Risiko Familie. Die Genetik von Asthma. Nicole Herbon

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1 Die Genetik von Asthma Risiko Familie Nicole Herbon Wie bei anderen Volkskrankheiten weiß man heute auch im Falle von Asthma, dass für seine Entstehung weder die Gene noch die Umwelt alleine verantwortlich zu machen sind. Durch Fortschritte bei der Entzifferung des menschlichen Genoms können heute Gene identifiziert werden, die eine Schlüsselfunktion für die Entstehung von Asthma haben. 18 mensch+umwelt spezial 15. Ausgabe 2002

2 Chromosom DNA Bei Asthma handelt es sich um eine komplexe Erkrankung. Sie ist das Resultat eines Zusammenspiels einiger Haupt-Gene und vieler untergeordneter Gene, die den Patienten für eine Asthmaerkrankung anfällig machen. Erst wenn wichtige Umweltfaktoren auf einen genetisch vorbelasteten Organismus Einfluss nehmen, kann ein Asthmaanfall ausgelöst werden. Ob dies durch körperliche Anstrengung, Allergene (Pollen, Hausstaub), Infekte oder Luftschadstoffe geschieht, beruht wiederum auf der Vererbung spezifischer Gene. In der Häufigkeit von Asthma innerhalb einer Bevölkerungsgruppe finden sich je nach geographischer Region und ethnischer Zugehörigkeit große Unterschiede. Zum Beispiel tritt Asthma in Industrieländern sehr viel häufiger auf als in Dritte-Welt -Ländern. Ursächlich dafür sind wahrscheinlich umweltbedingte Faktoren wie Schadstoffe und Lebensgewohnheiten. Es lassen sich jedoch auch Unterschiede in der Erkrankungshäufigkeit von zwei ethnischen Gruppen innerhalb derselben Umwelt beobachten. Zum Beispiel leiden in Singapur Chinesen sehr viel seltener unter Asthma als Inder und Malaien. Bei den isoliert lebenden Inselbewohnern von Tristan da Cunha, den Malediven und den Westlichen Karolinen-Inseln beträgt die Asthmahäufigkeit bis zu 30 %. Dort leben alle Menschen in einer vergleichbaren Umgebung und nutzen ähnliche Materialien für ihre Unterkünfte. Hier können also nicht Umweltfaktoren für das Auslösen von Asthma verantwortlich gemacht werden. Die Ursache wird klar bei einem Blick auf den Stammbaum der Inselbewohner: Alle 282 Einwohner der Insel Tristan da Cunha lassen sich auf 15 Vorfahren zurückführen, unter denen sich zwei Asthmatiker befanden. Daher sind auch die Gene, die Die genetischen Einflüsse beim Krankheitsbild Asthma sind eindeutig. Das Risiko eines Kindes, in den ersten beiden Lebensjahren an Asthma zu erkranken, steht in direktem Zusammenhang zur Vorbelastung durch die Eltern. Quelle: Deutsche Gesellschaft für Allergologie und Klinische Immunologie e.v. Intron Exon Promotor Gen Aufbau eines Gens mit regulatorischer Einheit (Promotor), Exon (codiert für Protein) und Intron; rot: Beispielhafte Lage von Mutationen Grafik: Nach National Human Genome Research Institute, Darryl Leja für Asthma vorprägen, in dieser Bevölkerung häufiger anzutreffen als sonst. Zusammenspiel zwischen Umwelt und Genen Das Risiko eines Neugeborenen, an Asthma zu erkranken, ist um das Dreifache erhöht, wenn einer der beiden Elternteile Asthmatiker ist. Sind beide Eltern betroffen, steigt das Risiko für das Kind sogar auf das Siebenfache an. Ebenfalls erhöht sich die Wahrscheinlichkeit zu erkranken, wenn Geschwister oder weiter entfernte Verwandte an Asthma leiden. Untersuchungen von eineiigen und zweieiigen Zwillingen bestätigen die familiäre Komponente. Im Falle von Asthma wird bei eineiigen Zwillingen mit einem erkrankten Zwilling in bis zu 80 Prozent der Fälle auch das Geschwisterkind Asthma entwickeln, wohingegen bei zweieiigen Zwillingen nur in 5 20 Prozent der Fälle auch das Geschwisterkind Asthma bekommt. Da dies bei einigen Zwillingen im Falle von Asthma wiederum nur in 80 Prozent der Fälle so ist, sind für die restlichen 20 Prozent individuelle Umweltfaktoren oder zufällige Änderungen des Erbguts, die eineiige Zwillinge 19

3 Risiko Familie Das Handwerkszeug zur Untersuchung des familiären Risikos Risikoberechnung Bei der Risikoberechnung wird die familiäre Komponente einer Erkrankung bestimmt. Das Ausmaß ergibt sich aus dem Verhältnis verwandter Erkrankter und der Anzahl der Erkrankten in der Bevölkerung. Es kann jedoch nicht zwischen genetischen Faktoren und umweltbedingten Faktoren unterschieden werden, da in einer Familie sowohl die elterlichen Gene als auch bestimmte Verhaltensweisen/Umweltfaktoren auf ein Neugeborenes Einfluss nehmen. Zwillingsstudien Zwillingsstudien eignen sich sehr gut, um genetische Faktoren und Umweltfaktoren als mögliche Ursachen für Krankheiten voneinander zu trennen. Eineiige Zwillinge besitzen bis auf einige wenige Ausnahmen, wie zum Beispiel B-Lymphozyten-Gedächtniszellen des Immunsystems, ein identisches Erbgut, sie sind also Klone. Zweieiige Zwillinge stimmen dagegen wie andere Geschwister auch nur in der Hälfte ihres Erbguts überein. Gibt es nun bei bestimmten Merkmalen, wie z. B. Asthma, bei eineiigen Zwillingen eine erhöhte Übereinstimmung gegenüber zweieiigen Zwillingen, deutet dies auf eine genetische Komponente hin. Auch Umweltkomponenten können durch Zwillingsstudien erfasst werden, da die Übereinstimmungsraten bei eineiigen Zwillingen ein direktes Maß dafür sind, wie stark ein Gen oder eine Kombination bestimmter Gene die Krankheit beeinflussen. Segregationsanalysen Mittels einer Segregationsanalyse kann man über die gesammelten Familiendaten abschätzen, inwieweit genetische Faktoren eine Krankheit bestimmen, welches Vererbungsmuster also vorliegt. Kombinatorische Berechnungen optimieren die Mischung aller Parameterwerte wie Genfrequenzen und Umweltfaktoren der Familien. Im Anschluss werden verschiedene Modelle wie das der zufälligen Erkrankung, polygene (Größe), rezessive und dominante Modelle mit dem optimierten Modell verglichen. Von großer Bedeutung ist die Einbeziehung aller Faktoren. Sind diese noch nicht vollständig aufgeklärt, müssen bei der Untersuchung genetischer Komponenten (siehe Kasten 2) modellfreie Analysen angewandt werden. voneinander unterscheiden, von großer Bedeutung. Ergebnisse von Analysen des Vererbungsmusters von Asthma werfen jedoch viele Fragen auf. Mit Hilfe sogenannter Segregationsanalysen (siehe Kasten) konnten autosomal rezessive, dominante, kodominante und polygene Vererbungen für Asthma nachgewiesen werden. Eine mögliche Erklärung dafür ist die genetische Heterogenität in den verschiedenen untersuchten Populationen. Zudem unterliegen den Studien häufig differierende Diagnosekriterien sowie eine Anhäufung möglicher Asthmasubtypen. Denn Asthma ist nicht gleich Asthma. Bei vielen Asthmatikern werden die Anfälle durch harmlose Stoffe wie Hausstaub oder Pollen ausgelöst, wobei das Immunsystem überreagiert. Sie leiden oft zusätzlich an Neurodermitis oder haben Heuschnupfen. Dennoch muss sich ein lebenslanger Heuschnupfen nicht zu einem ausgereiften Asthmaphänotyp entwikkeln. Bei infektbedingtem oder Belastungsasthma fehlen die durch das Blutbild ersichtlichen immunologischen Marker wie Immunglobulin E und Ansammlungen von Eosinophilen, einer besonderen Form weißer Blutkörperchen. Kinder hingegen haben meist eine Mischform aus allergischem und infektbedingtem Asthma. Das Resultat solcher Untersuchungen: Um zu differenzierten Aussagen über die jeweiligen asthma-relevanten Regionen im Genom zu gelangen, müssen also weitere Diagnosekriterien einbezogen und die verschiedenen ethnischen Gruppen unterschieden werden. Auf der Suche nach den Asthma-Genen Der schematische Schnitt durch die Bronchialschleimhaut zeigt, auf welch komplexe Weise sich das Entzündungsgeschehen bei Asthma abspielt. Quelle: Deutsche Gesellschaft für Allergologie und Klinische Immunologie e.v. Die Suche nach den für Asthma verantwortlichen Genen scheint angesichts der Vielfalt des menschlichen Genoms der Suche nach der berühmten Stecknadel im Heuhaufen gleichzukommen. Um so wich- 20 mensch+umwelt spezial 15. Ausgabe 2002

4 Im Flugmassenspektrometer (linkes Bild) werden Genotypisierungen vorgenommen: Mit Hilfe eines Lasers, der eine Matrix zum Verdampfen bringt, werden kleinste Bruchstücke des Genoms in ein Vakuumflugrohr befördert. Die Zeit, die dieses Bruchstück benötigt, um auf einen Detektor zu treffen, ist abhängig von seiner Masse. Pipettier-Roboter (rechtes Bild) erleichtern die Arbeit und ermöglichen einen hohen Durchsatz von Analysen. Fotos: Nicole Herbon tiger ist eine systematische Vorgehensweise. Mit Genom-weiten Suchstrategien wird untersucht, welche Chromosomen-Abschnitte mehr als zufällig an beide erkrankte Geschwister weitergegeben werden. Empirische Studien zeigen zum Beispiel bei spanischstämmigen Amerikanern, dass bestimmte Regionen auf den Chromosomen 2, 12 und 21 an beide erkrankten Kinder vermehrt weitergereicht werden. Bei Afroamerikanern liegen dagegen mögliche Asthma- Gene auf den Chromosomenabschnitten 5p, 5q, 8p und 17p. Auch andere Beispiele zeigen, dass genaues Hinsehen Sinn macht: Bei den Hutterern, einer Volksgruppe aus Tirol, die 1870 in die USA migrierten, konnten die chromosomalen Regionen 5q und 19q mit Hilfe einer Folgestudie bestätigt werden. Japaner dagegen zeigen für allergisches Asthma die Kopplungsregionen 4q, 5q, 6p, 12q und 13q. Die Volksgruppe der Kaukasier, zu denen sowohl weiße Amerikaner als auch Europäer gehören, wurde am häufigsten auf die Genetik von Asthma untersucht. Unterschiedliche Diagnose-Kriterien und Studiendesigns ergaben zunächst unterschiedliche Kopplungsregionen, dennoch konnten schließlich in vier der fünf Studien asthma-relevante Regionen auf den Chromosomenabschnitten 6p, 12q und 13q bestätigt werden. Welche Gene verursachen Asthma? Nachdem die interessanten Chromosomenabschnitte identifiziert werden konnten, stellt sich natürlich die Frage, welches Gen oder welche Gene dort für die Vorprägung einer Asthmaerkrankung verantwortlich sind. Denn auch die Art und Weise des Immunsystems, auf ein Allergen zu reagieren angefangen von Interleukinen, die für die Feinabstimmung der Immunantwort sorgen, bis hin zu hormonellen Regulatoren der bronchialen Muskulatur beruht auf genetischen Einflussfaktoren. Auf Chromosom 6p liegen in der Kopplungsregion über 250 Gene, von denen Asthma-Kopplungsregionen bei verschiedenen Bevölkerungsgruppen Asthma-Kandidaten-Gene auf den Chromosomen 6p und 12q 21

5 Risiko Familie ca. 60 Prozent aufgrund ihrer Funktion zu den möglichen Asthma-Kandidatengenen zählen. Die Gene, die für die Bildung der Proteine verantwortlich sind, werden jetzt auf geringfügige Unterschiede (Polymorphismen) bei Kranken im Vergleich zu Gesunden untersucht. Je nach ihrer Lage im Genom sind diese Polymorphismen entweder wirkungslos, sie können aber auch zu einer Verminderung bzw. Erhöhung der Proteinbildung führen, oder es entsteht sogar ein verändertes Protein mit anderen Eigenschaften. Selbst scheinbar wirkungslose Polymorphismen sind für die Forschung von Interesse, da sie möglicherweise zusammen mit weiteren, noch unbekannten Varianten vererbt werden, die an der Entstehung von Asthma beteiligt sind. Die hier vorgestellten Untersuchungen der Funktion von Genen liefern wertvolle Beiträge zum Verständnis von Asthma. Mit diesem Wissen könnten in Zukunft Medikamente entwickelt werden, die spezifisch wirken und spezifisch auf den jeweiligen Patienten abgestimmt werden können. Kniffelige Suche bei komplexen Erkrankungen Das Spektrum der Methoden zur Analyse der genetischen Komponenten komplexer Erkrankungen ist vielfältig: Fall-Kontroll-Studien Die einfachste Herangehensweise zur Untersuchung von krankheitsbestimmenden Genvarianten ist der Vergleich von Gesunden und Kranken. Obwohl auch Gesunde diese Genvarianten tragen können, kommen sie dennoch bei Erkrankten häufiger vor. Dieser Ansatz im Sinne einer Fall- Kontroll-Studie hat jedoch Schwächen. Die Fälle und Kontrollen müssen aus genau der gleichen Population stammen. Ist dies nicht der Fall, könnten falsche Schlüsse gezogen werden: Zum Beispiel verfügen Japaner über andere Genvarianten als Europäer. Würde man nun asthmatische Japaner und gesunde Europäer einander gegenüberstellen, würde auffallen, dass nur Asthmatiker eine bestimmte Genvariante tragen, wofür aber eigentlich populationsbedingte Unterschiede verantwortlich sind. Es ergäbe sich also ein falsch-positives Ergebnis. Auch innerhalb Europas können unterschiedliche Häufigkeiten von Genvariationen bei Subpopulationen irreführende Ergebnisse liefern. Kopplungsanalysen Um die Problematik von Fall-Kontroll-Studien zu umgehen, werden Familien untersucht, die mindestens zwei erkrankte Kinder haben. Man geht hier der Frage nach, welche Chromosomenabschnitte gemeinsam an zwei erkrankte Kinder in einer Familie weitervererbt wurden. Zunächst hat ein Geschwisterpaar immer genau die Hälfte aller Chromosomenbruchstücke gemeinsam von seinen Eltern geerbt. Untersucht man nun viele Familien mit zwei erkrankten Kindern, so tauchen die Abschnitte, in denen die Asthma-Gene liegen, insgesamt bei beiden Kindern häufiger auf. Kandidatengenanalysen Im Gegensatz zu den Kopplungsanalysen, mit deren Hilfe der richtige Ort im Genom gefunden werden soll, basiert die sogenannte Kandidatengenanalyse auf der Funktion der Gene. Ein Kandidatengen wird als solches bezeichnet, wenn sein Produkt (Protein) im Organismus eine Funktion ausübt, die in einem wichtigen Zusammenhang mit der Erkrankung steht. Um die für eine Erkrankung in Frage kommenden Kandidatengene einzugrenzen, hilft es, die physiologischen Abläufe bei der Entstehung zu betrachten. Genotypisierung mit Hilfe der Massenunterschiede verschiedener Basen im Genom. Dargestellt sind die Genotypen einer Familie mit zwei erkrankten Kindern. Der Vater ist homozygot AA, die Mutter homozygot GG. Beide Kinder haben ein Allel des Vaters und ein Allel der Mutter geerbt und sind somit heterozygot AG. Aufgrund der Voreingabe der Genotypen in eine Datenbank kann das Computerprogramm anhand der gemessenen Massen den Genotypen eines Probanden automatisch erkennen. In der Praxis werden Kopplungs- und Kandidatengenanalysen häufig kombiniert. Durch die Kopplungsanalyse wird die Region, die das betroffene Gen enthält, zumindest grob festgelegt. In dieser Region liegen dann die Kandidatengene. So wird die Anzahl zu untersuchender Gene stark reduziert. Sequenzinformationen helfen, potenzielle Gene zu identifizieren und mögliche Genfunktionen vorherzusagen. 22 mensch+umwelt spezial 15. Ausgabe 2002

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