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Aktuelles aus unserer Forschung - Institut für Humangenetik

Forschungsschwerpunkte und -Projekte

Genetik und Epigenetik des Silver-Russell-Syndroms und verwandter Imprintingerkrankungen

Unter Imprintingerkrankungen werden angeborene Erkrankungen zusammengefasst, die durch gleichartige Pathomechanismen charakterisiert sind (zur Übersicht: Soellner et al., 2016). Diese umfassen verschiedene molekulare Veränderungen, die elterlich geprägte Gene und chromosomale Regionen betreffen (Abb. 1). Während die Uniparentalen Disomien (UPDs), Duplikationen/Deletionen (Copy number variations/CNVs) und Punktmutationen genomische Veränderungen darstellen, die zur gestörten Expression der betroffenen geprägten Gene führen, betreffen Epimutationen nicht die DNA-Sequenz selber, sondern die Methylierung differentiell methylierter Regionen (DMRs). Die Ursache für Epimutationen sind großteils unklar, in Einzelfällen wurden genomische Ursachen in cis oder trans (z.Bsp. benachbarte Deletionen) nachgewiesen.


Abb. 1: Die vier molekularen Veränderungen, die bei Imprintingerkrankungen beobachtet werden.


Die genannten (Epi)Mutationstypen sind bei den meisten der derzeit bekannten 13 Imprintingerkrankungen (Abb. 2) bereits nachgewiesen, treten aber in unterschiedlichen Häufigkeiten auf (zur Übersicht: Soellner et al., 2016).

Abb. 2: Übersicht über die derzeit bekannten angeborenen Imprintingerkrankungen (blau: Erkrankungen, die vor 2013 beschrieben waren; grün: seit 2013 identifizierte Erkrankungen)

 

Klinisch zeigen Imprintingerkrankungen ähnliche, oft überlappende Symptome, die i.d.R. Wachstum, Asymmetrien, Stoffwechsel und Verhalten/Entwicklung betreffen. Auch weitere Ähnlichkeiten wie klinisch-diskordante monozygote Zwillinge und überlappende Multilocus-Methylierungsstörungen (MultiLocus Imprinting Disturbances) werden berichtet, für mehrere Erkrankungen wird eine Häufung durch assistierte reproduktionsmedizinische Maßnahmen diskutiert. Die meisten Fälle mit Imprintingerkrankungen treten sporadisch auf, in einzelnen Entitäten bzw. für einzelne molekulare Subtypen ist eine Familiariät berichtet (z.B. upd(15) bei Prader-Willi-/Angelman-Syndrom; Punktmutationen i.a.; CNVs). Dabei sind – in Abhängigkeit von der elterlichen Herkunft der Veränderung – Wiederholungswahrscheinlichkeiten von bis zu 50% anzugeben (Abb. 3)

 


Abb. 3: Stammbaum einer Familie mit IGF2-Punktmutation (aus Begemann et al., 2015).

 

Schwerpunkt der Arbeitsgruppe ist das Silver-Russell-Syndrom (SRS, OMIM180860) und klinisch sowie molekular überlappende Erkrankungen (z.B. Beckwith-Wiedemann-Syndrom/BWS, Temple-Syndrom (TS)). Das SRS ist im Wesentlichen charakterisiert durch eine ausgeprägte intrauterine und postnatale Wachstumsstörung, weiterhin ist es gekennzeichnet durch kraniofaziale Auffälligkeiten wie einen normalen Kopfumfang trotz Kleinwuchses (relative Makrozephalie), prominente Stirn, dreieckförmiges Gesicht, Mikrognathie und herabgezogene Mundwinkel (zur Übersicht: Wakeling et al., 2017). Als weitere Leitsymptome gelten Asymmetrie des Körpers und Trinkschwäche. Viele Kinder zeigen Gedeihstörungen und daraus resultierende motorische Entwicklungsverzögerungen; die Nahrungsaufnahme in den ersten Lebensjahren ist oft schwierig. Die Ausprägung der o.g. Symptome ist variabel, die Diagnose ist zusätzlich durch die Abschwächung der Symptomatik mit zunehmendem Alter erschwert. Aus diesem Grunde wurde jüngst der Netchine-Harbison-Score zur klinischen Diagnostik vorgeschlagen (Wakeling et al., 2017).
Die Ätiologie des SRS ist heterogen, aber mittlerweile konnten zwei wesentliche (epi)genetische Störungen nachgewiesen werden: in ~10% der SRS-Fälle lässt sich eine maternale UPD des Chromosoms 7 (upd(7)mat)) nachweisen, ~40% zeigen eine Untermethylierung der IGF2/H19: TSS DMR (differentiell methylierte Region) auf Chromosom 11p15. Damit ist das SRS das erste humane Imprintingsyndrom, bei dem Defekte wahrscheinlich Imprinting-Regionen auf zwei verschiedenen Chromosomen betreffen. Weiterhin zeigt es molekulare bzw. klinische Überlappungen mit weiteren angeborenen Imprintingerkrankungen, wie dem Beckwith-Wiedemann-Syndrom (gegensätzliche (Epi)Mutationen in 11p15) und insbesondere dem Temple-Syndrom (Chromosom 14).

Welche Gene oder Genregionen auf Chromosom 7 an der Entstehung des SRS beteiligt sind ist derzeit trotz einer großen Zahl von Studien zu verschiedenen Chromosom 7-codierten Faktoren unklar. Nichtsdestotrotz wird die wesentliche Rolle von Chromosom 7 für das SRS auch durch mehrere chromosomale Duplikationen im kurzen Arm dieses Chromosoms unterstützt (Carrera et al., 2016).
Auch die funktionelle Relevanz der IGF2/H19: TSS DMR-Untermethylierung in 11p15 ist derzeit noch unbekannt. Dabei ist diese Veränderung, ebenso wie bei einzelnen SRS-Patienten nachgewiesene andere 11p15 Mutationen, von besonderem Interesse, da gegensätzliche Mutationstypen in 11p15 bei dem durch Großwuchs charakterisierten Beckwith-Wiedemann-Syndrom auftreten. Jüngste Daten belegen eine wesentliche Rolle des in 11p15 lokalisierten und die IGF2/H19: TSS-DMR regulierten IGF2-Gens (Begemann et al. 2015).

Klinisch weisen die Patienten mit 11p15-Epimutation den typischen SRS-Phänotyp auf, während die UPD(7)mat-Gruppe eine eher milde Symptomatik aufweist. Allerdings ist der Übergang fließend und in beiden genetischen Subgruppen sind sehr leichte und sehr schwere SRS-Phänotypen berichtet. Eine genetische Testung sollte daher immer beide (Epi)mutationstypen erfassen. Bei unauffälligem Befund sollte aufgrund der gelegentlich beobachteten Chromosomenstörungen, die dann für die weiterführende Genidentifikation hilfreich sein können, eine molekulare Karyotypisierung angeschlossen werden. In wieweit diese verschiedenen genetischen Veränderungen zukünftig unterschiedliche Therapiestrategien ermöglichen, bleibt abzuwarten, ist aber gut vorstellbar. In jedem Falle sollte – in Abhängigkeit von der klinischen Symptomatik – ein umfassender diagnostischer Algorithmus verfolgt werden, der zum einen aus Standardverfahren (zur Testung der Veränderungen auf den Chromosomen 7, 11 und 14 sowie zum Nachweis (submikroskopischer) CNVs) besteht, zum anderen Spezialanalysen umfasst (Abb. 4).


Abb. 4: Molekulardiagnostischer Algorithmus für das SRS (Eggermann et al., 2016).

 

Die Aktivitäten der Arbeitsgruppe verfolgen folgende Ziele:

  • Aufklärung des Mutationsspektrums bei Patienten mit SRS bzw. SRS-Merkmalen und weiteren Imprintingerkrankungen.
  • Welchen Anteil haben geringgradige Mosaike in anderen Geweben?
  • Wie häufig sind submikroskopische Veränderungen bei SRS-Patienten?
  • Verbesserung der diagnostischen Algorithmen.
  • Entwicklung neuer Verfahren (Multilocus-Tests, NGS-basierte Verfahren).
  • Aufklärung der Pathomechanismen, insbesondere in Hinblick auf Chromosom 7-kodierte Faktoren.
  • Worin besteht der funktionelle Zusammenhang zwischen den Chromosom 7 und Chromosom 11-Veränderungen beim SRS?
  • Worin liegt die Ursache für die ICR1-Hypomethylierung bei SRS-Patienten?
  • Spielen funktionelle Kandidatengene eine Rolle für einzelne Patienten?
  • Welche molekularen gemeinsamen Ursachen sind für Imprintingerkrankungen verantwortlich?
  • Gibt es eine insbesondere prognostisch und therapeutisch relevante Genotyp-Phänotyp-Korrelation?
  • Wie ist der Verlauf der SRS im Erwachsenenalter? 
  •   

Diese Fragestellungen werden in Kooperation mit Kooperationspartnern im bundesweiten BMBF-geförderten Verbundprojekt "Diseases caused by imprinting defects" bearbeitet. Weiterhin leitet die Arbeitsgruppe das COST-geförderte (BM1208) "European Network of Congenital Imprinting Disorders", EUCID.net (www.imprinting-disorders.eu). Es besteht eine enge Zusammenarbeit mit nationalen und internationalen Patientenselbsthifegruppen (BKMF e.V.; Global Alliance of Silver-Russell syndrome).

Ansprechpartner:

Forschung/Diagnostik:
Prof. Dr. rer. nat. Thomas Eggermann
Tel.: 0241 80-88008
teggermann@remove-this.ukaachen.de

Dr. rer. nat. Matthias Begemann
Tel.: 0241 80-80036
mbegemann@remove-this.ukaachen.de

Lukas Soellner, Dipl.-Biol.
Tel.: 0241 80-80036
lsoellner@remove-this.ukaachen.de

Schwerpunkt Klinische Genetik:
Dr. med. Miriam Elbracht
Tel.: 0241 80-88013
mielbracht@remove-this.ukaachen.de

Schwerpunkt Methodenentwicklung:
Severin Dicks, BSc.
Tel.: 0241 80-80036
sdicks@remove-this.ukaachen.de

Dr. rer. nat. Florian Kraft
Tel.: 0241 80-80036
fkraft@remove-this.ukaachen.de

Schwerpunkt Qualitätssicherung/EMQN:
Dr. rer. nat. Katja Eggermann
Tel.: 0241 80-88008
keggermann@remove-this.ukaachen.de

Literatur:

Begemann M, Zirn B, Santen G, Wirthgen E, Soellner L, Büttel HM, Schweizer R, van Workum W, Binder G, Eggermann T. Paternally Inherited IGF2 Mutation and Growth Restriction. N Engl J Med. 2015 Jul 23;373(4):349-56

Carrera IA, de Zaldívar MS, Martín R, Begemann M, Soellner L,EggermannT. Microdeletions of the 7q32.2 imprinted region are associated with Silver-Russell syndrome features. Am J Med Genet A. 2016 Mar;170(3):743-9

Eggermann K, Bliek J, Brioude F, Algar E, Buiting K, Russo S, Tümer Z, Monk D, Moore G, Antoniadi T, Macdonald F, Netchine I, Lombardi P, Soellner L, Begemann M, Prawitt D, Maher ER, Mannens M, Riccio A, Weksberg R, Lapunzina P, Grønskov K, Mackay DJ, Eggermann T. EMQN best practice guidelines for the molecular genetic testing and reporting of chromosome 11p15 imprinting disorders: Silver-Russell and Beckwith-Wiedemann syndrome. Eur J Hum Genet. 2016 Oct;24(10):1377-87.

Soellner L, Begemann M, Mackay DJ, Grønskov K, Tümer Z, Maher ER, Temple IK, Monk D, Riccio A, Linglart A, Netchine I, Eggermann T. Recent Advances in Imprinting Disorders. Clin Genet. 2017 Jan;91(1):3-13

Wakeling EL, Brioude F, Lokulo-Sodipe O, O'Connell SM, Salem J, Bliek J, Canton AP, Chrzanowska KH, Davies JH, Dias RP, Dubern B, Elbracht M, Giabicani E, Grimberg A, Grønskov K, Hokken-Koelega AC, Jorge AA, Kagami M, Linglart A, Maghnie M, Mohnike K, Monk D, Moore GE, Murray PG, Ogata T, Petit IO, Russo S, Said E, Toumba M, Tümer Z, Binder G, Eggermann T, Harbison MD, Temple IK, Mackay DJ, Netchine I. Diagnosis and management of Silver-Russell syndrome: first international consensus statement. Nat Rev Endocrinol. 2017 Feb;13(2):105-124

Links:

www.imprinting-disorders.eu

http://silverrussellsyndrome.org/

Neuropathien und Schmerzassoziierte Erkrankungen

Schmerzassoziierte Erkrankungen
(HEREDITÄRE SENSORISCH-AUTONOME NEUROPATHIEN UND NATRIUMKANALERKRANKUNGEN)

Ein Verlust von Sensibilität und Schmerzempfinden kann durch einen Entwicklungsdefekt, die Degeneration schmerzleitender Fasern oder eine veränderte neuronale Erregbarkeit ver-ursacht werden. Eine sensorische Neurodegeneration findet sich insbesondere in der Gruppe der hereditären sensorisch-autonomen Neuropathien (HSAN). Wesentliches Merkmal der HSAN ist die Neigung der Patienten zu schweren Verletzungen aufgrund der fehlenden Schutzfunktion von Schmerz. Klinisch ähnlich äußert sich die angeborene Schmerzunempfindlichkeit. Sie wird primär durch eine veränderte Erregbarkeit schmerz-leitender Fasern aufgrund von Mutationen in spannungsgesteuerten Natriumkanälen verursacht. Im Gegensatz zu HSAN besteht häufig keine Neurodegeneration. Mutationen der entsprechenden Natriumkanäle können jedoch auch zum gegenteiligen klinischen Bild mit starken, zum Teil episodischen Schmerzen führen. Kommt es zum Absterben kleiner sensibler Nervenfasern spricht man häufig von einer „Small-Fiber-Neuropathie".

Die Funktion der ursächlichen Genprodukte ist teils sehr unterschiedlich, sie spielen u.a. eine Rolle bei der Strukturgebung intrazellulärer Organellen, dem Sphingolipidmetabolismus und der Neurotrophinsignaltransduktion. Auch epigenetische Regulationsmechanismen scheinen eine zentrale Rolle bei der HSAN einzunehmen. Spannungsgesteuerte Ionenkanäle sind entscheidend für die elektrische Erregbarkeit von Schmerzfasern und drei von den neun in Säugern bekannten spannungsgesteuerten Natriumkanälen (NaV) spielen eine Rolle bei monogenetischen Schmerzsyndromen. Sie sind zudem vielversprechende Angriffspunkte für eine Schmerztherapie.

Wir konnten in unserer Arbeitsgruppe eine Reihe neuer Gene identifizieren, die zu den o.g. Erkrankungen führen. Hierbei kommen aktuell insbesondere die Techniken der Hochdurchsatzsequenzierung (Next-Generation-Sequencing) zum Einsatz. Mit Hilfe von Modell-systemen versuchen wir, die Funktion der entsprechenden Gene zu verstehen. Wir erhoffen uns hiervon Kenntnisse sowohl in Bezug auf das Langzeitüberleben von Nervenzellen und der Schmerzverarbeitung sowie auch Ideen für die Entwicklung von Therapieansätzen.


Abbildung: Membranformende Proteine, deren Mutationen zur Neurodegeneration führen (Quelle: Hübner & Kurth, BRAIN, Grafik: Manja Schiefer).

Die Projekte wurden zuletzt durch die Heisenberg-Professur „Molekulare Neurogenetik" der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Einzelne Projekte erhalten aktuell eine Förderung im Einzelantragverfahren der DFG.

 

Themenbezogene Veröffentlichungen der Arbeitsgruppe (Auswahl):

1. Leipold E, et al. 2015. Cold-aggravated pain in humans caused by a hyperactive NaV1.9 channel mutant. Nat Commun. 2015; 6:10049.

2. Chen YC, et al. 2015. Transcriptional regulator PRDM12 is essential for human pain perception. Nat Genet; 47(7):803-8.

3. Khaminets A, et al. 2015. Regulation of endoplasmic reticulum turnover by selective autophagy. Nature.;522(7556):354-8

4. Hübner CA & Kurth I. 2014. Membrane-shaping disorders: a common pathway in axon degeneration. Brain.;137(Pt 12):3109-21

5. Kornak U, et al. 2014. Sensory neuropathy with bone destruction due to a mutation in the membrane-shaping atlastin GTPase 3. Brain; 137(Pt 3):683-92.

6. Leipold E, et al. 2013. A de novo gain-of-function mutation in SCN11A causes loss of pain perception. Nat Genet 45: 1399-1404.

7. Koehler K et al. 2013 Mutations in GMPPA cause a glycosylation disorder characterized by intellectual disability and autonomic dysfunction. Am J Hum Genet; 93(4):727-34

8. Kurth I, et al. 2009. Mutations in FAM134B, encoding a newly identified Golgi protein, cause severe sensory and autonomic neuropathy. Nat Genet; 41(11):1179-81.

 

Ansprechpartner:

Univ.-Prof. Dr. med. Ingo Kurth
Tel.: 0241 80-80179
ikurth@remove-this.ukaachen.de

Dr. rer. nat. Katja Eggermann
Tel.: 0241 80-88008
keggermann@remove-this.ukaachen.de

Dr. rer. nat. Natja Haag
Tel.: 0241 80-80723
nhaag@remove-this.ukaachen.de

Dr. rer. nat. Florian Kraft
Tel.: 0241 80-80723
fkraft@remove-this.ukaachen.de

 

Weitere Informationen entnehmen Sie bitte dem PDF.

 

Zystische Nierenerkrankungen (ARPKD/ADPKD) und syndromale primäre Ziliopathien

Zystische Nierenerkrankungen stellen eine klinisch und genetisch heterogene Krankheitsgruppe dar, die in erster Linie durch eine progrediente Zystenbildung mit Verlust der Nierenfunktion charakterisiert ist. Die autosomal dominante polyzystische Form (ADPKD, häufig auch als adulte Zystennieren-Form bezeichnet) zählt mit einer Prävalenz von ca. 1000 zu den häufigsten Erbkrankheiten überhaupt. Klinische Symptome manifestieren sich meist erst im Erwachsenenalter, etwa die Hälfte der Patienten wird in der 6./ 7. Lebensdekade dialysepflichtig. Etwa 80% der Familien weisen eine Keimbahnmutation im PKD1-Gen (Chromosom 16p13) auf, während die restlichen Familien eine PKD2-Mutation (Chromosom 4q21) tragen. Etwa 2% aller ADPKD-Patienten zeigen eine sog. frühmanifeste Verlaufsform. Hierunter versteht man krankheitsbezogene Symptome wie z. B. Bluthochdruck oder eingeschränkte Nierenfunktion, die bereits im Kindes- und Jugendalter auftreten. Gelegentlich manifestiert sich die Erkrankung jedoch auch bereits pränatal und kann dann aufgrund einer Potter-Sequenz mit massiv vergrößerten Nieren und Oligo-/Anhydramnion zum perinatalem Tod der Kinder führen.

Die wichtigste Differenzialdiagnose bei Patienten mit einer pränatalen Manifestation einer ADPKD stellt die autosomal rezessive Form der polyzystischen Nierenkrankheit (ARPKD, häufig auch als frühkindliche Zystennieren-Form bezeichnet) dar mit Mutationen im PKHD1-Gen auf Chromosom 6p12, dessen Identifizierung uns 2002 im Rahmen eines deutsch-amerikanischen Konsortiums zeitgleich mit einer anderen US-amerikanischen Arbeitsgruppe gelang. Der längste offene Leserahmen (ORF) umfasst 66 Exons und kodiert ein Typ 1-Membranprotein von 4074 Aminosäuren (Polyductin/ Fibrocystin). Unsere Arbeisgruppe beschäftigt sich im Rahmen langjährig geförderter Studien intensiv mit Fragestellungen auf dem Gebiet der ARPKD sowie frühmanifesten ADPKD-Formen. Seit 2003 betreiben wir außerdem die PKHD1-Mutationsdatenbank (www.humgen.rwth-aachen.de) mit dem Ziel alle Varianten des Gens zu katalogisieren und zu validieren und diese Information der wissenschaftlichen Gemeinschaft sowie Ärzten und ratsuchenden Familien zur Verfügung zu stellen. Im Rahmen des Ausbaus der Mutationsdatenbank besteht darüber hinaus eine Kooperation mit dem ARPKD-Patientenregister (ARegPKD).

Praktisch alle Zystoproteine (Sammelbezeichnung für Proteine, die zystischen Nierenerkrankungen zugrunde liegen) ko-lokalisieren im Bereich primärer Zilien, Basalkörpern und Zentrosomen. Die meisten Zelltypen im Körper weisen primäre, nicht-motile Zilien auf. Sie erfüllen viele unterschiedliche Funktionen und dienen als Mechano-, Chemo- und Osmosensoren. Darüber hinaus spielen sie bei zahlreichen Signalwegen für eine adäquate Organentwicklung, für die Aufrechterhaltung der Gewebehomöostase und bei grundsätzlichen Entwicklungsprozessen eine wichtige Rolle. Auf diesem Hintergrund haben wir in den vergangenen Jahren bewusst unser diagnostisches und wissenschaftliches Spektrum auch auf syndromale Zilienerkrankungen wie das Meckel-Gruber Syndrom (MKS), Joubert-Syndrom (JSRD), Bardet-Biedl Syndrom (BBS) sowie die Gruppe der Nephronophthisen (NPHP) erweitert.

Schematischer Aufbau einer Zelle mit primärer Zilie und typischem 9+0 Muster

Trotz ihrer vermeintlichen Seltenheit haben diese Erkrankungen entscheidend zur Charakterisierung der der Zystogenese zugrunde liegenden Mechanismen beigetragen und hierbei insbesondere die Bedeutung primärer Zilien und Basalkörper unterstrichen.

Ziliopathien zeigen beträchtliche klinische Überlappungen ihrer Phänotypen und Mutationen im gleichen Gen können zu sehr unterschiedlichen klinischen Bildern und syndromalen Entitäten führen. Ebenso wie zystische Veränderungen der Nieren treten Pathologien anderer Organe bei diesen syndromalen Krankheitsbildern gehäuft auf. Diese beinhalten Gallengangsdysgenesie

 

mit kongenitaler Leberfibrose, Augendefekte, Neuralrohrveränderungen und andere ZNS-Anomalien, Skelettpathologien insbesondere der distalen Extremitäten und Finger sowie häufig auch eine Entwicklungsverzögerung bzw. geistige Behinderung. Ein hohes Maß genetischer Heterogenität im Rahmen der Ziliopathien ist evident und viele dieser Gene liegen unterschiedlichen Phänotypen zugrunde. Dies zeigt zum einen die Restriktionen eines Phänotyp-basierten Klassifikationssystems und zum anderen das Ausmaß der klinischen Variabilität, die mit Mutati-onen desselben Gens einhergehen kann. Nur wenige dieser Variabilitäten können sicher auf allelische Effekte zurückgeführt werden, bei anderen scheinen ergänzend vorliegende Veränderungen anderer Zilien-Gene eine Rolle zu spielen (sog. "mutational load"-Theorie). In der Tat konnten für BBS, JSRD und NPHP oligogene Vererbungsmuster nachgewiesen werden, bei der Mutationen in mehr als zwei Allelen und mehr als einem Gen für die Entwicklung der Krankheit erforderlich sind.

Informationen zu Doktorarbeiten:
humangenetik@remove-this.ukaachen.de


Ansprechpartner:

Dr. med. Cordula Knopp
Tel.: 0241 80-89268
cknopp@remove-this.ukaachen.de

Prof. Dr. med. Klaus Zerres
Tel.: 0241 80-80281
kzerres@remove-this.ukaachen.de

Forschungsberichte