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‚Modifier Genes‘ bei CF                25 ECFC Genua 2002             Dr. Hartmut Grasemann


Krankheits-modifizierende Gene bei der Cystischen Fibrose



Einleitung



       Die Cystische Fibrose (CF) wird durch Mutationen im ‚Cystic Fibrosis

Transmembrane Regulator‘ (CFTR) Gen hervorgerufen, das für einen Chlorid-Kanal

kodiert. Bis heute wurden bereits über 1000 krankheits-verursachende Mutationen im

CFTR Gen nachgewiesen, von denen, in kaukasischen CF Populationen, die F508

Mutation mit etwa 60% die häufigste CFTR Mutation darstellt.



       Während die Pankreas-Erkrankung der CF Patienten gut mit dem CFTR

Genotyp korreliert, weisen Patienten mit gleichen CFTR Mutationen völlig

verschiedene Verläufe der pulmonalen Erkrankung auf. Die Kenntnis der krankheits-

verursachenden Mutation reicht also nicht aus, das Ausmass der Lungenbeteiligung

vorherzusagen. Dies währe aber besonders wichtig, da der Grossteil der CF

Patienten,    trotz   der   in   den     letzten   Jahrzehnten   dramatisch   verbesserten

Lebenserwartung, an den Folgen der chronischen pulmonalen Erkrankung sterben.



       Das Konzept der ‚krankheits-modifizierenden Gene‘ verfolgt nun die

Vorstellung, dass bestimmte Gene im menschlichen Genom die CFTR Genotyp – CF

Phänotyp Relation modifizieren können. Zu den aussichtsreichen Kandidaten

gehören bisher die Gene des HLA Class II Antigens, Mannose-binding Lectin, 1-

Antitrypsin und 1-Antichymotrypsin, Glutathione-S Transferase, neuronale NO

Synthase (NOS1), endotheliale NO Synthase (NOS3), 2-Adrenorezeptor, TNF-,

TGF-, Interleukin-1 und Interleukin-1Ra.


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Zwillings- und Geschwister-Studien

Herr Tümmler (Hannover) berichtete über Ergebnisse der ‚European Cystic Fibrosis

Twin and Sibbling Study‘. Diese Studie verfolgt den Zweck die relativen Einflüsse von

CFTR Mutation, Umwelt und anderen genetischen Faktoren auf den CF

Krankheitsverlauf zu ergründen. Interessante Ergebnisse dieser Studie waren, dass

sich   monozygote          Zwillinge   bezüglich         ihres   Krankheitsverlaufs       und    ihrer

elektrophysiologischen        Eigenschaften            mehr   gleichen   als   dizygote     Zwillinge.

Ausserdem wurde berichtet, dass sich der klinische Status jüngerer CF Patienten

nicht signifikant von dem ihrer älteren Geschwister unterscheidet, was beides darauf

hindeutet, dass genetische Faktoren eine wichtige Rolle spielen – wichtiger z.B. als

eine positive Familienanamnes für CF. Als sehr vielversprechendes Ergebniss wurde

ferner berichtet, dass bei concordanten Zwillingen die chromosomale Region 7q, die

auch das CFTR Gen enthält, eine non-rekombinante Region enthält, die

ausschliesslich vom jeweiligen Vater vererbt wird (sogenanntes paternales

imprinting). In dieser Region werden also neben dem CFTR Gen auch andere Gene

vererbt, die in der gleichen Kombination bei einem Elternteil vorliegen und bei der

Modifikation der CF Erkrankung eine wichtige Rolle spielen könnten.



Seltene CFTR Mutationen

Für die Definition des CF Phänotyps werden das Alter bei Diagnose, der Beginn und

der Verlauf der pulmonalen Erkrankung, das Ausmass der Pankreasinsuffizienz und

der Chloridgehalt im Schweisstest herangezogen. Bei der Diagnose einer CF werden

der    klinische   Verlauf,      der   pathologische          Schweisstest     sowie      die   CFTR

Mutationsanalyse          berücksichtigt.        Von     Herrn   Kerem     (Israel)    wurde     nun



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zusammenfassend dargestellt, für welche CFTR Mutationen eine Genotyp-Phänotyp

Korrelation hergestellt werden konnte. Die wichtigsten werden nachfolgen erwähnt:

       Die R117H Mutation führt zu einer Änderung der Aminosäuresequenz im

extramembranösen Teil des CFTR Kanals. Das Protein wird zwar normal prozessiert

und zur Plasmamembran transportiert, verfügt allerdings über eine reduzierte

Chloridsekretion unter Stimulation mit cAMP. Für R117H/F508 heterozygote

Patienten konnte gezeigt werden, dass sie, im Vergleich zu F508/F508

homozygote Patienten, niedrigere Chloridkonzentrationen im Schweisstest, eine

niedrigere Rate von Pankreasinsuffizienz und ein höheres Alter bei Diagnose

aufweisen (Cystic Fibrosis Genotype-Phenotype Consortium N Engl J Med 1993;329:

1308-13). Bei der 3849+10kb C/T Mutation kommt es in der intronischen Region

zwischen Exon 19 und Exon 20 zur Bildung eines Stopkodons. Für Patienten mit

dieser Mutation konnte gezeigt werden, dass sie bei Diagnosestellung älter waren

und einen besseren Ernährungszustand aufwiesen, als CF Patienten mit

F508/F508,       F508/W1282X    oder W1282X/W1282X       Genotyp.    Bei   diesen

Patienten konnte ferner gezeigt werden, dass eine Abnahme des normalen ‚splicings‘

mit einer schlechteren Lungenfunktionsprüfung vergesellschaftet ist (Augarten et al.

Lancet. 1993;342: 25-6). Die G85E Mutation führt zu einer Änderung in der Polarität

des CFTR Kanals. Dies bewirkt eine Störung der Verarbeitung und des Transports

des Proteins in Golgi-Apparat und Endoplasmatischem Retikulum. Obwohl einige der

Patienten mit G85E Mutation einen milderen Verlauf der pulmonalen Erkrankung

aufzuweisen scheinen, fand sich für diese CFTR Mutation keine eindeutige

Phänotyp-Genotyp Korrelation (Kerem et al. Pediatrics 1997;100:E5). Abschliessend

berichtete Herr Kerem noch über Patienten mit der D1152H Mutation, von denen nur

25% erhöhte Chloridkonzentrationen im Schweiss und nur 20% eine pathologische

Nasenpotentialdifferenz aufweisen. Diese Beispiele unterstreichen, dass bestimmte

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CFTR Genotypen durchaus mit klinische Charakteristika assoziiert sein können, und

dass atypische CF Patienten dazu tendieren Träger seltener CFTR Mutationen zu

sein.



Die Genetik CF-ähnlicher Erkrankungen

Ein sehr interessanter Ansatz krankheits-modifizierende Gene der CF zu

identifizieren liegt in der Suche nach krankheits-verursachenden Genen von

Erkrankungen, die ähnlich wie die Cystische Fibrose verlaufen. In einem Vortrag von

Pignatti (Italien) kamen insbesondere 1) chronische sinu-pulmonale Erkrankungen,

wie die disseminierte Bronchiektasie, die allergische brochopulmonale Aspergillose

(ABPA), und die akute Panbronchiolitis, 2) gastrointestinale Erkrankungen mit

Auffälligkeiten bei der Ernährung und/oder Verdauung, wie die idiopathische

Pankreasinsuffizienz,     3)   das    Salz-Verlust   Syndrom,   sowie   4)   uro-genitale

Erkrankungen bei Männern, die mit einer obstruktiven Azoospermie vergesellschaftet

sind, zur Sprache. Interessanter weise finden sich bei einigen dieser Erkrankungen,

zum Beispiel bei der angeborenen nicht-Anlage der Vas deferens (CAVD), eine

erhöhte Frequenz von heterozygoten Trägern einer CFTR-Mutation, aber eben nur

bei einigen Patienten. Beispiele für Kandidatengene, die diesem Ansatz entsprechen

währen dann z.B. für die pulmonale Erkrankung die Gene für TNF-, 1-Antitrypsin,

oder MBL (Mannose-binding Lectin). Als Kandidaten für die Erkrankung des

Pankreas bei CF kämen z.B. Gene in Frage, die die Bildung oder Verstoffwechselung

von Trypsin oder Trypsinogen beeinflussen, wie das Pancreastatin (PST) 1 Gen, das

für einen Inhibitor von Trypsinogen und Trypsin kodiert. Für dieses Gen konnte, laut

Pignatti, bei ca. 14% der Patienten mit einer idiopathischen Pankreasinsuffizienz eine

Mutation nachgewiesen werden.



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Nicht erwähnt wurden polygenetische chronische Erkrankungen, wie das Asthma

bronchiale, für das bereits zahlreiche Gene beschrieben wurden, die allesamt nicht

als ursächlich aber als krankheits-modifizierend eingestuft werden müssen. Hierzu

zählen zahlreiche Interleukine und Interleukinrezeptoren (TNF, TGF1, IL-4, IL-4R),

die Gene der konstitutiven Stickstoffmonoxid-Synthese (NOS1 und NOS3) und z.B.

der 2-adrenege Rezeptor.



CF-Lungenerkrankung

Als weitere Kandidaten-Gene für den Verlauf der CF-Lungenerkrankung wurde von

Herrn Flamant (Frankreich) über die Glutathione-S Transferasen berichtet. Diese

Enzyme spielen eine wichtige Rolle bei der Regulation der Oxidantien-Antioxidantien

Balance. In einer Studie an 106 Kindern mit CF wurde in der Gruppe der CFTR

F508 Träger eine allelische Assoziation zwischen einer Mutation im GSTM3 Gen

und der Lungenfunktion gefunden. Die Einsekundenkapazität (FEV1) im Alter von 8

Jahren lag bei Patienten mit GSTM3 AA Genotyp signifikant niedriger als bei

Patienten mit GSTM3 AB oder BB Genotyp (79,7 % vs. 95,2 %, p = 0.008). Diese

Beobachtung ist besonders in Hinsicht auf eine Glutathion-Substututionstherapie bei

CF interessant, da man in Kenntnis des GST Genotyps eine Subpopulation

identifizieren könnte, die von solch einer Therapie besonders profitieren könnte.

Zusätzlich bestand in der französischen CF Population noch eine Assoziation

zwischen GSTM3 AA Genotyp und einem pathologischen Glukosetoleranz-Test,

sodass vermutet werden kann, das GST auch bei der Entwicklung eines Diabetes

eine Rolle spielen könnte. Eine Korrelation zwischen Krankheitsverlauf und

Mutationen im GSTM1 Gen wurde in dieser Studie nicht beobachtet.




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Knochenstoffwechsel

Es ist bekannt, dass CF Patienten eine niedrigere Knochendichte aufweisen als

Kontrollpersonen. Die könnte an Umweltfaktoren sowie genetischen Ursachen liegen.

In einer von Malerba (Italien) vorgestellten Studie, wurden bei 77 CF Patienten

Polymorphismen in vier Osteoporose-Kandidatengenen mit der an Femur und

Wirbelsäule gemessenen Knochendichte und der Pankreasfunktion korreliert. Bei

diesen Genen handelte es sich um den Calcitonin Rezeptor (CTR), Vitamin D

Rezeptor (VDR), Östrogen Rezeptor (ER), und das Kollagen Typ I (COL1). In dieser

Studie fanden sich allelische Assoziationen von Polymorphismen im CTR Gen mit

der Knochendichte bei Insulin-pflichtigen Patienten und bei Patienten mit

funktionsfähigem Pankreas. Für den VDR Genotyp fand sich ebenfalls eine

signifikante Assoziation mit der Knochendichte bei Patienten mit Pankreas-

insuffizienz. Ebenso bestand eine Assoziation einer Mutation im Östrogen Rezeptor

mit der Knochendichte bei Insulin-pflichtigem Diabetes und bei Patienten mit

normaler Pankreasfunktion. Obwohl diese Studie interessant und vielversprechend

ist, müssen die Ergebnisse wegen der geringen Fallzahl jedoch mit Zurückhaltung

interpretiert werden.



Lebererkrankung

Die CF-assoziierte Lebererkrankung ist die erste bekannte vererbte Erkrankung der

Leber, bei der der primäre Defekt nicht die Hepatozyten sondern die Cholangiozyten

betrifft. Eine Lebererkrankung entwickeln nur etwa ein Drittel der CF Patienten, wobei

das Ausmass der Erkrankung sehr variabel ist und nicht mit der CFTR-Mutation

korreliert. Bekannte Risikofaktoren sind ein Mekoniumileus und das männliche

Geschlecht. Es ist ferner bekannt, dass die Entstehung einer Lebererkrankung

womöglich an Östrogen gebunden ist. So konnte in einer Studie von Frau Colomo

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(Italien) berichtet werden, dass alle betroffenen weiblichen CF Patienten dieses

Kollektivs ihre Lebererkrankung vor dem elften Lebensjahr entwickelten, während

sich die Erkrankung bei den Männern mit CF bis zu einem Alter von 18 Jahren

manifestierte. Die Arbeitsgruppe um Friedman (USA) hatte in der Vergangenheit bei

CF Patienten bereits eine Assoziation von bestimmten Allelen (Z- und S-Allel) im

Protease Inhibitor (PI) Gen mit portaler Hypertension und Leberzirrhose beschrieben.

Dabei zeigte das Z Allel, das auch bei der Lebererkrankung von Patienten mit 1-

Antitrypsin Mangel gehäuft gefunden wurde, die stärkste Assoziation. In der hier

vorgetragenen Arbeit wurde nun nach einer Assoziation von CF-Lebererkrankung mit

genetischen Varianten im TGF- Gen und im Mannose-binding Lectin (MBL2) Gen

gesucht. In dieser Studie konnte zwar keine direkte allelische Assoziation zwischen

Lebererkrankung und TGF- bzw. MBL2 Gen gefunden werden. Allerdings fanden

sich signifikante Assoziationen bei kombinierten Genotypen, dass heißt bei Trägern

von Z oder S Allele im PI Gen, die zusätzlich die untersuchten Mutationen im TGF-

oder MBL2 Gen trugen. Diese Ergebnisse weisen auf eine Interaktion der

untersuchten Gene bei der Entstehung der CF-Lebererkrankung hin.



Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bereits einige krankheits-modifizierende

Gene der Cystischen Fibrose identifiziert wurden. Bei der Vielzahl der in Frage

kommenden Kandidaten Gene und den Möglichkeiten der Untersuchung von

komplexen Genotypen für unterschiedliche klinische Charakteristika der Erkrankung,

ist davon auszugehen, dass die Such nach diesen Genen auch in Zukunft

vielversprechend bleibt. Allerdings muss berücksichtigt werden, dass es sich bei all

diesen Studien um allelische Assoziationen handelt, deren biologisches oder

physiologisches Korrelat oftmals noch nicht ausreichend bekannt ist.



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