Beim Menschen sind bisher über 2.000 Erkrankungen mit ausschließlich oder auch teilweise genetischer Ätiologie bekannt. Dabei werden Erkrankungen, die monogen entsprechend den Mendelschen Gesetzmäßigkeiten vererbt werden, von multifaktoriell bedingten Störungen, die neben genetischen auch äußere Ursachen haben, unterschieden. Auch Chromosomenaberrationen, Störungen der Chromosomenzahl oder -struktur sind für das Auftreten genetisch bedingter Krankheiten verantwortlich. Beispiele für die relativ seltenen monogenen Erkrankungen werden nachfolgend dargestellt. Zu den häufiger auftretenden multifaktoriell bedingten Störungen, auf die hier nicht näher eingegangen werden kann, zählen zum Beispiel Neuralrohrdefekte, Lippen-Kiefer-Gaumen-Spalten, angeborene Herzdefekte, Diabetes mellitus, Schizophrenien und manisch-depressive Erkrankungen.

Der Nachweis krankheitsverursachender Veränderungen innerhalb des menschlichen Genoms ist Gegenstand humangenetischer Diagnostik und Forschung. Auf molekularer Ebene wurden bisher drei Typen von Mutationen unterschieden:

• die Substitution, bei der einzelne Nukleotide gegeneinander ausgetauscht werden,
• die Deletion von einem oder mehreren Nukleotiden sowie
• die Insertion von einem oder mehreren Nukleotiden.

Während die Substitution keine Auswirkung auf den Leserahmen hat (Missense-Mutation) aber zu einem verkürzten Protein führen kann (Stop-Mutation), wird der Leserahmen durch eine Insertion oder Deletion häufig verschoben. In der Folge können die anschließenden Sequenzen kein funktionelles Genprodukt kodieren (Nonsense-Mutation). Darüberhinaus können diese Mutationen zu einem fehlerhaften Spleißen der RNA führen. Die Folge ist das Fehlen von Exonteilsequenzen, ganzen Exons oder auch das Einfügen neuer Exonsequenzen.

Dynamische Mutationen

Durch molekulargenetische Verfahren wurde in den vergangenen Jahren ein bis dahin unbekannter pathogenetischer Mutationstyp im humanen Genom entdeckt, der bisher bei keiner weiteren Spezies nachgewiesen wurde: die Verlängerung repetitiver DNA-Abschnitte, auch “dynamische Mutation” genannt. In der Regel werden diese repetitiven Basentripletts stabil von Generation zu Generation weitervererbt. Im expandierten Zustand zeigen sie jedoch eine ausgeprägte Instabilität bei der Transmission durch die Keimbahn. Dies resultiert in einem variablen Schweregrad und Erkrankungsalter auch innerhalb einer Familie. Dynamische Mutationen wurden seit 1991 für mindestens 14 Erkrankungen beschrieben.

Der Begriff der dynamischen Mutation wird verwendet, um die Variabilität der Kopienzahl in repetitiven DNA-Sequenzen zu beschreiben. Das einzelne Motiv eines solchen Repeats ist in der Regel 3 bp (= 1 Trinukleotid) lang. Liegen diese repetitiven Sequenzen innerhalb oder in der Nachbarschaft aktiver Gene, so kann die Verlängerung des Repeats Auswirkungen auf die Transkription bzw. Translation des Gens oder auf die Funktion des Produktes haben. Für die Loci, an denen dynamische Mutationen auftreten, wurden sowohl die Normal-Allele als auch die expandierten Allele untersucht. Auch in den Normal-Allelen ist die Anzahl der Repeat-Kopien variabel. Bis zu einer bestimmten Repeatlänge sind diese Allele jedoch stabil und nicht mit einem pathologischen Phänotyp verbunden. Nach Überschreiten einer genspezifischen Grenze werden die Repeats instabil und führen zur Manifestation einer Erkrankung.

Nachweisverfahren

Zum Nachweis von genetischen Veränderungen werden zahlreiche Verfahren eingesetzt, die inzwischen Routine in den Diagnostiklaboratorien sind:

• Chromosomenanalysen
• Fluoreszenz in situ Hybridisierungen
• PCR-Analysen
• Southern-Blot-Analysen
• Sequenzierungen
• RNA-Analysen
• Protein-Analysen

Voraussetzung für jede Form der Diagnostik ist die Kenntnis der zu untersuchenden Chromosomen, Gene oder Mutationen. Eine umfassende Untersuchung des gesamten Genoms ist zur Zeit nicht möglich.

Leitlinien zur molekulargenetischen Diagnostik*

Jede molekulargenetische Labordiagnostik im Rahmen medizinisch-genetischer Fragestellungen muss mit dem Angebot einer genetischen Beratung verbunden sein. Die Inanspruchnahme der Untersuchung ist freiwillig. Die Untersuchung darf nur mit Einwilligung der betreffenden Person bzw. des gesetzlichen Vertreters und unter Einhaltung der für ärztliche Maßnahmen geforderten Rahmenbedingungen (Aufklärungspflicht, Schweigepflicht, Datenschutz, etc.) durchgeführt werden. Die Einwilligung sollte nach Möglichkeit schriftlich erteilt werden. Der Patient kann jederzeit die Einstellung der Untersuchung verlangen.

Cystische Fibrose (CF)

Die CF ist die häufigste autosomal rezessiv vererbte Erkrankung in der europäischen Bevölkerung. Sie tritt mit einer Häufigkeit von 1:2.000 auf, die Heterozygotenfrequenz liegt bei 1:22. Die Isolierung des Gens im Jahr 1989 und der Nachweis von Mutationen hat zu einer wesentlichen Verbesserung der Diagnostik bei Betroffenen und heterozygoten Genträgern geführt.

Die progrediente Erkrankung betrifft vor allem das Bronchialsystem mit zäher Schleimbildung und häufigen Infektionen. Auch der Magen-Darm-Trakt kann durch Störungen des Pankreas betroffen sein. Pankreas-Insuffizienz tritt bei ca. 85% der Patienten auf. Das Gen für die CF, das auf Chromosom 7 (7q31.3) lokalisiert wurde, besteht aus 24 Exons und kodiert für einen Chlorid-Kanal in der Membran von Epithelzellen.

Für das Gen sind inzwischen über 600 Mutationen beschrieben worden. In Nordeuropa findet man jedoch bei 70% der Patienten eine Deletion von drei bp in Exon 10. An Position 508 fehlt die Aminosäure Phenylalanin (F508). Fünf weitere Mutationen sind für etwa 15% der Veränderungen im CF-Gen verantwortlich.

Diagnostik
Die F508-Mutation wird in der Regel durch Analyse von PCR-Produkten nachgewiesen. Auch für einige andere Mutationen wurden PCRs entwickelt. Eine vollständige Aufklärung kann u.U. durch Sequenzierung einzelner Exons erreicht werden.

Die molekulargenetische Diagnostik trägt zur Absicherung der klinischen Diagnose bei und ist hilfreich zur Klärung des Heterozygotenstatus von Risikopersonen und deren Partnern.

Muskeldystrophie Typ Becker (BMD) und Duchenne (DMD)

Die Muskeldystrophien vom Typ Becker und Duchenne werden X-chromosomal-rezessiv vererbt. Dementsprechend erkranken nur Männer, während Frauen den Gendefekt übertragen können, ohne selbst Symptome zu entwickeln. Die Inzidenz liegt bei ca. 1:3.500 bei Knaben.

In dem extrem großen Gen (2.400 kb), für das mehr als 79 Exons bekannt sind, treten häufig spontan Veränderungen auf (Neumutationsrate ca. 30%). Dabei findet man bei ca. 60% der Patienten Deletionen und bei ungefähr 6% Duplikationen. Für einen Teil der Betroffenen kann der genetische Defekt nicht mit einfachen Verfahren identifiziert werden.

Diagnostik
Bei der molekularen Diagnostik werden PCR, Southern-Blot, Protein-Test und in situ Hybridisierung (bei sehr großen Deletionen) angewendet. Dabei gilt der Nachweis einer Deletion als Bestätigung der klinischen Diagnose. Schwierigkeiten bereitet die direkte Diagnostik bei möglichen Konduktorinnen. Bei dieser Fragestellung wird in der Regel eine indirekte Genanalyse mit gekoppelten Markern durchgeführt.

Myotone Dystrophie

Die myotone Dystrophie (DM), auch Curschmann-Steinert-Syndrom genannt, wird durch ein instabiles, expandiertes (CTG)-Repeat im 3´-nicht-translatierten Bereich (3´-UTR) eines Protein-Kinase-Gens (DMPK) verursacht. Die DM ist mit einer weltweiten Inzidenz von 1:8.000 die verbreitetste muskuläre Dystrophie bei Erwachsenen. Die Klinik der Erkrankung ist sehr variabel und umfasst Symptome wie Myotonie und fortschreitende Muskelschwäche, kardio-respiratorische Probleme, Kataraktbildung, vorzeitigen Haarausfall, endokrine Störungen und psychische Veränderungen. Obwohl diese Erkrankung in der Regel zwischen der 3. und 4. Lebensdekade auftritt (klassische Form), sind auch kongenitale Fälle bekannt, die einen wesentlich schwereren Verlauf zeigen. Die kongenitale Form weist eine hohe perinatale Mortalitätsrate auf. Kinder, die diese Periode überleben, entwickeln die klassischen Symptome bereits um das 10. Lebensjahr.

Bei nicht-betroffenen Personen finden sich 5 bis 35 (CTG)-Repeats im DM-Gen, bei Patienten mit milden Symptomen 50 bis 150, bei der klassischen adulten Form ca. 100 bis 1.000 und bei kongenitalen Fällen mehr als 2.000 (Tab. 1). In der Regel wird ein früheres Erkrankungsalter und ein schwerer Verlauf in aufeinanderfolgenden Generationen beobachtet. Mit dieser genetischen Antizipation ist ein Anwachsen der Repeatlänge korreliert. Die steigende Expansion ist jedoch abhängig vom Geschlecht des betroffenen Elternteils. Kongenitale Fälle treten fast ausschließlich bei maternaler Vererbung der Mutation auf.

Diagnostik
PCR und Southern-Blot-Analysen führen in der Regel zu eindeutigen Aussagen. Mit steigendem Alter der betroffenen Person wächst jedoch das somatische Mosaik in Blutzellen, wodurch die Untersuchung erschwert wird.

Chorea Huntington

Bei den Erkrankungen, die durch expandierte CAG-Repeats hervorgerufen sind, werden klinisch in der Regel neurodegenerative Prozesse beobachtet. Die häufigste Erkrankung dieses Typs ist die Chorea Huntington. Betroffene zeigen neben den charakteristischen, unwillkürlichen Bewegungen zusätzlich psychiatrische Symptome und entwickeln im Verlauf der Erkrankung eine Demenz. Die Krankheit ist durch Zelluntergang, besonders im Putamen und Caudatum, gekennzeichnet. Sie verläuft progredient und führt in der Regel nach 15 bis 20 Jahren zum Tode.

Durch Expansion des Glutamin-Bereichs wird das Protein verändert und erhält eine (zusätzliche) bisher nicht vorhandene Funktion. Bei den Ursachen autosomal dominant vererbter Erkrankungen spricht man daher auch von gain of function-Mutationen, während rezessive Leiden durch den Verlust der Proteinfunktion (loss of function) hervorgerufen werden.

Das Gen für die Huntington-Krankheit wurde bereits 1983 auf dem kurzen Arm des Chromosoms 4 (4p-16.3) lokalisiert. 1993 wurden das Gen IT15 und die Mutation, die die Erkrankung verursacht, publiziert. Auf DNA-Ebene ist die Mutation durch eine Expansion der polymorphen (CAG)-Sequenz innerhalb des Gens charakterisiert. Kontroll-Chromosomen tragen 11 bis 35 Kopien des (CAG)-Trinukleotids im Gen IT15, während bei Betroffenen in diesem Gen mehr als 38 (CAG)-Tripletts enthalten sind. Die DNA-Sequenz (CAG) kodiert auf Proteinebene die Aminosäure Glutamin. Huntington, das 39 oder mehr aufeinander folgende Glutaminreste enthält, weist vermutlich eine veränderte Funktion auf und löst ab einem bestimmten Alter die Symptome einer Huntington-Krankheit aus. Huntington von Kontrollpersonen trägt im kritischen Bereich kürzere Glutaminabschnitte (<34 Aminosäurereste), die nicht zu einer Erkrankung führen.

Diagnostik
Zur Abklärung bei klinischem Verdacht wird eine PCR durchgeführt. Da es sich um eine Erkrankung des Erwachsenenalters handelt, kann eine präklinische Untersuchung angeboten werden. Voraussetzung hierfür ist die Volljährigkeit des Ratsuchenden.

Fragile Stellen

Expansionen von (CGG)/(GCC)-Sequenzen können unter speziellen Kulturbedingungen fragile Stellen in Chromosomen induzieren und Ursache pleiotroper Erkrankungen sein. Jedoch verursachen nicht alle fragilen Stellen, die bisher bekannt sind, einen auffälligen Phänotyp. Beispielhaft sei hier das FraXA-Syndrom vorgestellt, eine der häufigsten Ursachen erblicher geistiger Behinderung.

Dem FraXA-Syndrom liegt eine Repeat-Expansion im 5´-Bereich des X-chromosomalen Gens FMR-1 zu Grunde. Der klinische Phänotyp wurde 1943 durch Martin und Bell beschrieben (Martin-Bell-Syndrom). Betroffene Männer zeigen neben der geistigen Retardierung faziale Dysmorphien mit länglichem Gesicht, vorspringender Stirn, langer Nase und großen Ohren sowie eine Makroorchidie. Frauen mit der betroffenen Anlage können unauffällig bleiben, alle Grade von Lernbehinderung aufweisen oder ebenfalls geistig retardiert sein. Bei Betroffenen kann durch zytogenetische Untersuchungen bei geeigneten Kulturbedingungen eine fragile Stelle auf dem langen Arm des X-Chromosoms (Xq27.3) sichtbar gemacht werden. Die fragile Stelle besteht aus tandemartig wiederholten (CGG)-Tripletts. FMR1-Allele mit 5 bis 54 Repeat-Kopien wurden in der nicht-betroffenen Bevölkerung nachgewiesen. Bei “stillen” männlichen Überträgern (das heißt Individuen ohne Symptome) und unauffälligen heterozygoten Frauen finden sich ca. 50 bis 200 Kopien; diese Allele werden als Prämutation bezeichnet. Ihre Frequenz innerhalb der Bevölkerung liegt zwischen 0,4 und 0,9%. Sie können bei maternaler Vererbung auf über 1.000 Kopien expandieren und dann als Vollmutation die geistige Entwicklung des Betroffenen beeinflussen. In der Regel werden FMR-1 Allele mit mehr als 200 (CGG) methyliert und daher nicht exprimiert. Die Methylierung folgt der Repeat-Expansion und führt zum Verlust des FMR-1 Proteins, das hochkonservierte RNA-Bindungsdomänen trägt. Beim FraXA-Syndrom liegt demgemäß eine “loss of function”-Mutation vor. Dies wird bestätigt durch betroffene männliche Patienten, die statt einer Repeat-Expansion eine Deletion von Teilsequenzen oder des gesamten Gens aufweisen.

Die Vollmutation entsteht immer aus einer Prämutation, das bedeutet, es handelt sich um einen zumindest zweistufigen Prozess. Die repetitive Sequenz expandiert erst nach der Bildung der Zygote in einer frühembryonalen Entwicklungsphase und zwar ausschließlich auf dem maternalen Allel. Bei den Betroffenen findet man ein Mosaik aus verschiedenen stark expandierten Allelen.

Diagnostik
Die Untersuchung wird angeboten bei unklarer mentaler Retardierung von Knaben. Die Länge der repetitiven Sequenz wird mit Hilfe der PCR und Southern-Blot-Analysen abgeschätzt. Bei positivem Ergebnis kann auch eine Untersuchung asymptomatischer weiblicher Risikopersonen sinnvoll sein.

Anschrift der Autorin:
Dr. Chr. Zühlke
Institut für Humangenetik der medizinischen Universität zu Lübeck
Ratzeburger Allee 160
23538 Lübeck

* = Berufsverband Medizinische Genetik, 1996

Mit freundlicher Genehmigung der Medizinischen Verlagsgesellschaft Umwelt und Medizin mbH und der Stiftung für das behinderte Kind.