Was geschieht im Labor eines Instituts für Humangenetik?

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1 16 Was geschieht im Labor eines Instituts für Humangenetik? Diese Information wurde unter Mitwirkung von Dr. Ian M Frayling, Institute of Medical Genetics, University Hospital of Wales, Cardiff, UK; Dr. Domenico Coviello, Laboratory of Medical genetics, Fondazione IRCCS Milan, Italy und The Genetic Interest Group erstellt. Übersetzung: Prof. Dr. R. Peter Nippert Juni 2009 Dieser Text wurde mit Unterstützung von EuroGentest angefertigt, ein vom EU-FP6 gefördertes Network of Excellence, Kontrakt Nr: E Illustrationen: Rebecca J Kent rebecca@rebeccajkent.com Informationen für Patienten und ihre Familien

2 2 15 Was geschieht im Labor eines Instituts für Humangenetik? Die nachfolgenden Informationen sollen Ihnen einen Einblick davon geben, was mit einer Gewebe-/ Blutprobe geschieht, die an ein Labor eines Humangenetischen Instituts geschickt worden ist. Die wesentlichsten Sachverhalte, die hier dargestellt werden sind: die verschiedenen Methoden, die im Rahmen genetischer Untersuchungsverfahren im Labor angewendet werden; die Gründe dafür, warum manche der genetischen Untersuchungsverfahren so lange Zeit in Anspruch nehmen, während andere vergleichsweise schnell durchführbar sind, und warum in manchen Fällen im Labor kein Ergebnis festgestellt werden kann. Detailliertere Informationen darüber, warum Sie eventuell genetische Untersuchungsverfahren in Anspruch nehmen sollten, finden Sie im Infortmationsblatt: Was ist ein prädiktives genetisches Testverfahren? Was sind genetische Testverfahren? Die meisten genetischen Testverfahren untersuchen die DNA, die chemische Substanz in unseren Zellen, die unserem Körper die Befehle für Wachstum, Entwicklung und seine Funktionen erteilt. Die DNA ist eine Kette von kodierten Anweisungen, die in speziellen Befehlen zusammengefasst sind, die als Gene bezeichnet werden. Ein Mensch besitzt etwa verschiedene Gene, die auf einer

3 14 Gesundheitsversorgung darauf Zugriff hat. Manche Menschen befürchten, dass auch die Polizei auf ihre DNA Zugriff nehmen könnte. Dabei handelt es sich um einen äußerst seltenen Vorgang. Falls die Polizei Zugriff auf eine DNA Probe aus einem humangenetischen Labor nehmen möchte, ist dies nur dann möglich, wenn ein richterlicher Beschluß vorliegt (so wie es auch für alle anderen Bestandteile der Krankenakte gilt). 3 Anzahl fadenförmiger Strukturen, die man Chromosomen nennt, aufgereiht sind. Wir erhalten unsere Chromosomen von unseren Eltern, jeweils 23 von unser Mutter und 23 von unserem Vater. Das bedeutet, daß wir zwei Chromosomensätze oder 23 Chromosomenpaare haben. Wenn man sich die Genetik als Buch des Lebens vorstellt, dann stellt die DNA die Buchstaben dar, die Gene die Wörter und die Chromosomen die Kapitel dieses Buches. Abb.: 1 DNA, Gene und Chromosomen Veränderungen in den Genen oder den Chromosomen werden als Mutationen bezeichnet. Man kann sich eine Mutation als Schreibfehler bzw. als Veränderung der Anordnung einer Anzahl von Wörtern in einem Satz vorstellen. Mutationen treten sehr häufig auf. Wir haben alle eine Vielzahl davon. Eine Mutation kann sowohl günstige als auch ungünstige oder auch überhaupt keine Auswirkungen haben. Das hängt von Umweltbedingungen, dem Zufall, oder auch von Veränderungen in anderen Genen ab. Mutationen können immer dann Probleme bereiten, wenn dadurch ein Gen oder Chromosom daran gehindert wird, dem

4 4 Körper die richtigen Anweisungen zu geben, die er zum korrekten Funktionieren benötigt. Genetische Testverfahren sind daher darauf ausgerichtet, Mutationen in einem bestimmten Gen oder Chromosom zu finden. In der Regel werden diese Untersuchungsverfahren an Blut oder anderem Gewebe vorgenommen. (In einigen Fällen reicht eine Speichelprobe, um DNA zu erhalten. Allerdings benötigen die Wissenschaftler für die Untersuchungen eine gewisse Menge DNA von hoher Qualität, daher ist es besser, mit Blut zu arbeiten). Den Patienten wird also eine Blutprobe entnommen und diese an ein Labor gesandt, wo die Gene oder Chromosomen untersucht werden. Üblicherweise haben Humangenetische Institute zwar ihre eigenen Labore, da es jedoch eine Vielzahl genetischer Untersuchungsverfahren für viele unterschiedliche Störungen gibt, machen nicht alle Labore alle Untersuchungen. Dies trifft insbesondere für die seltenen genetischen Störungen zu. Daher wird eine Probe manchmal an ein bestimmtes Labor gesandt, weil es sich auf die Untersuchungsmethode spezialisiert hat, die der Arzt durchgeführt haben möchte. Man sollte sich stets vor Augen führen: ein genetisches Testverfahren kann nur ein Ergebnis über diejenige Störung liefern, für die es entwickelt worden ist. Es gibt kein allgemeines Testverfahren für alle genetischen Störungen. Das genetische Untersuchungsverfahren, das an einem Institut für Humangenetik durchgeführt wird, soll Informationen über den Gesundheitszustand einer Person oder Familie bereitstellen. Im Allgemeinen werden dort keine Untersuchungen für andere Zwecke durchgeführt wie z.b. Vaterschaftsuntersuchungen, obwohl im Laufe des Untersuchungsverfahrens diese Information anfallen kann. Humangenetische Labore Es gibt zwei Hauptformen humangenetischer Labore. Die einen guter Verfahrensqualität eingerichtet worden sind. Was geschieht mit meiner Probe, wenn die Untersuchung abgeschlossen ist? Üblicherweise speichern die Labore die DNA und Chromosomenproben, es sei denn ein Patient besteht darauf, dass seine Probe nach beendeter Untersuchung vernichtet wird. Jedes Labor wird Ihnen jederzeit bereitwillig Auskunft über Ihre Probe geben, und Sie können natürlich jederzeit verlangen, dass Ihre Probe vernichtet oder an Sie herausgegeben wird. Ohne Zustimmung des jeweiligen Patienten werden daran auch keine Untersuchungen wegen anderer Störungen vorgenommen. Da stets verbesserte Testverfahren entwickelt werden, können, bei Vorliegen der Zustimmung des Patienten, diese neuen Testverfahren an gespeicherten Proben vorgenommen werden (etwa, wenn die ursprünglichen Untersuchungen ergebnislos geblieben waren). Auf diese Weise können Patienten wie Kliniker sicher sein, dass jeweils die aktuellsten Untersuchungstechniken zum Einsatz kommen. Laboratorien verwenden auch anonymisierte DNA Proben um neue Untersuchungsverfahren zu entwickeln oder tauschen sie im Rahmen von Qualitätssicherungsmaßnahmen untereinander aus, es sei denn, dass ein Patient die Verwendung seiner Probe für s o l c h e M a ß n a h m e n ausgeschlossen hat. Die DNA gilt, wie jede andere gespeicherte klinische Probe, als Bestandteil der Krankenakte des Patienten und unterliegt deshalb der ärztlichen Schweigepflicht. Das heißt, dass a u s s c h l i e ß l i c h s a c h gerecht ausgewiesenes Personal der 13

5 12 zeitraubenden Prozeß machen können. Andererseits, im Falle der Huntington schen Krankheit, treten die Mutationen im Huntingtin Gen immer in dergleichen schmalen Region auf. Daher wissen die Wissenschaftler genau, wo sie in welcher Gegend des Gens zu suchen haben. Daher ist dieses genetische Untersuchungsverfahren ziemlich leicht und viel schneller durchführbar. Auch die Qualität der zur Verfügung stehenden DNA ist ein wichtiger Einflussfaktor. Manche Labore müssen erst die DNA von verstorbenen Personen untersuchen, um die jeweilige Mutation zu identifizieren. Wenn dann die DNA des Verstorbenen von schlechter Qualität ist, kann sich die Untersuchungszeit bis zur Identifikation der Mutation verdoppeln oder verdreifachen. In manchen Fällen ist es sogar unmöglich, die Analyse vollständig durchzuführen, weil zu wenig DNA zur Verfügung steht. Können Untersuchungsergebnisse falsch sein? untersuchen Gene, die anderen Chromosomen. 1) Zytogenetik Wenn ein Arzt den Verdacht hat, eine genetische Störung sei durch eine Veränderung e i n e s C h r o m o s o m s hervorgerufen worden, wird er ein zytogenetisches Labor bitten, die Chromosomen des entsprechenden Patienten zu untersuchen. Dazu können Blut- oder Hautproben oder Material, das bei einer Amniozentese oder einer CVS gewonnen wurde, verwendet werden. Zunächst werden Zellkulturen angelegt. Diese Zellen werden dann auf Objektträger übertragen und die Chromosomen angefärbt, um sie besser sichtbar zu machen. Abb.: 2 So sehen Chromosomen unter dem Mikroskop aus 5 Weil genetische Untersuchungsergebnisse sehr wichtige Konsequenzen für eine Person und ihre Verwandten haben können, werden sie sehr sorgfältig erstellt. Um sicher zu stellen, dass ein korrektes Ergebnis übermittelt wird, sind vielfältige Überprüfungsschritte zu absolvieren. Wird eine Mutation gefunden, so wird das Ergebnis immer auf Richtigkeit überprüft; (obwohl viele Schritte des Untersuchungsprozesses von Maschinen durchgeführt werden, überprüft stets ein Wissenschaftler die jeweiligen Ergebnisse). Außerdem wird oft mit Hilfe eines weiteren Testverfahrens das zuerst gefundene Ergebnis erneut überprüft. Festgelegte Verfahrensschritte sichern, dass die einzelnen Proben nicht vertauscht werden. Darüber hinaus beteiligen sich viele Labore an Qualitätssicherungsverfahren (QS), die zur Sicherung verläßlicher humangenetischer Untersuchungsergebnisse und

6 6 Der Zytogenetiker überprüft als Erstes die Chromosomenzahl. Manche Störungen werden durch überzählige Chromosomen hervorgerufen. Eins der bekanntesten Beispiele dafür ist das Down Syndrom. Menschen mit dieser Störung haben ein Chromosom zu viel in ihren Zellen. Außerdem untersucht der Zytogenetiker die Chromosomenstruktur. Veränderungen der Chromosomenstruktur können dann entstehen, wenn das Material eines Chromosoms abgebrochen und irgendwie neu angelagert worden ist. Dabei kann es zur Hinzufügung oder dem Verlust von chromosomalem Material kommen. Die dabei möglichen Veränderungen können so gering sein, daß es manchmal schwierig ist, sie zu entdecken. In solchen Fällen wird manchmal eine andere Untersuchungsmethode eingesetzt, die man Fluoreszenz In-Situ Hybridisierung (FISH) nennt. Sie wird verwendet, um Veränderungen nachzuweisen, die zu klein sind, um sie im Mikroskop zu erkennen, oder um sich Gewißheit über eine geringe Veränderung zu verschaffen, die unter dem Mikroskop erkennbar war. Abb.: 3 Chromosomen nach der Größe geordnet, ein sog. Karyotyp 11 Man sollte sich daher stets klar machen, dass die genetischen Untersuchungsverfahren und unser Wissen über die Genetik sich enorm schnell entwickeln und erweitern. Das bedeutet, dass die Wissenschaftler eine Mutation, die jetzt nicht gefunden werden kann, eventuell in Zukunft, mit Hilfe neuer Untersuchungsverfahren identifizieren können. Warum dauern manche genetische Untersuchungsverfahren so lange, während andere vergleichsweise schnell durchgeführt werden können? Wenn das Labor genau weiß, welche Mutation zu suchen ist, weil ein Verwandter die gleiche Störung aufweist, oder wenn das Labor die Stelle kennt, wo nach der Mutation in dem Gen gesucht werden muß, ist die Aufgabe viel leichter lösbar. In solchen Fällen dauert das genetische Untersuchungsverfahren eine oder zwei Wochen. Wenn jedoch in der Vergangenheit in der Familie keine Mutation aufgetreten ist, bzw. wenn eine ganze Reihe von Genen mit der Störung assoziiert sind, dauert es entsprechend länger, bis ein Ergebnis vorliegt. Anstatt sich auf eine Stelle in einem Gen zu konzentrieren, muß das Labor das gesamte Gen oder sogar mehr als ein Gen analysieren. Das ist ein äußerst langwieriger Prozeß und kann mehrere Monate in Anspruch nehmen und hängt davon ab, wie groß das Gen ist und welche Ressourcen dem Laboratorium zur Verfügung stehen. Beispielsweise im Fall der Muskeldystrophie Typ Duchenne wird die Störung von Mutationen in einem Gen verursacht, das Dystrophin genannt wird. Es ist eines der längsten bekannten Gene. Das bedeutet, dass Tausende verschiedener Mutationen auftreten können, die die Suche nach der spezifischen Mutation dieser Familie zu einem sehr arbeitsintensiven und

7 10 Es kommt auch vor, dass ein Labor keine Aussage darüber machen kann, ob eine gefundene Mutation ursächlich für eine Störung ist, weil es sich nur um eine geringfügige Veränderung der DNA handelt. Solche Mutationen werden unklassifizierte Varianten genannt. Das ist, wenn es auftritt, für alle Betroffenen äußerst unbefriedigend. Es ist jedoch von größter Wichtigkeit, dass eine Mutation keinesfalls von einem Labor als gesundheitsschädlich gekennzeichnet wird, wenn nicht feststeht, dass sie es tatsächlich ist, weil das dazu führen könnte, dass jemandem eine falsche Diagnose gestellt werden könnte. Können im Labor die Mutationen immer gefunden werden? Manchmal wird ein genetisches Testverfahren durchgeführt, um die Ursache einer Störung zu identifizieren, aber es wird keine Mutation gefunden. Es gibt dafür eine Reihe von Gründen, die das erklären: Meist sucht ein genetisches Untersuchungsverfahren nur nach der häufigsten Mutation, die die jeweilige Störung verursacht. Es kann sein, dass ein Patient eine ungewöhnliche Mutation besitzt, die deshalb vom Labor nicht gefunden wird. Es kann auch sein, dass die Wissenschaftler noch nicht alle Gene, die die genetische Störung bewirken, identifiziert haben. Es ist auch möglich, dass der Patient die Störung, die er scheinbar haben soll, gar nicht hat, und dass deshalb die Wissenschaftler nicht das richtige Gen untersuchen. 7 Zytogenetische Untersuchungen können zeitaufwendig sein. Zunächst muss das Labor eine Zellkultur anlegen und die Zellen wachsen lassen, das dauert mindestens eine Woche. Eine weitere Woche ist für die Vorbereitung der Objektträger und die Untersuchung der Chromosomen unter dem Mikroskop erforderlich, weil jeweils ein Chromosom nach dem anderen untersucht werden muss. 2) Molekulargenetik Wenn ein Arzt vermutet, eine genetische Störung sei durch eine Veränderung (Mutation) in einem Gen hervorgerufen, wird er ein molekulargenetisches Labor beauftragen, die DNA von einem bestimmten Gen zu untersuchen. Die Befehle, die in der DNA gespeichert sind, sind in einem Code geschrieben, der aus 4 Buchstaben besteht: A, C, G und T. Das molekulargenetische Labor kann die genaue Abfolge (Sequenz) des Codes in einem bestimmten Gen untersuchen, um festzustellen, ob fehlerhafte Abfolgen, so zu sagen Schreibfehler, entstanden sind. Allerdings besteht ein einziges Gen aus oder mehr Buchstaben des DNA Codes. Das bedeutet, die Fertigkeit eines Molekulargenetikers besteht darin, diesen Code zu lesen und Veränderungen zu finden. Falls diese Veränderungen bewirken, dass das Gen dem Körper keine korrekten Anweisungen gibt, so kann daraus eine genetische Störung resultieren. Im Unterschied zu Chromosomen, kann man die DNA nicht unter dem Mikroskop betrachten. Daher extrahiert der Molekulargenetiker die DNA aus den Zellen und benutzt sie, um spezifische chemische Reaktionen ablaufen zu lassen, um den Code des entsprechenden Gens zu lesen. Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Techniken, um Mutationen zu entdecken. Üblicherweise wird eine bestimmte Sequenz der DNA untersucht.

8 8 Abb.: 4 DNA Sequenzierung: Finde den Unterschied! 9 Expertenwissen über die Krankheit und über das Gen bzw. das Chromosom, das mit der Krankheit in Zusammenhang steht sowie größte Aufmerksamkeit auf geringste Veränderungen. Also, wie kann ein Labor nun herausfinden, ob eine Mutation gutartig, gesundheitsschädlich oder völlig bedeutungslos ist? Normale Sequenz Sequenz des Patienten Hier ist ein kurzes Stück des Codes eines Gens abgebildet. Wenn Sie die Abbildung in Farbe sehen können, dann sehen Sie, dass jeder Buchstabe des DNA Codes in einer unterschiedlichen Farbe dargestellt ist. Das linke Bild zeigt die normale Sequenz, das rechte Bild ist die Sequenz des Patienten. Im linken Bild hat die Kurve, die zu jedem Buchstaben gehört, nur einen Gipfel. Im Bild auf der rechten Seite kann man aber sehen, dass die Kurven dieses Patienten zwei Gipfel an derselben Stelle haben, ein G (schwarze Kurve) und ein C (blaue Kurve). Das zeigt, dass an dieser Stelle eine Mutation auf einem der Chromosomenpaare vorliegt. Woran kann ein Labor erkennen, ob eine Mutation gesundheitsschädliche Folgen hat? Das ist eine sehr wichtige Fragestellung. In humangenetischen Labors kursiert eine Feststellung die lautet: "Eine Mutation zu finden ist nicht schwer, das kann jeder. - Aber sie richtig zu interpretieren, das kann nicht jeder." Mutationen können unterschiedliche Schweregrade aufweisen und um zu erkennen welche Auswirkungen eine Mutation haben wird, bedarf es Voraussetzung dafür ist, dass ein Experte, also ein klinischer Genetiker, den jeweiligen Patienten untersucht hat und dessen Verwandte und deren Krankengeschichten kennt sowie darüber hinaus auch die Ergebnisse anderer klinischer Untersuchungen. Aus diesen Informationen ergeben sich für den Humangenetiker Hinweise, welches Gen oder Chromosom zu untersuchen ist. Zum Beispiel, wenn der Humangenetiker den Verdacht hat, dass der Patient an Mukoviszidose (Zystischer Fibrose) leidet, weil er Symptome dieser Störung aufweist, und auch andere Verwandte diese Symptome aufweisen, dann wird er dem Patienten Blut abnehmen, und die Probe an ein humangenetisches Labor zur Untersuchung senden. Dem Labor werden dazu alle relevanten Informationen über den Patienten und die Krankengeschichten seiner Verwandtschaft mit der Bitte mitgeteilt, nach den Veränderungen zu suchen, die Mukoviszidose (Zystische Fibrose) verursachen. Wenn im Labor auf dem Chromosomenpaar 7 zwei Mutationen gefunden werden, jeweils eine auf jedem der beiden Chromosomen, die Mukoviszidose (Zystische Fibrose) verursachen, dann ist gesichert, dass der Patient Mukoviszidose (Zystische Fibrose) hat. Manchmal kommt es vor, dass ein Kind eine Störung aufweist, aber keines seiner Eltern die Mutation hat. In diesen Fällen ist es wahrscheinlich, dass die Mutation erstmalig, bei der Empfängnis auftrat. Man nennt das eine de novo (lat.) Neumutation.