Molekulargenetische Diagnostik und genetische Beratung bei vererbten neurologischen Krankheiten

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1 Molekulargenetische Diagnostik und genetische Beratung bei vererbten neurologischen Krankheiten M. Hergersberg Institut für Medizinische Genetik der Universität Zürich Originalarbeit Summary Hergersberg M. [Molecular genetic diagnosis and genetic counselling of inherited neurological diseases.] Schweiz Arch Neurol Psychiatr 2001;152: The Mendelian inheritance of diseases caused by mutations in a single gene (monogenic diseases) has been known for more than a hundred years. Approximately fifty years ago the nature of a gene as a piece of DNA encoding the information for the amino acid sequence of a protein was recognised. During the last twenty-five years many of the genes changed (mutated) in monogenically inherited diseases have been identified. This information contributes to the understanding of the pathogenesis of neurological diseases and disease susceptibility. At the moment, the interest is focussed on the increased possibilities for diagnostic and prognostic purposes,and on the genetic counselling problems arising in the case of non-treatable inherited diseases. There is the hope, however, that this new knowledge will also be translated into new therapeutic strategies. Keywords: mutation; allele; polymorphism; mutation analysis; linkage analysis Zusammenfassung Seit etwa hundert Jahren ist bekannt, dass die Vererbung von Krankheiten, die auf Mutationen in einem Gen zurückgehen (monogene Erbkrankheiten), den Mendelschen Vererbungsregeln gehorcht. Seit etwa fünfzig Jahren weiss man, dass ein Gen ein Abschnitt auf der DNA ist, der die Information zur Bildung eines Proteins enthält. Während der letzten 25 Jahre wurden viele Gene identifiziert, deren Veränderung (Mutation) den monogenen Erkrankungen zugrunde liegt. Aus diesen Informationen entsteht ein vollständigeres Verständnis der Pathogenese neurologischer Krankheiten und Erkrankungsrisiken.Aktuell stehen die verbesserten diagnostischen und prognostischen Möglichkeiten im Vordergrund sowie die Beratungsprobleme, die diese Erkenntnisse bei nicht behandelbaren Krankheiten mit sich bringen. Es besteht aber die Hoffnung, dass sich hieraus innovative therapeutische Ansätze ergeben. Schlüsselwörter: Mutation; Allel; Polymorphismus; Mutationsanalyse; Kopplungsanalyse Monogen und polygen vererbte Erkrankungen Die Ursachen aller Krankheiten und Eigenschaften eines Organismus enthalten einen unterschiedlich grossen genetischen Anteil. Abbildung 1 illustriert das weite Spektrum von (fast) vollständig genetisch verursachten Krankheiten wie der Muskeldystrophie Duchenne bis zum (fast) vollständig durch Umweltfaktoren bestimmten Skorbut. Die Abbildung 1 Schematische Darstellung des unterschiedlich grossen genetischen Einflusses auf einige ausgewählte Krankheiten (nach [11]). Korrespondenz: Dr. Martin Hergersberg Institut für Medizinische Genetik Universität Zürich Rämistrasse 74 CH-8001 Zürich hergie@medgen.unizh.ch 138

2 Tatsache, dass genetische Faktoren bei der Krankheitsentstehung wichtig sind, erlaubt aber nicht ohne weiteres die Identifikation der entsprechenden Gene.Dies gilt in besonderem Mass für Krankheiten, bei deren Entstehung sowohl genetische als auch Umweltfaktoren beteiligt sind (multifaktorielle oder komplexe Erkrankungen). Dabei kann der genetische Anteil aus bestimmten Varianten (Allelen) eines Gens oder durch das Zusammenwirken der Allele vieler Gene bestehen. Entsprechend wird eine mehr oder weniger grosse Anfälligkeit für eine Krankheit vererbt, etwa gegenüber Umwelteinflüssen (Suszeptibilität). Im Gegensatz zu monogenetischen Krankheiten war die molekulargenetische Suche nach den Ursachen komplex vererbter Eigenschaften bisher relativ erfolglos. Da jede Zelle von jedem autosomalen Gen zwei Allele enthält, ist das Genprodukt des nicht mutierten Allels häufig ausreichend für eine normale Funktion, und nur bei Mutationen in beiden Allelen kommt es zu einer Erkrankung. Ein solcher autosomal-rezessiver Erbgang findet sich zum Beispiel bei verschiedenen Formen der spinalen Muskelatrophie (SMA) oder der Gliedergürtel-Muskeldystrophie (LGMD). Für den autosomal-rezessiven Erbgang ist es demnach charakteristisch, dass klinisch unauffällige Eltern betroffene Kinder haben. Von dieser Regel gibt es jedoch zahlreiche Ausnahmen, da autosomaldominant oder X-chromosomal vererbte Krankheiten auch als Folge von Neumutationen auftreten können. Wenn eine Mutation die Funktion des Genproduktes so verändert, dass dessen physiologische Funktion nicht durch das zweite, nichtmutierte Gen kompensiert werden kann,wird die Krankheit durch die Vererbung des mutierten Allels von nur einem Elternteil weitergegeben, welcher in der Regel ebenfalls von der Erkrankung betroffen ist. Dadurch resultiert ein autosomal-dominanter Erbgang, wie etwa bei der Muskeldystrophie vom Typ Steinert oder der Huntington-Krankheit. Während beide Geschlechter bei autosomal-rezessiv und autosomal-dominant vererbten Krankheiten gleich häufig betroffen sind, sind beim X-chromosomalen Erbgang fast nur Männer betroffen, beispielsweise bei der X-chromosomal vererbten Muskeldystrophie Becker-Duchenne. Einführung und Übersicht in die Humangenetik im allgemeinen und neurogenetische Erkrankungen im besonderen findet sich in der angegebenen Literatur [1 3]. Eine sehr breit angelegte Zusammenfassung humangenetischer Informationen im Internet ist die OMIM-Datenbank (Online Mendelian Inheritance in Men [4, 5]). Allelische und genetische Heterogenität Verschiedene Mutationen in demselben Gen können zu unterschiedlichen Phänotypen führen (allelische Heterogenität).So können unterschiedliche Mutationen des Dystrophin-Gens in einem milden Phänotyp einer Muskeldystrophie (Typ Becker) oder in einem schweren Phänotyp (Typ Duchenne) resultieren. In einzelnen Familien mit X-chromosomal vererbter Kardiomyopathie wurden ebenfalls Mutationen im Dystrophin-Gen nachgewiesen. Pathogenetisch unterscheiden sich die verschiedenen Mutationen vor allem durch die noch gebildete Proteinmenge. Je weniger normal funktionierendes Dystrophin gebildet wird, um so schwerer ist der Krankheitsverlauf. Dieser Zusammenhang findet sich auch bei zahlreichen autosomal-rezessiv vererbten Krankheiten wie zum Beispiel der spinalen Muskelatrophie. Ein weiteres Beispiel für allelische Heterogenität oder multiple Allelie sind die verschiedenen Mutationen im CACNL1A4-Gen, welches die Erbinformation für eine Untereinheit eines spannungsabhängigen Kalzium-Kanals enthält. CACNL1A4-Mutationen, die zu einem Aminosäureaustausch führen (Missense-Mutationen), liegen der familiären hemiplegischen Migräne zugrunde. Mutationen, die die Proteinbildung verhindern (Nonsense-Mutationen), resultieren in episodischer Ataxie Typ 2. Eine instabile Triplet- Repeat-Expansionsmutation des CACNL1A4- Gens bedingt die spinozerebelläre Ataxie Typ 6 (SCA6). Alle diese Krankheiten werden autosomal dominant vererbt, sind klinisch sehr verschieden und gehen auf verschiedene Mutationen im selben Gen zurück. Umgekehrt können Mutationen in verschiedenen Genen phänotypisch sehr ähnliche Erkrankungen verursachen (genetische Heterogenität). So sind für die Gliedergürtel-Muskeldystrophie mindestens 13 verschiedene chromosomale Lokalisationen beschrieben, wobei erst neun mutierte Gene bekannt sind.da es auch eine klinische Überschneidung mit der Muskeldystrophie Duchenne und anderen Muskeldystrophien gibt, ist eine genaue Diagnose bei einer genetischen Heterogenität in diesem Ausmass oft erst durch eine interdisziplinäre Analyse von Neurologen, Neuropathologen und Genetikern zu stellen. Einen Überblick über die Vielzahl identifizierter Mutationen in zahlreichen Krankheitsgenen findet sich in der Human Gene Mutation Database (HGMD [6]). 139

3 Direkte und indirekte Mutationsanalyse Ist die Nukleotidsequenz eines bei einer Erbkrankheit mutierten Gens bekannt, kann bei Patienten und Anlageträgern die Mutation in diesem Gen direkt identifiziert werden (direkte Diagnostik, Mutationsdiagnostik; Abb. 2, unterer Bildabschnitt). Ist das Gen unbekannt, aber die Lokalisation des Gens im Genom bekannt oder ist die Mutation in einem Gen unbekannt, kann die Vererbung der genomischen Region, die die unbekannte Mutation enthält, in einer Familie verfolgt werden (indirekte Diagnostik, Kopplungsanalyse; Abb. 2, oberer Bildabschnitt). Das für eine diagnostische Fragestellung am besten geeignete Vorgehen hängt von mehreren Faktoren ab: der genetischen Heterogenität der untersuchten Krankheit, der Familienanamnese und der Genauigkeit, mit der die klinisch-pathologische Diagnose gestellt werden kann. Drei methodische Prinzipien bilden die Grundlage der meisten humangenetischen Untersuchungen auf DNA-Ebene: 1. Vervielfältigung von DNA-Fragmenten durch die Polymerase-Kettenreaktion (PCR). 2. Auftrennung von DNA-Fragmenten im elektrischen Feld aufgrund ihrer elektrischen Ladung und anderer Parameter wie Grösse oder dreidimensionale Struktur (Elektrophorese). 3. Bindung von zwei einzelsträngigen DNA-Sequenzen nach dem Prinzip der Basenpaarung (Hybridisierung). Abbildung 2 Durchführung einer indirekten Kopplungsanalyse (a) und einer direkten Mutationsanalyse (b) einer X-chromosomal vererbten Erkrankung. Im oberen Teil Stammbaum der untersuchten Familie, im unteren Teil die schematische Darstellung der elektrophoretischen Auftrennungen bei der indirekten Mikrosatellitenanalyse (Mitte) und der Mutationsanalyse durch Restriktionsverdau (unten). Die PCR-Produkte sind durch Balken angedeutet. Auf der linken Seite des Stammbaums ist schematisch die Durchführung einer pränatalen Diagnose dargestellt (Rautensymbol; Pfeil). Alle dargestellten Resultate zeigen, dass das ungeborene Kind nicht das mutierte Allel geerbt hat, welches beim Indexpatienten (schwarzes Stammbaumsymbol) gefunden wird. Allerdings zeigen die Resultate auch eine leichte Verunreinigung der untersuchten DNA mit mütterlicher DNA (offene Balken in den Abbildungen der Elektrophoreseresultate). Auf der rechten Seite des Stammbaums wird eine Überträgerinnendiagnose dargestellt. Die Schwester des Indexpatienten hat ein Genträgerinnen-Risiko von 50%. Hier wird gefunden, dass die Probandin Trägerin der Mutation ist (Doppelpfeil). Die drei verschiedenen Allele des polymorphen Mikrosatelliten sind mit 1 bis 3 bezeichnet. Auch hier geben die unteren Abschnitte die Elektrophoresegele wieder, mit denen die Reaktionsprodukte nachgewiesen werden (nach [12]). Direkte Diagnostik Eine direkte molekulargenetische Diagnostik kann mit der DNA einer einzelnen Person durchgeführt werden. Die amplifizierte DNA von Teilen eines Gens wird nach Änderungen ihres physikalischen und/oder biochemischen Verhaltens untersucht. Eine Anzahl von Methoden eignet sich für den Nachweis schon bekannter Mutationen. Sequenzanalyse: Der Beweis für das Vorliegen einer Punktmutation oder einer nur wenige Basenpaare umfassenden Genmutation wird durch eine Bestimmung der veränderten DNA-Sequenz erbracht. Diagnostischer Restriktionsverdau: Häufig wird durch eine Mutation die charakteristische Erkennungssequenz eines Restriktionsenzyms entweder zerstört oder neu geschaffen. Nach der PCR-Amplifikation der zu untersuchenden Sequenz kann mit einem Verdau des PCR-Produktes durch ein entsprechendes Restriktionsenzym und anschliessender Gelelektrophorese das Vorliegen oder das Nicht-Vorliegen der Mutation gezeigt werden. Diese Analyse ist im unteren Teil der Abbildung 2 schematisch illustriert. In diesem Beispiel ist durch die Mutation eine neue Schnittstelle für ein Restriktionsenzym entstanden. Die beiden kleineren Fragmente, die durch den Restriktionsverdau entstehen, zeigen nach gelelektrophoretischer Trennung somit das Vorliegen der Mutation an. Im linken Teil der Abbildung ist die Untersuchung einer Familie im Rahmen einer pränatalen Diagnose für eine X-chromosomal vererbte Erkrankung dargestellt. Allel-spezifische Oligonukleotid-Hybridisierung (ASO): Bei dieser weit verbreiteten Analysemethode bekannter Mutationen kann durch Automatisierung und Miniaturisierung die Zahl der auf 140

4 einem kleinen Filter oder einem Chip fixierten Proben auf viele tausend erhöht werden (Oligonukleotide oder amplifizierte DNA-Proben;DNA- Chips). Verschiedene Formen dieses Ansatzes werden in der molekularbiologischen Diagnostik in Zukunft vermutlich eine wichtige Rolle spielen. Indirekte Diagnostik Im Gegensatz zur direkten DNA-Analyse muss bei der indirekten DNA-Analyse immer DNA von mehreren betroffenen und nicht-betroffenen Familienangehörigen untersucht werden. Mit der Kopplungsanalyse (Linkage Analysis) wird in einer Familie die Vererbung von DNA-Polymorphismen untersucht, von denen angenommen wird, dass sie in der Nähe des unbekannten Gens liegen. Bei unbekanntem Genort kann mit dieser Methode auch die chromosomale Lokalisation einer Erkrankung gesucht werden (Whole Genome Screen). Am häufigsten werden dafür sogenannte Mikrosatelliten verwendet, kurze DNA-Sequenzen der Erbsubstanz, welche Wiederholungen desselben DNA-Sequenzmotivs wie Dinukleotide (z.b. CA), Trinukleotide (z.b. CAG) oder Tetranukleotide aufweisen. Durch unterschiedliche Wiederholungen des einfachen Sequenzmotivs können verschiedene Allele entstehen (z.b. 6 CA auf einem Chromosom und 8 CA auf dem anderen Chromosom, also ein Grössenunterschied von vier Basenpaaren). Die Genorte, welche die Mikrosatelliten beinhalten,werden mit PCR amplifiziert. Unterschiedliche Sequenzwiederholungen führen dabei zu verschieden grossen PCR-Produkten, welche durch Gelelektrophorese aufgetrennt werden können (Abb. 2 oben). Viel häufiger als Mikrosatelliten-Polymorphismen sind jedoch Austausche einzelner Basenpaare (Single Nucleotide Polymorphism, SNP), von denen im Rahmen des «Human Genome»-Projektes über 1,5 Millionen identifiziert und lokalisiert wurden. Da die Untersuchung dieser Polymorphismen besser zu automatisieren ist als die Untersuchung von Mikrosatelliten, werden sie in den nächsten Jahren die Kopplungsanalyse stark verändern. In molekularbiologischer Perspektive ist zudem jede Punktmutation ein SNP, so dass die direkte und die indirekte DNA-Diagnostik methodisch vereinheitlicht und automatisiert werden könnte. Die Grenzen genetischer Aussagemöglichkeiten Zur Zeit werden diagnostische Mutationsanalysen in über 500 Genen durchgeführt [7 9].Trotzdem ist eine Mutationsanalyse auch bei bekanntem Gen nicht immer möglich oder führt nicht zur Identifikation der Mutation(en). Die Gründe dafür liegen zum Teil in der Komplexität der untersuchten Gene. Das Dystrophin-Gen ist zum Beispiel in 79 Abschnitten (Exone) auf über 2,5 Millionen Basenpaare DNA verteilt.zur Identifikation einer Punktmutation müssten mehr als Basenpaare untersucht werden, was der Suche nach einer Nadel im Heuhaufen gleichkommt und eine entsprechend lange Zeit beanspruchen würde. Bei genetisch heterogenen Krankheiten wie der erwähnten Gliedergürtel-Muskeldystrophie ist die Analyse der zahlreichen in Frage kommenden Gene ebenfalls nicht praktikabel. Ebenfalls wenig Hilfe bietet die molekulargenetische Diagnostik zur Zeit bei komplexen, multifaktoriellen oder polygenen Krankheiten. Die Entwicklungen im Bereich der Mutationsdetektion und der DNA-Chips werden dieses Missverhältnis in den nächsten Jahren möglicherweise ändern. Genetische Beratung, informierte Zustimmung und pränatale Diagnostik Einer molekularbiologischen oder zytogenetischen Abklärung muss immer eine genetische Beratung vorangehen. Der Berater vermittelt der Familie Informationen über den Verlauf der spezifischen Erbkrankheit, über Spektrum und Bürde, Erfahrungen aus der eigenen Praxis und von betroffenen Familien sowie über die zur Verfügung stehenden therapeutischen Möglichkeiten und Grenzen. Darüber hinaus kann ein Kontakt zu Selbsthilfegruppen und Familien mit Kindern mit der entsprechenden Krankheit vermittelt werden. Erstes Ziel der genetischen Beratung ist eine Erweiterung der Entscheidungsbasis der Familie durch Vermittlung des Wissens über möglichst viele Aspekte des Erbleidens. Bei monogen vererbten Krankheiten mit bekanntem Vererbungsmodus und ursächlichen Genen kann den betroffenen Familien häufig eine pränatale Diagnose angeboten werden.wenn eine Familie eine pränatale Diagnose wünscht, sollten Familienabklärung, genetische Beratung und Mutationsidentifikation vor Eintreten einer Schwangerschaft stattfinden, um eine möglichst rasche Durchführung der pränatalen Diagnose zu gewährleisten. Die Durchführung einer pränatalen Diagnose ist in Abbildung 2 schematisch dargestellt. Dabei wird mit Hilfe der direkten und indirekten Mutationsanalyse die Mutation in der fetalen DNA nachgewiesen oder ausgeschlossen und gleichzei- 141

5 tig eine eventuelle Kontamination der kindlichen DNA mit mütterlicher DNA ausgeschlossen oder abgeschätzt. Vor jeder DNA-Untersuchung muss das schriftliche Einverständnis der untersuchten Person und bei Minderjährigen dasjenige der Erziehungsberechtigten vorliegen. Insbesondere die diagnostische Abklärung asymptomatischer Mutationsträger sowie eine geplante pränatale Diagnostik bedarf einer gründlichen genetischen Beratung, vor allem bei Krankheiten mit späten Erkrankungsbeginn. Bei Fehlen des schriftlichen Einverständnisses der untersuchten Person oder Minderjährigkeit bei präsymptomatischer Abklärung soll keine genetische Abklärung durchgeführt werden. Die Praxis der genetischen Diagnostik wird in der Schweiz demnächst durch ein entsprechendes Gesetz geregelt werden [10]. Danksagungen: Herrn Professor A. Schinzel danke ich für die kritische Durchsicht des Manuskriptes. Herrn Professor Hj.Müller,Basel,danke ich für die Genehmigung, die Abbildung 1 aus [11] wiedergeben zu dürfen. Literatur 1 Passarge E. Atlas der Genetik. Stuttgart: Thieme Verlag; Witkowski R, Prokop O, Ullrich E. Lexikon der Syndrome und Fehlbildungen. Ursachen, Genetik und Risiken. Fünfte Auflage. Berlin, Heidelberg, New York: Springer Verlag; Riess O, Schöls L, Hrsg. Neurogenetik Molekulargenetische Diagnostik neurologischer Erkrankungen. Berlin, Heidelberg, New York: Springer Verlag; htm 11 Müller HJ, Gelzer J. Präsymptomatische medizinischgenetische Diagnostik in der Schweiz. Schweiz Ärztezeitung 1996;77: Hergersberg M. Pränatale und Genträger-Diagnostik angeborener Immundefekte. In: Wahn U, Seger U, Wahn V, Hrsg. Pädiatrische Allergologie und Immunologie. Dritte Auflage. München: Urban und Fischer; S

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