Humangenetik für Biologen 10. Stunde: Genetik von Augenerkrankungen

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1 Humangenetik für Biologen 10. Stunde: Genetik von Augenerkrankungen 1. Störungen der Augenentwicklung Anophthalmie Mikrophthalmie Fehlbildungen des vorderen Augenabschnitts 2. Erkrankungen der Hornhaut Reis-Bückler-Dystrophie Fuchs sche Hornhaut-Dysplasie 3. Erkrankungen der Linse (Grauer Star = Katarakte) 4. Glaukom (Grüner Star) 5. Erkrankungen der Retina

2 Medizinische Bedeutung (Johnson and Foster, 2003) Globale Ursachen von Blindheit (2000): Katarakt 25.0 Mio 50.0 % Glaucom Refractive Fehler Vitamin A Defizienz Alters-abhängige Macula- Degeneration (AMD) Andere

3 Anatomie des menschlichen Auges

4 Frühe Augenentwicklung - Übersicht

5 1. Entwicklungsstörungen Anophthalmie & Mikrophthalmie Anophthalmie (OMIM ) Häufigkeit: 1: Klinik: kein Auge in der Augenhöhle Mikrophthalmie (OMIM ) Häufigkeit: 1:7.000 Klinik: Achsenlänge unter 2 SD vom Durchschnitt; häufig Teil eines Syndroms Risiko-Faktoren für beide Erkrankungen: Mütterliches Alter >40 Jahre, Frühgeburten Verma & Fitzpatrick, 2007

6 1. Entwicklungsstörungen Anophthalmie & Mikrophthalmie assoziiert mit chromosomalen Störungen Chromosomenstörung zusätzliche Erkrankungen. Duplikation 3q Lernschwäche, Wachstumsstörung, Herzfehler, Fehlbildungen des Brustkorbs und der Genitalien 4p- (Wolf-Hirschhorn-S.) Wachstumsstörung, Mikrozephalie, Lernschwäche, Epilepsie, Lippen-Gaumenspalte Duplikation 4p Duplikation 10q 13q-, 13-Ring Deletion 14q22.1-q23.2 Lernschwierigkeiten, Epilepsie, Wachstumstörung, Fettleibigkeit, Mikrozephalie, Fehlbildungen der Genitalien Lernschwäche, Wachstumsstörung, Mikrozephalie, Fehlbildungen an Herz und Nieren Mikrozephalie, Lernschwierigkeiten, Herzfehler, Fehlbildung der Harnröhre, Hodenhochstand Hypoplasie der Hypophyse Nach Verma & Fitzpatrick, 2007

7 1. Entwicklungsstörungen Anophthalmie & Mikrophthalmie assoziiert mit Punkt-Mutationen Gen Locus Hauptsächliche Erkrankungen am Auge OMIM RAX 18q21.3 (AR) Anophthalmie/Mikrophthalmie SOX2 3q26.3-q27 (AD) Anophthalmie/Mikrophthalmie PAX6 11p13 (AD) Aniridie, (Peter s Anomalie, autosomal dominante Keratopathie, Hypoplasie der Fovea, Missbildungen des Sehnervs, Anophthalmie) OTX2 14q22 (AD) Anophthalmie/Mikrophthalmie, (Missbildungen des Sehnervs und der Retina) CHX10 14q24.3 (AR) Mikrophthalmie FOXE3 1p32 Missbildungen des vorderen Augenabschnitts, congenitale primäre Aphakie CRYBA4 22q11.2 (AD) Autosomal-dominante Katarakt, (Mikrophthalmie) Verma & Fitzpatrick, 2007

8 1. Entwicklungsstörungen - Anophthalmie: Mutation in RAX Rezessiver Erbgang: Patient: gemischt heterozygot Voronina et al., 2004; Fig. 2a, 3a

9 Mutationen im RAX/rax/rx-Gen Chr. 18q21 Gen: 6,4 kb mrna: 3,2 kb (lange 3 -UTR) Humane Mutationen Protein: 346 Aminosäuren; ~38 kda Octapeptid C-terminus: paired-tail domain Voronina et al., 2004; Fig. 1 HD: Homeodomäne: Transkriptionsfaktor

10 Funktionsanalyse der humanen RAX-Mutationen wt Verminderte DNA-Bindung: Spez. Bindung Freie Oligos Voronina et al., 2004; Fig. 5 PCE: photoreceptor conserved target (=Ret1) COUP: unspezifische DNA-Sequenz

11 1. Entwicklungsstörungen - Anophthalmie: Mutationen in SOX2 Ragge et al., 2005, Fig. 1

12 Ragge et al., 2005, Fig. 3 Ursache: de-novo Mutationen in SOX2! cdna:

13 Master -Gen der Augenentwicklung: Pax6 ektopische Expression von Maus-Pax6 in Drosophila Antennen (A) und Bein (B) Halder et al., 1995

14 Pax6 Mutationen in der Maus: Small eye or no eye? +/- E15.5 Wt +/- Aey11 -/- Aey18 ADD4802 -/-: keine Augen!! verschiedene Pax6 Mutanten

15 Pax6-Mutationen bei Menschen: Aniridie Halder et al., 1995

16 PAX6 genomische Organisation und Kontroll-Elemente Exon 5a Chr. 11p13 Transkript: 1746 bp Protein: 436 Aminosäuren; 48,2 kda Elongationsfaktor 4 Van Heyningen und Williamson, HMG 11 (2002) Halder et al., 1995

17 PAX6: Domänenstruktur und Mutationen Exons a Paired-Domäne Homeo-Domäne Prolin-, Serin-, Threonin-reiche Domäne Rote AS: Kontakt zu DNA-Rückgrat Blaue AS: Kontakt zur kleinen oder großen Furche Mutationen: pink - Mensch; Maus - grün Van Heyningen und Williamson, HMG 11 (2002) Halder et al., 1995

18 1. Entwicklungsstörungen Mikrophthalmie: Mutationen in SIX6 Gallardo et al., 2004, Fig. 2

19 Gallardo et al., 2004, Fig. 1 SIX6 und die SIX-Genfamilie (nur Homeodomäne) Mutation (Microphthalmie) DNA-Bindungsdomänen Erkennungsdomäne (in großer Furche)

20 1. Entwicklungsstörungen Mikrophthalmie: Mutationen in MAF Translokation: + (balanziert): 46,XY,t(5;16)(p16.3;q23.2) *(unbalanziert): 46,XX,der(5),t(5;16)(p16.3;q23.2) Punktmutation: R288P Co-Segregation in Familie: Behandlung der PCR-Fragmente mit MspI (CCGG) Jamieson et al., 2002, Fig. 1

21 Jamieson et al., 2002, Fig. 3 MAF: Bindungsdomänen für DNA und Proteine R288P

22 Hjalt und Semina, 2005, Fig Entwicklungsstörungen Axenfeld-Rieger Syndrom: Mutationen in FOXC1 Einige ophthalmologische Formen gesund Iris-Cornea-Verbindung vergrößerte Cornea Verlust ret. Ganglienzellen lok. Retina-Degeneration Degeneration des Sehnervkopfes

23 Nishimura et al., 2001, Fig. 1 Mutationsspektrum in FOXC1 Gen (Chr. 6p25) Stopp 56,8 kda Poly-Gly Vorhergesagte Translationsprodukte nach Leseraster-Mutation schwarz: neue Aminosäuren

24 1. Entwicklungsstörungen - Fehlbildungen im vorderen Augenabschnitt: Mutationen in FOXE3 *Kamerareflex; C: Katarakt Semina et al., 2001, Fig. 4 Schwalbe- Ring

25 FOXE3: Genstruktur Chromosom: 1p32 Ungewöhnlich: 1 Exon: 1980 bp, 319 Aminosäuren, Molekulargewicht 33,2 kda Forkhead-Genfamilie ( FOX ) Forkhead Domäne: Transkriptionsfaktor

26 1. Entwicklungsstörungen Fehlbildungen im vorderen Augenabschnitt: Mutationen in PITX3 Cornea Trübung Katarakt Katarakt Verkleinerte Cornea und Linse Semina et al., 1998, Fig. 4

27 PITX3 Mutationen bei Menschen: Hinterer Polstar (I) Burdon et al., 2006, Fig. 1 Ursache: häufige 17-bp-Insertion in Exon 4 (Berry et al., 2004)

28 PITX3: Genstruktur Chromosome 10q25 4 Exons (1. Exon nicht translatiert) 302 Aminosäuren = 31,8 kda Homeobox: Aminosäuren Kern-Lokalisationssequenz

29 Mausmodell aphakia: Zwei Deletionen im Pitx3 Promotor Spontane Mutation (1968; aus JAX) fehlende Linse retinale Desorganisation Modell für Parkinson sche Erkrankung E 10.5 P µm OV :optic vesicle LV :lens vesicle LS :lens stalk R:retina C :cornea 100µm Ursache: 2 Deletionen im Promotor des Pitx3-Gens

30 Aufbau der Hornhaut: 2. Erkrankungen der Hornhaut

31 2. Erkrankungen der Hornhaut Vielfältige Erkrankungsformen; insgesamt eher seltener Zentrale kristalline Dystrophie Schnyder Reis-Bückler Dystrophie

32 2. Erkrankungen der Hornhaut Name Gen (Chr; dom/rez) Pathologischer Mechanismus. Meesmann Keratin K3 (12q12; dom) Veränderter Aufbau des Zytoskeletts Keratin K12 (17q12; dom) Tropfenform TACSTD2 (1p32; rez) Reis-Bückler TGFBI (5q31; dom) Netzförmig GSN (9q34; dom) erhöhte Permeabilität von Epithelzel. veränd. Faltung von TGFBI, Amyloid amyloide Form von Gelsolin Bietti CYP4V2 (4q25-ter; rez) Einschlüsse von Cholesterol Fischauge LCAT (16q22; dom) Erhöhte Lipoproteine Fuchs COL8A2 (1p34; dom) Veränderte Kollagen-Ablagerung Cornea plana KERA (12q21; dom/rez) veränderte Transparenz Nach Vincent et al., 2005

33 2. Erkrankungen der Hornhaut Klinische Heterogenität der Mutationen im Gen TGFBI / BIGH3 Aldave & Sonmez, 2007

34 2. Erkrankungen der Hornhaut Klinische Heterogenität der Mutationen im Gen TGFBI / BIGH3 Avellino Hornhaut-Dystrophie: Kombination der granulären und gittrigen stromalen Hornhautdystrophie mit scharf begrenzten Trübungen im vorderen Hornhautstroma. Zusätzlich doppelkonturige lineare amyloide Trübungen. Hornhaut-Dystrophie Thiel-Behnke: Wabenförmige Trübungen der Bowmanschen Lamelle und der epithelialen Basalmembran (curly collagen). Atlas of Ophthalmology

35 2. Erkrankungen der Hornhaut: TGFBI /BIGH3-Mutationen Faszillin-ähnliche Domänen Kannabiran et al., 2006

36 2. Erkrankungen der Hornhaut Fuchs sche Hornhaut-Dysplasie Frühe Fuchs sche Hornhaut-Dysplasie: Ausbildung knötchenförmiger Ausstülpungen an der Descemet s Membran ( Guttae ; in jeder Zelle). Eintrittsalter ~10 Jahre Mutationen in COL8A2 OMIM Späte Fuchs sche Hornhaut-Dysplasie Beginn in der Lebensdekade; 4% der Bevölkerung >40 J. betroffen OMIM Kopplung mit Chr. 13; Gen unbekannt 2-3 mal mehr Frauen betroffen als Männer

37 2. Erkrankungen der Hornhaut Fuchs sche Hornhaut-Dysplasie *Patienten für Kopplungsanalyse Mutation: Leu450Trp in COL8A2 Gottsch et al., 2005a

38 2. Erkrankungen der Hornhaut Fuchs sche Hornhaut-Dysplasie Kontroll-Hornhaut COL8A2- Leu450Trp Pfeile: Faltenartige Struktur Spät-einsetzende Fuchs sche Hornhaut-Dysplasie Pfeile: Ausstülpungen Gottsch et al., 2005b

39 3. Erkrankungen der Linse (Grauer Star = Katarakte) Morphologisch vielfältig Kongenitale Formen selten(er); Alterskatarakt sehr häufig Nahttrübung Kerntrübung (axiale Trübung)

40 Graw et al., 2006 Mutation in CRYAA (Mensch): Katarakt mit Hypoplasie der Macula und des Sehnerv-Kopfes (nur rechtes Auge gezeigt) Ansatz: funktionelle Kandidatengen-Suche (kleine Familie) Kausale Mutation für Katarakt: CRYAA: 62 C T: Arg21Leu Kausale Mutation für Maculahypoplasie: doppelt-heterozygot in P (=OCA2)!!! Kooperation mit Prof. Lorenz, Augenklinik Universität Regensburg (jetzt Gießen)

41 Struktur-Proteine in der Augenentwicklung: Die β/γ-kristalline und ihr Griechisches-Schlüssel Motiv

42 Struktur-Proteine in der Augenentwicklung β-kristallin-gene: Die β/γ-kristalline Chromosomen 2q34 CRYBA2 17q11 CRYBA1 22q11 CRYBA4, CRYBB11, CRYBB2, CRYBB3 Proteine: 4 Griech. Schlüssel- Motive γ-kristallin-gene: Ex1 Ex2 Ex3 Ex4 Ex5 Ex6 Ex1 Ex2 Ex3 Chromosomen 2q33 CRYGA, CRYGB, CRYGC, CRYGD, ψcryge, ψcrygf 3q27 7q36 CRYGS CRYGN (Sonderfall)

43 3. Erkrankungen der Linse (Grauer Star = Katarakte) rotes Auge Katarakt +/+ +/- -/- Katarakte von Geburt an: Zentrale Kerntrübung mit leichter corticaler Ringtrübung B: rechtes Auge operiert Spontan bei der Mutter entstanden, beide Kinder betroffen Kleine Familie keine Kartierung IDG Pauli et al., 2007

44 3. Erkrankungen der Linse (Grauer Star = Katarakte) Mutation in CRYBB2: Asp128Val (Exon 5) Mutante: zusätzliche Restriktionsschnittstelle Pauli et al., 2007

45 3. Erkrankungen der Linse (Grauer Star = Katarakte) Mutation in CRYBB2 Kontrolle: Ko-Segregation in der Familie und: Mutation kommt nicht in der allg. Bevölkerung vor! Pauli et al., 2007

46 3. Erkrankungen der Linse (Grauer Star = Katarakte) Mutation in CRYG genes Bilateral lamellar cataract in father and daughter Mutation in CRYGD; Santhiya et al., 2002

47 Mutationen in menschlichen CRYG Genen verantwortlich für congenitale Katarakte (Auswahl): CRYGA -- CRYGB -- CRYGC A13C (Coppock-like) insGCGGC (zonular-pulverulent) C502T (lamellar) CRYGD C43T (punctate-progressive) C70A (lamellar seepreviousfigure) 2 further cases: coralliform and cerulean! C109A (prismatic crystals) G176A (aculeiform) G470A (central-nuclear) (CRYGE und CRYGF : Pseudogene) Bemerkenswerte Zahl polymorpher Stellen in den CRYG Genen: Prä-disposition für altersabhängige Katarakte?

48 Mouse model for age-related cataracts: The Emory Mouse 1 st paper: Kuck et al., 1981: apparent at 6-8 months: dominant inheritance at the GSF since June months: Wt Emory Test for functional candidate: No mutation in Cryg genes... Mapping result: (Fig: Jana Löster) linkage to 4 chromosomes

49 Beispiel für Katarakt-Ursache: Mutationen in GJA8 (I) (codiert für Connexin-50) Mutation co-segregiert in der Familie und ist nicht vorhanden in 96 Kontrollen Schmidt et al., 2008 Heterozygot: Homozygot: schwache Trübung ( triangular cataract ) Mutationsanalyse in GJA8 als einem von mehreren Kandidatengenen:

50 Beispiel für Katarakt-Ursache: Mutationen in GJA8 (II) (codiert für Connexin-50) Dominante Form; heterozygoter Patient Mutationsanalyse in GJA8: eines von mehreren Kandidatengenen Mutation co-segregiert nicht in der Familie (gesunde Mutter ist auch heterozygot); ist nicht vorhanden in 96 Kontrollen (seltener neuer SNP!!) Funktionsanalyse in Oozyten: rekombinantes Protein der Mutante unterscheidet sich nicht vom Wildtyp-Protein! Beyer et al., 2009

51 4. Glaukom (Grüner Star) Gesunder Sehnervkopf Ausgeprägter Glaukomschaden am Sehnervkopf mit tiefer Exkavation (Aushöhlung). Leitsymptom: erhöhter Augeninnendruck Später: Degeneration des Sehnervs und Erblindung Häufigkeit: ca. 60 Mio Menschen weltweit

52 Wiggs, Glaukom: genetische und morphologische Heterogenität

53 4. Glaukom: Myocilin (MYOC) als Glaukom-Gen (GLC1A, Chr. 1q21) Spaltung 3% der Glaukom- Patienten (POAG) haben eine Mutation in MYOC. 1,6% der Glaukom- Patienten (POAG) haben die Mutation Gln368Stop (Gründer-Effekt) POAG: primäres Offenwinkel-Glaukom (primary open-angle glaucoma) Fingert et al, 2002 Proximaler Promotor Exon 1 Exon 2 Exon 3 Gen: 17 kb Transkript: 3 Exons Protein: 504 Aminosäuren (57 kda) Chaperon-Funktion?

54 4. Glaukom: CYP1B1 als Glaukom-Gen (GLC3A; Chr. 2p21) Bes: primäres congenitales Glaukom (PCG) Exon (Mutationen) Kodiert für ein Cytochrom-P450-Enzym Beteiligt am Stoffwechsel von Steroiden, Retinol und Retinal, Arachidonsäure, Melatonin. Vasiliou & Gonzalez, 2008; Ray et al., 2003 Gen: >12 kb Transkript: 3 Exons (1 nicht translatiert) Protein: 543 Aminosäuren (~60 kda) Regionale Unterschiede von PCG: 1: Westliche Länder 1: Andhra Pradesh (Indien) 1: Mittl. Osten 1: Roma in der Slowakei

55 4. Glaukom: Optineurin (OPTN) als Glaukom-Gen (GLC1E; Chr. 10p15) Exons (Mutationen) ~17 % der erblichen Glaukom-Patienten ohne erhöhten Augeninnendruck haben eine Mutation in OPTN Gen: 37 kb Transkript: 16 Exons (3 nicht translatiert) Protein: 577 Aminosäuren (~63 kda) Aber: alternatives splicing 3 Isoformen! Sezerniertes Protein, Funktion?? Ray et al, 2003

56 5. Erkrankungen der Retina Haupterkrankungen: Retinitis pigmentosa Leber sche kongenitale Amaurosis Usher Syndrom Macula Dystrophy >133 Gene, große klinische und genetische Heterogenität! Daiger 2004

57 Histologie und Die Cytologie Retina des Auges Die Retina ist der sensorische Bereich des Auges. Sie ist von einem Arteriengeflecht durchzogen. Die Fovea ist der Punkt des schärfsten Sehens.

58 Histologie der Retina Licht Sehnerv

59 Photorezeptorzellen: Stäbchen und Zäpfchen Stäbchen: Schwarz-Weiß-Sehen (enthalten 1000 Membranplättchen mit Rhodopsin) Zapfen: Farbsehen (enthalten auch etwa 1000 Membraneinfaltungen) drei verschieden Typen von Zapfen für das trichromatische (Farb)Sehen.

60 Signalketten in den Photorezeptor-Zellen Licht R = Rhodopsin T = Transducin (α, β, γ) PDE = Phosphodiesterase

61 Elektroretinographie (Maus): Untersuchung der Reizleitung in der Retina µv stimulus (flash light) b-wave Reizweiterleitung in der Retina zum Sehnerv Antwort der Photorezeptoren a-wave Latency of a-wave Latency of b-wave

62 5. Erkrankungen der Retina Leber sche kongenitale Amaurosis LCA: Schwerste retinale Erkrankung mit Erblindung (ERG = 0) Eintrittsalter <1 Jahr 14 verschiedene Gene Daher hohe klinische Variabilität!!! Fundus Fluoreszenz OCT (optical coherence tomography) Simonelli et al., 2007

63 5. Erkrankungen der Retina Leber sche kongenitale Amaurosis Gen Chr. OMIM Häufigkeit Genfunktion CEP290 12q % Zentrosomales Protein GUCY2D 17p % Guanylat Cyclase CRB1 1q % Homol. zu Crumbs (Dros.; Membranprotein) IMPDH1 7q % RPE65 1p % AIPL1 17p % RPGRIP1 14q % RDH12 14q % LCA5 6q % CRX 19q % TULP1 6p >1 % MERTK 2q >1 % LRAT 4q >1 % RD3 1q >1 % Den Holländer et al., 2008

64 Erkrankungen der Retina: Usher Syndrom Häufigste Ursache für kombinierte Form von Blindheit und Taubheit; Häufigkeit ~1: Klinische Heterogenität: USH1: congenitale Taubheit, Beginn der Retinitis pigmentosa vor Pubertät (25-44% aller USH-Patienten in Europa) USH2: mittlerer bis schwerer Hörverlust, später Beginn der Retinitis pigmentosa (56-75% aller USH-Patienten in Europa) 56-year-old Caucasian male with Usher syndrome type II USH3: fortschreitender Hörverlust und variable Retinitis pigmentosa (~2% aller USH-Pateienten in Europa, aber 20% in Birmingham, 42% in Finnland) Reiners et al., 2006

65 Erkrankungen der Retina: Usher Syndrom - Genetische Heterogenität - Reiners et al., 2006

66 Erkrankungen der Retina: Usher Syndrom Mechanismus: Funktionsstörung der Zilien in den Photorezeptorzellen Schwarze Punkte: Vorkommen von Myosin VIIa (Immunogold) Die anderen Usher-Proteine wurden auch an der Pericillin-Membran entdeckt Williams 2008

67 Altersabhängige Makula-Degeneration: Komplexe Erkrankung: klinisch und genetisch Cook et al., 2008

68 Altersabhängige Makula-Degeneration: Komplexe Erkrankung: klinisch und genetisch Jahre: ~0,2 % Über 85 Jahre: 13 % Swaroop et al., 2009

69 Altersabhängige Makula-Degeneration: Chromosomale Kopplung bzw. Assoziation ABCA4: ATP-bindende Kasette, Unterfamilie A, Mitglied 4 ARMS: Age-related macula degeneration, susceptibility 2 CF(B, H, I): Complement Factor (B, H, I) Swaroop et al., 2009

70 Altersabhängige Makula-Degeneration: Chromosomale Kopplung bzw. Assoziation: Details ARMS: Age-related macula degeneration, susceptibility 2 CF(B, H, I): Complement Factor (B, H, I) Swaroop et al., 2009

71 Altersabhängige Makula-Degeneration: Mechanismen Swaroop et al., 2009

72 5. Erkrankungen der Retina weiteres Beispiel: Retinoschisis Skoptopisches Sehen: Nachtsehen Zeng et al., 2004