Humangenetik für Biologen
10. Stunde: Genetik von Augenerkrankungen
1. Störungen der Augenentwicklung
Anophthalmie
Mikrophthalmie
Fehlbildungen des vorderen Augenabschnitts
2. Erkrankungen der Hornhaut
Reis-Bückler-Dystrophie
Fuchs‘sche Hornhaut-Dysplasie
3. Erkrankungen der Linse (Grauer Star = Katarakte)
4. Glaukom (Grüner Star)
5. Erkrankungen der Retina
Medizinische Bedeutung
Globale Ursachen von Blindheit (2000):
Katarakt
25.0 Mio
50.0 %
Glaucom
6.7
13.4
Refractive Fehler
5.0
10.0
Vitamin A Defizienz
0.5
1.0
Alters-abhängige MaculaDegeneration (AMD)
1.0
2.0
12.8
25.6
Andere
(Johnson and Foster, 2003)
Anatomie des menschlichen Auges
Frühe Augenentwicklung - Übersicht
1. Entwicklungsstörungen – Anophthalmie & Mikrophthalmie
Anophthalmie (OMIM 206900)
Häufigkeit: 1:30.000
Klinik: kein Auge in der Augenhöhle
Mikrophthalmie (OMIM 309700)
Häufigkeit: 1:7.000
Klinik: Achsenlänge unter 2 SD vom
Durchschnitt; häufig Teil eines Syndroms
Risiko-Faktoren für beide Erkrankungen:
Mütterliches Alter >40 Jahre, Frühgeburten
Verma & Fitzpatrick, 2007
1. Entwicklungsstörungen – Anophthalmie & Mikrophthalmie
assoziiert mit chromosomalen Störungen
Chromosomenstörung
Duplikation 3q
zusätzliche Erkrankungen
Lernschwäche, Wachstumsstörung, Herzfehler,
Fehlbildungen des Brustkorbs und der Genitalien
4p- (Wolf-Hirschhorn-S.)
Wachstumsstörung, Mikrozephalie, Lernschwäche, Epilepsie,
Lippen-Gaumenspalte
Duplikation 4p
Lernschwierigkeiten, Epilepsie, Wachstumstörung, Fettleibigkeit, Mikrozephalie, Fehlbildungen der Genitalien
Duplikation 10q
Lernschwäche, Wachstumsstörung, Mikrozephalie,
Fehlbildungen an Herz und Nieren
13q-, 13-Ring
Mikrozephalie, Lernschwierigkeiten, Herzfehler, Fehlbildung
der Harnröhre, Hodenhochstand
Deletion 14q22.1-q23.2
Hypoplasie der Hypophyse
Nach Verma & Fitzpatrick, 2007
.
1. Entwicklungsstörungen – Anophthalmie & Mikrophthalmie
assoziiert mit Punkt-Mutationen
Gen
RAX
Locus
18q21.3 (AR)
SOX2
3q26.3-q27 (AD) Anophthalmie/Mikrophthalmie
PAX6
11p13 (AD)
Aniridie, (Peter‘s Anomalie, autosomal dominante
Keratopathie, Hypoplasie der Fovea, Missbildungen
des Sehnervs, Anophthalmie)
607108
OTX2
14q22 (AD)
Anophthalmie/Mikrophthalmie, (Missbildungen
des Sehnervs und der Retina)
600037
CHX10 14q24.3 (AR)
Mikrophthalmie
142993
FOXE3 1p32
Missbildungen des vorderen Augenabschnitts,
congenitale primäre Aphakie
601094
Autosomal-dominante Katarakt, (Mikrophthalmie)
123631
CRYBA4 22q11.2 (AD)
Hauptsächliche Erkrankungen am Auge
Anophthalmie/Mikrophthalmie
OMIM
601881
184429
Verma & Fitzpatrick, 2007
1. Entwicklungsstörungen - Anophthalmie: Mutation in RAX
Rezessiver Erbgang:
Patient: gemischt
heterozygot
Voronina et al., 2004; Fig. 2a, 3a
Mutationen im RAX/rax/rx-Gen
Chr. 18q21
Gen: 6,4 kb
mRNA: 3,2 kb
(lange 3‘-UTR)
Protein: 346
Aminosäuren;
~38 kDa
Humane Mutationen
Octapeptid
C-terminus: paired-tail domain
HD: Homeodomäne: Transkriptionsfaktor
Voronina et al., 2004; Fig. 1
Funktionsanalyse der humanen RAX-Mutationen
Verminderte DNA-Bindung:
wt
Spez.
Bindung
Freie
Oligos
Voronina et al., 2004; Fig. 5
PCE: photoreceptor conserved target (=Ret1)
COUP: unspezifische DNA-Sequenz
1. Entwicklungsstörungen - Anophthalmie: Mutationen in SOX2
Ragge et al., 2005, Fig. 1
Ursache: de-novo Mutationen in SOX2 !
cDNA:
Ragge et al., 2005, Fig. 3
„Master“-Gen der Augenentwicklung: Pax6
ektopische Expression von Maus-Pax6 in Drosophila Antennen (A) und Bein (B)
Halder et al., 1995
Pax6 Mutationen in der Maus: Small eye or no eye?
E15.5
Wt
+/-
Aey11
+/-
Aey18
-/-/-: keine Augen !!
ADD4802
verschiedene Pax6 Mutanten
Pax6-Mutationen bei Menschen: Aniridie
Halder et al., 1995
PAX6
genomische Organisation und Kontroll-Elemente
Exon 5a
Chr. 11p13
Transkript: 1746 bp
Protein: 436 Aminosäuren; 48,2 kDa
Elongationsfaktor 4
Halder et al., 1995
Van Heyningen und Williamson, HMG 11 (2002) 1161-1167
PAX6: Domänenstruktur und Mutationen
Exons 1
2
3 4 5 5a
6
Paired-Domäne
7
8
9
10
11
12
13
Homeo-Domäne Prolin-, Serin-, Threonin-reiche Domäne
Rote AS: Kontakt zu DNA-Rückgrat
Blaue AS: Kontakt zur kleinen oder großen Furche
Mutationen: pink - Mensch; Maus - grün
Halder et al., 1995
Van Heyningen und Williamson, HMG 11 (2002) 1161-1167
1. Entwicklungsstörungen – Mikrophthalmie: Mutationen in SIX6
Gallardo et al., 2004, Fig. 2
SIX6 und die SIX-Genfamilie (nur Homeodomäne)
Mutation
(Microphthalmie)
DNA-Bindungsdomänen
Gallardo et al., 2004, Fig. 1
Erkennungsdomäne
(in großer Furche)
1. Entwicklungsstörungen – Mikrophthalmie: Mutationen in MAF
Translokation:
+ (balanziert):
46,XY,t(5;16)(p16.3;q23.2)
*(unbalanziert):
46,XX,der(5),t(5;16)(p16.3;q23.2)
Punktmutation:
R288P
Co-Segregation in Familie:
Behandlung der PCR-Fragmente
mit MspI (CCGG)
Jamieson et al., 2002, Fig. 1
MAF: Bindungsdomänen für DNA und Proteine
R288P
Jamieson et al., 2002, Fig. 3
1. Entwicklungsstörungen –Axenfeld-Rieger Syndrom:
Mutationen in FOXC1
Einige ophthalmologische Formen
gesund
Iris-Cornea-Verbindung
Verlust ret. Ganglienzellen lok. Retina-Degeneration
Hjalt und Semina, 2005, Fig. 2
vergrößerte Cornea
Degeneration des Sehnervkopfes
Mutationsspektrum in FOXC1 Gen (Chr. 6p25)
Stopp
56,8 kDa
Poly-Gly
Vorhergesagte Translationsprodukte
nach Leseraster-Mutation
schwarz: neue Aminosäuren
Nishimura et al., 2001, Fig. 1
1. Entwicklungsstörungen - Fehlbildungen im vorderen
Augenabschnitt: Mutationen in FOXE3
SchwalbeRing
*Kamerareflex; C: Katarakt
Semina et al., 2001, Fig. 4
FOXE3: Genstruktur
Chromosom: 1p32
Ungewöhnlich: 1 Exon: 1980 bp,
319 Aminosäuren, Molekulargewicht 33,2 kDa
Forkhead-Genfamilie („FOX“)
Forkhead Domäne: Transkriptionsfaktor
1. Entwicklungsstörungen – Fehlbildungen im
vorderen Augenabschnitt: Mutationen in PITX3
Cornea Trübung
Katarakt
Semina et al., 1998, Fig. 4
Katarakt
Verkleinerte
Cornea und
Linse
PITX3 Mutationen bei Menschen: Hinterer Polstar (I)
Ursache: häufige 17-bp-Insertion in Exon 4
Burdon et al., 2006, Fig. 1
(Berry et al., 2004)
PITX3: Genstruktur
Chromosome 10q25
4 Exons (1. Exon nicht translatiert)
302 Aminosäuren = 31,8 kDa
Homeobox: Aminosäuren 60-120
Kern-Lokalisationssequenz 268-272
Mausmodell aphakia: Zwei
Deletionen im Pitx3 Promotor
Spontane Mutation (1968; aus JAX)
¾fehlende Linse
¾retinale Desorganisation
¾Modell für Parkinson’sche Erkrankung
¾
E 10.5
P 21
100µm
100µm
OV :optic vesicle
LV :lens vesicle
LS :lens stalk
R:retina
C :cornea
Ursache: 2 Deletionen im Promotor des Pitx3-Gens
2. Erkrankungen der Hornhaut
Aufbau der Hornhaut:
2. Erkrankungen der Hornhaut
Vielfältige Erkrankungsformen; insgesamt eher seltener
Zentrale kristalline
Dystrophie Schnyder
Reis-Bückler Dystrophie
2. Erkrankungen der Hornhaut
Name
Gen (Chr; dom/rez)
Pathologischer Mechanismus
Meesmann
Keratin K3 (12q12; dom) Veränderter Aufbau des Zytoskeletts
Keratin K12 (17q12; dom)
Tropfenform
TACSTD2 (1p32; rez)
Reis-Bückler TGFBI (5q31; dom)
erhöhte Permeabilität von Epithelzel.
veränd. Faltung von TGFBI, Amyloid
Netzförmig
GSN (9q34; dom)
amyloide Form von Gelsolin
Bietti
CYP4V2 (4q25-ter; rez)
Einschlüsse von Cholesterol
Fischauge
LCAT (16q22; dom)
Erhöhte Lipoproteine
Fuchs
COL8A2 (1p34; dom)
Veränderte Kollagen-Ablagerung
Cornea plana KERA (12q21; dom/rez) veränderte Transparenz
Nach Vincent et al., 2005
.
2. Erkrankungen der Hornhaut
Klinische Heterogenität der Mutationen im Gen TGFBI / BIGH3
Aldave & Sonmez, 2007
2. Erkrankungen der Hornhaut
Klinische Heterogenität der Mutationen im Gen TGFBI / BIGH3
Avellino Hornhaut-Dystrophie:
Kombination der granulären und gittrigen
stromalen Hornhautdystrophie mit scharf
begrenzten Trübungen im vorderen
Hornhautstroma. Zusätzlich
doppelkonturige lineare amyloide
Trübungen.
Atlas of Ophthalmology
Hornhaut-Dystrophie Thiel-Behnke:
Wabenförmige Trübungen der
Bowmanschen Lamelle und der
epithelialen Basalmembran (curly
collagen).
2. Erkrankungen der Hornhaut: TGFBI /BIGH3-Mutationen
Faszillin-ähnliche Domänen
Kannabiran et al., 2006
2. Erkrankungen der Hornhaut
Fuchs‘sche Hornhaut-Dysplasie
Frühe Fuchs‘sche Hornhaut-Dysplasie:
Ausbildung knötchenförmiger
Ausstülpungen an der Descemet‘s
Membran („Guttae“; in jeder Zelle).
Eintrittsalter ~10 Jahre
Mutationen in COL8A2
OMIM 136800
Späte Fuchs‘sche Hornhaut-Dysplasie
Beginn in der 5.-7. Lebensdekade;
4% der Bevölkerung >40 J. betroffen
OMIM 610158
Kopplung mit Chr. 13; Gen unbekannt
2-3 mal mehr Frauen betroffen als Männer
2. Erkrankungen der Hornhaut
Fuchs‘sche Hornhaut-Dysplasie
*Patienten für Kopplungsanalyse
Mutation: Leu450Trp in COL8A2
Gottsch et al., 2005a
2. Erkrankungen der Hornhaut
Fuchs‘sche Hornhaut-Dysplasie
Kontroll-Hornhaut
COL8A2- Leu450Trp
Pfeile: Faltenartige Struktur
Spät-einsetzende Fuchs‘sche
Hornhaut-Dysplasie
Pfeile: Ausstülpungen
Gottsch et al., 2005b
3. Erkrankungen der Linse (Grauer Star = Katarakte)
Morphologisch vielfältig
Kongenitale Formen selten(er); Alterskatarakt sehr häufig
Nahttrübung
Kerntrübung
(axiale Trübung)
Mutation in CRYAA (Mensch):
Katarakt mit Hypoplasie der Macula und des Sehnerv-Kopfes (nur rechtes Auge
gezeigt)
Ansatz: funktionelle Kandidatengen-Suche (kleine Familie)
Kausale Mutation für Katarakt: CRYAA: 62 C→T: Arg21Leu
Kausale Mutation für Maculahypoplasie: doppelt-heterozygot in P (=OCA2)!!!
Kooperation mit Prof. Lorenz,
Augenklinik Universität Regensburg (jetzt Gießen)
Graw et al., 2006
Struktur-Proteine in der Augenentwicklung:
Die β/γ-Kristalline und ihr „Griechisches-Schlüssel Motiv“
Struktur-Proteine in der Augenentwicklung
Die β/γ-Kristalline
β-Kristallin-Gene:
Chromosomen
2q34 CRYBA2
17q11 CRYBA1
22q11 CRYBA4, CRYBB11, CRYBB2, CRYBB3
Ex1
Ex2
Ex3
Ex4
Ex5
Ex6
Proteine:
4 Griech. SchlüsselMotive
γ-Kristallin-Gene:
Ex1
Ex2
Ex3
Chromosomen 2q33 CRYGA, CRYGB, CRYGC, CRYGD, ψCRYGE, ψCRYGF
3q27
CRYGS
7q36
CRYGN (Sonderfall)
3. Erkrankungen der Linse (Grauer Star = Katarakte)
„rotes
Auge“
Katarakt
Katarakte von Geburt an:
+/+
+/-
Zentrale Kerntrübung mit leichter
-/-corticaler Ringtrübung
B: rechtes Auge operiert
Spontan bei der Mutter entstanden,
beide Kinder betroffen
Kleine Familie – keine Kartierung
IDG
Pauli et al., 2007
3. Erkrankungen der Linse (Grauer Star = Katarakte)
Mutation in CRYBB2: Asp128Val (Exon 5)
Mutante: zusätzliche Restriktionsschnittstelle
Pauli et al., 2007
3. Erkrankungen der Linse (Grauer Star = Katarakte)
Mutation in CRYBB2
Kontrolle:
Ko-Segregation in der Familie
und:
Mutation kommt nicht in der allg. Bevölkerung vor!
Pauli et al., 2007
3. Erkrankungen der Linse (Grauer Star = Katarakte)
Mutation in CRYG genes
Bilateral lamellar cataract in father and daughter
Mutation in CRYGD; Santhiya et al., 2002
Mutationen in menschlichen CRYG Genen
verantwortlich für congenitale Katarakte (Auswahl):
CRYGA
CRYGB
CRYGC
CRYGD
--A13C
(Coppock-like)
123-128insGCGGC
(zonular-pulverulent)
C502T
(lamellar)
C43T
(punctate-progressive)
C70A
(lamellar – see previous figure )
2 further cases: coralliform and cerulean!
C109A
(prismatic crystals)
G176A
(aculeiform)
G470A
(central-nuclear)
(CRYGE und CRYGF : Pseudogene)
Bemerkenswerte Zahl polymorpher Stellen in den CRYG Genen:
Prä-disposition für altersabhängige Katarakte?
Mouse model for age-related cataracts:
The Emory Mouse
¾1st paper: Kuck et al., 1981: apparent at 6-8 months: dominant inheritance
¾at the GSF since June 2003
9 months:
Wt
Emory
Test for functional candidate:
No mutation in Cryg genes
........
Mapping result:
linkage to 4 chromosomes
(Fig: Jana Löster)
Beispiel für Katarakt-Ursache: Mutationen in GJA8 (I)
(codiert für Connexin-50)
Heterozygot:
schwache Trübung
Homozygot:
(„triangular cataract“)
Mutationsanalyse in GJA8 als einem von mehreren Kandidatengenen:
Mutation co-segregiert in der Familie und ist nicht vorhanden in 96 Kontrollen
Schmidt et al., 2008
Beispiel für Katarakt-Ursache: Mutationen in GJA8 (II)
(codiert für Connexin-50)
Dominante Form; heterozygoter
Patient
Mutationsanalyse in GJA8: eines
von mehreren Kandidatengenen
Mutation co-segregiert nicht in der Familie (gesunde Mutter ist auch
heterozygot); ist nicht vorhanden in 96 Kontrollen (seltener neuer SNP !!)
Funktionsanalyse in Oozyten: rekombinantes Protein der Mutante
unterscheidet sich nicht vom Wildtyp-Protein!
Beyer et al., 2009
4. Glaukom (Grüner Star)
Gesunder Sehnervkopf
Ausgeprägter Glaukomschaden am Sehnervkopf
mit tiefer Exkavation (Aushöhlung).
Leitsymptom: erhöhter Augeninnendruck
Später: Degeneration des Sehnervs und
Erblindung
Häufigkeit: ca. 60 Mio Menschen weltweit
4. Glaukom:
genetische und morphologische Heterogenität
Wiggs, 2007
4. Glaukom:
Myocilin (MYOC) als Glaukom-Gen (GLC1A, Chr. 1q21)
Spaltung
Proximaler Promotor
¾3% der GlaukomPatienten (POAG)
haben eine Mutation
in MYOC.
¾1,6% der GlaukomPatienten (POAG)
haben die Mutation
Gln368Stop
(Gründer-Effekt)
POAG: primäres
Offenwinkel-Glaukom
(primary open-angle
glaucoma)
Fingert et al, 2002
Exon 1
Exon 2
Exon 3
Gen:
17 kb
Transkript: 3 Exons
Protein:
504 Aminosäuren (57 kDa)
Chaperon-Funktion?
4. Glaukom:
CYP1B1 als Glaukom-Gen (GLC3A; Chr. 2p21)
Bes: primäres congenitales Glaukom (PCG)
Exon (Mutationen)
Kodiert für ein Cytochrom-P450-Enzym
Beteiligt am Stoffwechsel von
Gen:
¾Steroiden,
¾Retinol und Retinal,
¾Arachidonsäure,
¾Melatonin.
Protein:
Vasiliou & Gonzalez, 2008; Ray et al., 2003
>12 kb
Transkript: 3 Exons (1 nicht translatiert)
543 Aminosäuren (~60 kDa)
Regionale Unterschiede von PCG:
1:10.000 Westliche Länder
1: 3.300 Andhra Pradesh (Indien)
1: 2.500 Mittl. Osten
1: 1.250 Roma in der Slowakei
4. Glaukom:
Optineurin (OPTN) als Glaukom-Gen (GLC1E; Chr. 10p15)
Exons (Mutationen)
~17 % der erblichen
Glaukom-Patienten
ohne erhöhten
Augeninnendruck
haben eine Mutation
in OPTN
Gen:
37 kb
Transkript: 16 Exons (3 nicht translatiert)
Protein:
577 Aminosäuren (~63 kDa)
Aber: alternatives splicing Æ 3 Isoformen!
Sezerniertes Protein, Funktion ??
Ray et al, 2003
5. Erkrankungen der Retina
Haupterkrankungen:
¾Retinitis pigmentosa
¾Leber‘sche kongenitale Amaurosis
¾Usher Syndrom
¾Macula Dystrophy
>133 Gene, große klinische und genetische Heterogenität !
Daiger 2004
DieCytologie
Retina
Histologie und
des Auges
¾Die Retina ist der sensorische
Bereich des Auges.
¾Sie
ist
von
einem
Arteriengeflecht durchzogen.
¾Die Fovea ist der Punkt des
schärfsten Sehens.
Histologie der Retina
Licht
Sehnerv
Photorezeptorzellen: Stäbchen und Zäpfchen
Stäbchen:
Schwarz-Weiß-Sehen
(enthalten 1000 Membranplättchen mit
Rhodopsin)
Zapfen: Farbsehen (enthalten auch
etwa 1000 Membraneinfaltungen)
drei verschieden Typen von Zapfen für
das trichromatische (Farb)Sehen.
Signalketten in den Photorezeptor-Zellen
Licht
R = Rhodopsin
T = Transducin (α, β, γ)
PDE = Phosphodiesterase
Elektroretinographie (Maus):
Untersuchung der Reizleitung in der Retina
µV
a-wave
Antwort der
Photorezeptoren
b-wave
stimulus (flash light)
Reizweiterleitung
in der Retina
zum Sehnerv
Latency of a-wave
Latency of b-wave
5. Erkrankungen der Retina – Leber‘sche kongenitale Amaurosis
Fundus
LCA:
Schwerste retinale
Erkrankung mit
Erblindung (ERG = 0)
Eintrittsalter <1 Jahr
14 verschiedene
Gene
Daher hohe klinische
Variabilität !!!
Simonelli et al., 2007
Fluoreszenz
OCT (optical coherence
tomography)
5. Erkrankungen der Retina – Leber‘sche kongenitale Amaurosis
Gen
Chr.
OMIM
Häufigkeit
CEP290
GUCY2D
12q21
17p13
610142
600179
15 %
12 %
Zentrosomales Protein
1q31
604210
10 %
7q31
1p31
17p13
14q11
14q23
6q14
19q13
6p21
2q14
4q31
1q32
146690
180069
604392
605446
608830
611408
602225
602280
604705
604863
180040
8%
6%
5%
4%
3%
2%
1%
>1 %
>1 %
>1 %
>1 %
Homol. zu Crumbs (Dros.;
Membranprotein)
Cyclase
CRB1
IMPDH1
RPE65
AIPL1
RPGRIP1
RDH12
LCA5
CRX
TULP1
MERTK
LRAT
RD3
Den Holländer et al., 2008
Genfunktion
Guanylat
Erkrankungen der Retina: Usher Syndrom
Häufigste Ursache für kombinierte Form
von Blindheit und Taubheit;
Häufigkeit ~1:10.000
Klinische Heterogenität:
USH1: congenitale Taubheit, Beginn der
Retinitis pigmentosa vor Pubertät (2544% aller USH-Patienten in Europa)
USH2: mittlerer bis schwerer Hörverlust,
später Beginn der Retinitis pigmentosa
(56-75% aller USH-Patienten in Europa)
56-year-old Caucasian male
with Usher syndrome type II
USH3: fortschreitender Hörverlust und
variable Retinitis pigmentosa (~2% aller
USH-Pateienten in Europa, aber 20% in
Birmingham, 42% in Finnland)
Reiners et al., 2006
Erkrankungen der Retina: Usher Syndrom
- Genetische Heterogenität -
Reiners et al., 2006
Erkrankungen der Retina: Usher Syndrom
Mechanismus:
Funktionsstörung der
Zilien in den
Photorezeptorzellen
Schwarze Punkte:
Vorkommen von Myosin VIIa (Immunogold)
Die anderen Usher-Proteine wurden auch an der
Pericillin-Membran entdeckt
Williams 2008
Altersabhängige Makula-Degeneration:
Komplexe Erkrankung: klinisch und genetisch
Cook et al., 2008
Altersabhängige Makula-Degeneration:
Komplexe Erkrankung: klinisch und genetisch
55-64 Jahre:
~0,2 %
Swaroop et al., 2009
Über 85 Jahre:
13 %
Altersabhängige Makula-Degeneration:
Chromosomale Kopplung bzw. Assoziation
ABCA4: ATP-bindende Kasette, Unterfamilie A, Mitglied 4
ARMS: Age-related macula degeneration, susceptibility 2
CF(B, H, I): Complement Factor (B, H, I)
Swaroop et al., 2009
Altersabhängige Makula-Degeneration:
Chromosomale Kopplung bzw. Assoziation: Details
ARMS: Age-related macula degeneration, susceptibility 2
CF(B, H, I): Complement Factor (B, H, I)
Swaroop et al., 2009
Altersabhängige Makula-Degeneration: Mechanismen
Swaroop et al., 2009
5. Erkrankungen der Retina – weiteres Beispiel: Retinoschisis
Skoptopisches Sehen: Nachtsehen
Zeng et al., 2004