylaktische Maßnahmen in Frage kommen, die sowohl das Erkran- kungsrisiko als auch die Schwere des Krankheitsgeschehens reduzie- ren könnten.

Literatur

(1) Bertrams, J.; Sodomann, P.; Gries, F. A.; Sachsee, B.; Jahnke, K.: Die HLA-Assoziation des insulinpflichtigen Typ-I-Diabetes mellitus.

Deutsche Med. Wochenschr. (in Druck) - (2) Geczy, A. F.; Alexander, K.; Bashir, H. V.; Ed- monds, J.: A factor(s) in klebsiella culture fil- trates specificially modifies on HLA-B27-asso- ciated cell-sarface component. Nature 283 (1980} 782-785- (3} Goldmann, S. F.: HLA und Knochenmarktransplantation. Klin. Pädiat. 193 (1981} 26~271 - (4) HLA and Disease, Heraus- geber: Dausset, J. & Svejgaard, A., Munks- gaard, Copenhagen (1977)-(5} HLA and Dis- ease, Third Report, Herausgeber: Ryder, P. L., Andersen, E. & Svejgaard, A., Munksgaard, Co- penhagen, (1979) - (6) Notkins, A. L.: Die Ursache des Diabetes, Spektrum der Wissen- schaft 1 (1980} 37- (7} Rittner, C. & Bertrams, J.: On the significance of C2, C4 and factor B Polymorphismus in Disease, Hum. Genet. 56 (1980) 235-247 - (8} Svejgaard, A.; Platz, P.;

Ryder, L. P.: Joint Report: lnsulin-dependent diabetes mellitus, in: Histocompatibility Test- ing 1980 (Herausgeber: Terasaki, P.l.} UCLA, Los Angeles (1980)- (9} Yoon, J. W.; Austin, M.; Onodera, T.; Notkins, A. L.: Virus induced diabetes mellitus, N. Engl. J. Med. 200 (1980}

1173-1980

Anschrift des Verfassers:

Privatdozent Dr. S. F. Goldmann, Abteilung Transplantations- immunologie

DRK-Biutspendezentrale Heidenheimer Straße 80, 7900 Ulm/Donau

48 Heft 17 vom 30. April 1982 79. Jahrgang DEUTSCHES ARZTEBLATT Ausgabe AlB