Die Globin-Gene

Humangenetik für Biologen
8. Stunde: Hämatologische Erkrankungen
1. Hämoglobinopathien
Thalassämien
Sichelzellenanämie
2. Eisenspeicherkrankheiten
Hämochromatose
3. Blutgerinnungskrankheiten
Hämophilien
Thrombophilien
I. Hämoglobinopathien
Verminderte oder fehlende Bildung einer Globin-Kette
Passarge 279a
Die Globin-Gene
Chromosomale
Struktur:
Achtung:
2 HBA-Gene!!!
Struktur der Gene:
Passarge 2008, 299a
Expression der Globin-Gene
Passarge 2008, 297d
1. Thalassämien
Krankheitsbild:
zu geringe Sauerstoffbindung
frühes Absterben der Erythrozyten (30-40 Tage statt 120 Tage);
Vergrößerung der Leber
Überlastung des Organismus mit freiem Eisen
verstärkte Synthese von Erythrozyten
Expansion des roten Knochenmarks (Knochenverformungen!) und der Milz
Thalassämien: verminderte Syntheserate eines Globin-Proteins –
unterscheide: Veränderungen in der Struktur eines Globin-Proteins!
Passarge 287a; http://www.thalassaemiehilfe.de
Thalassämien: Schweregrade
(OMIM: 141900)
(OMIM: 141800)
Nomenklatur: / – „Null“: keine entsprechende Kette vorhanden
/ – „+“: geringe Menge der entsprechende Kette vorhanden
rezessiver Erbgang
Beachte: 2 HBA-Gene!
Weltweit ca. 3% der Bevölkerung heterozygot;
Häufiges Vorkommen im Mittelmeerraum, tropischen und subtropischen Ländern (in
der Po-Region, auf Sardinien und Sizilien ~15%)
Passarge 287b; http://www.thalassaemiehilfe.de
Zur Geschichte der Thalassämie-Forschung
1910-1925
Erste Beschreibung der
Sichelzellenanämie und
Thalassämie
1949-1956
Molekulare Basis der
Sichelzellen-Anämie etabliert
Heterogenität des
Hämogölobins in
Thalassämien beschrieben
Malaria-Hypothese
entwickelt
1937-1945
Thalassämie ist eine rezessive
Erkrankung
Wechselwirkung zwischen
Sichelzell-Hämoglobin und
Thalassämie entdeckt
Thalassämie außerhalb des
Mittelmeerraums beschrieben
Weatherall 2004
1965-1967
Unausgewogene GlobinSynthese in Thalassämien
beschrieben
Normaler Zusammenbau der
b-Globin-Ketten in
Thalassämien bestimmt
Zelluläre Pathologie definiert
Transfusionen mit
Chelatbildnern entwickelt
1956-1960
Struktur des Hämoglobin definiert
/-Thalassämie-Hypothese
entwickelt
Unwirksame Erythropoese in
Thalassämien beschrieben
Methoden zur Entdeckung von
Überträgern entwickelt
1975-1980
Mutationen im -Globin-Gen identifiziert
Deletionen mit Southern-blot identifiziert
Über-Nacht-Infusionen mit ChelatBildnern entwickelt
Pränatale Diagnostik mir RFLP-Markern
entwickelt
1970-1975
Verminderung der -Globin mRNA in
Thalassämien beschrieben
Deletionen in -Thalassämien
identifiziert
Kettenabbruch-Mutationen in aThalassämien identifiziert
Pränatale Diagnose auf der Basis
der Globin-Synthese entwickelt
1980-2000
Globin-Gene sequenziert
Mutationen in cDNA identifiziert
Genetische Modifikatoren
identifiziert
Pränatale Diagnose für das 1.
Trimester entwickelt
Globales Ausmaß erkannt
Knochenmarkstransplantation
-Thalassämien
Deletionen im -Globin-Cluster
Emery 68-10
Ursachen: Rekombinationen zwischen repetitiven Elementen
(Higgs & Weatherall, 2008)
Punktmutationen im -Globin Gen (1)
Emery-Tab.68.7
Vermutlich Bildung instabiler mRNA-Moleküle!
Punktmutationen im -Globin Gen (2)
Mutationen verursachen posttranslationale Instabilität
Emery-Tab.68.7
Globale Verteilung der -Thalassemien
Große Deletionen (3.7 bzw. 4.2 kb): 3.7 I, II, III, 4.7
Weatherhall, 2001
Punktmutationen: T
Deletionsspektrum bei -Thalassämien:
Bevölkerungsspezifische Deletionen
Emery-68.14
-Thalassämien
Populationsspezifische Punkt-Mutationen im HBB-Gen
Suche nach „häufigen“ Allelen in einer Population erleichtert die individuelle Diagnostik
Passarge 2008, 307C
-Thalassämien
Punkt-Mutationen im -Globin Gen
Passarge 2008, 305C
Weitere Punktmutationen im HBB-Gen (1)
Achtung: Strukturveränderungen,
keine klassische Thalassämie!
Passarge 2008; 303a
Weitere Punktmutationen im HBB-Gen (2)
Unstabiles Hämoglobin durch Kettenverlängerung
1. Hämoglobin „Cranston“: Kettenverlängerung durch Rasterverschiebung
2. Hämoglobin „Constant Spring“: Kettenverlängerung durch Mutation im Stopp-Codon
Passarge 2008; 303d
-Thalassämien
Hereditäre Persistenz von fetalem Hämoglobin (-Globine): milde Form
Ursachen:

Deletionen der - und -Globin Gene und kompensatorische Expression
der fetalen -Globin-Gene (A und G-Globin)

Mutationen im Promotorbereich der -Globin-Gene
Promotormutationen führen zur Dauer-Expression
Passarge 2008, 307B
-Thalassämien
Haplotypen*
*Def.: Block von Allelen, die gemeinsam vererbt werden
Wichtig für Diagnostik und Beratung!
Passarge 2008, 305D
Globale Verteilung der -Thalassemien
Weatherhall, 2001
Milde Mutationen fett
Thalassämien und Malaria
Malaria
Thalassämien
(verschiedene Formen)
„Heterosis“
Passarge 161b-2
2. Sichelzellenanämie:
Mutation im β-Globin-Gen
1910 erste Beschreibung durch J.B. Herrick
1949 Charakterisierung als „molekulare Krankheit“ durch L. Pauling
Rezessiver Erbgang; Heterozygotenhäufigkeit 1:500
Passarge 2008, 301A
Sichelzellenanämie
OMIM 603903
Passarge 283b
„Pleiotroper Effekt“
Sichelzellenanämie & Malaria
Passarge 161b
Sichelzellenanämie: Vorteil von Heterozygoten
„Heterosis“
Passarge 283b
Modifikatoren der Sichelzell-Anämie
Beobachtung von klinischer Heterogenität trotz klarer, einheitlicher
genetischer Mutation im -Globin-Gen:
Ursache: Polymorphismen in anderen Globin-Genen, bes. -Globin-Gene
Variable Konzentration des fetalen Hämoglobins im erwachsenen Menschen
um Faktor 20!
Besonders: C->T Polymorphismus an -158 im G-Globin-Promoter (AllelHäufigkeit ~33%)
Fetales Hämoglobin
verhindert HbS-Polymerisation
verdünnt Konzentration an Sichelzell-Hämoglobin
Weitere Modifikatoren sind kartiert (2p15, 6q23, 8q11, Xp22), aber die Gene
unbekannt….
Thein, S.L. 2008
Therapie-Ansätze für Hämoglobinopathien
Stimulierung der Expression des fetalen Hämoglobins
durch Hydroxy-Harnstoff (Inhibitor der Ribonukleotid-Reduktase); 1/3 der
Patienten keine Reaktion!
Decitabin (Inhibitor der DNA-Methylierung),
Butyrat (Inhibitor der Histon-Deacetylase)
Fathallah & Atweh, 2006
Gentherapie:
Vektoren auf der Basis von Lentiviren in aktiven oder geplanten klinischen Studien
Problem:
ausreichende
Expressionsstärke und
Sicherheit der
Vektoren
(InsertionsOncogenese)
Lisowski & Sadelain,
2008
2. Eisenspeicherkrankheiten
Eisenüberladung des Körpers: Hämochromatose (OMIM 235000)
Häufigkeit: 1:400
Klinische Merkmale:
Leitsymptome:
Vergrößerte Leber (90% der Pat.), Leberzirrhose (75%)
Diabetes (70%)
Bronzefärbung der Haut (75%)
Zusätzlich:
Schmerzhafte Arthropathie (30-50%)
Sekundäre Kardiomyopathie (15-20%)
Müdigkeit…
Molekulare Ursachen: Mutationen in den Genen
HFE (kodiert für ein Zelloberflächenprotein; rezessiv),
HAMP (kodiert für Hepcidin; rezessiv),
HFE2 (kodiert für Hemojuvelin; rezessiv),
TFR2 (kodiert für Transferrin-Rezeptor-2; rezessiv),
SLC40A1 (kodiert für Ferroportin; dominant).
Hämochromatose
1865: Erste Beschreibung der Krankheit durch Trousseau
1889: Begriff Hämochromatose geprägt durch von Recklin´ghausen
1935: Erblichkeit der Hämochromatose erkannt durch Sheldon
1976: Autosmal-rezessiver Erbgang beschrieben durch Simon et al.
1996: Kartierung des HFE-Gens als Ursache für Hämochromatose und
Erstbeschreibung der wichtigsten Mutation (Felder et al.)
Häufigste Ursache der Hämochromatose:
Mutation C282Y (Cys->Tyr) in HFE-Gen
Biochemisch: Verlust einer Disulfid-Brücke zur Bindung an 2-Mikroglubulin
-> kein Transport an die Zelloberfläche
Häufigkeit in Nordeuropäer weit verbreitet....
Adams 2007
2. Eisenspeicherkrankheiten
Transferringebundenes Eisen
deDomenico et al., 2008
Eisenstoffwechsel
Gesund
Hämochromatose (HFE)
Erhöhte Eisenaufnahme im Darm und
verstärkte Speicherung in der Leber
Adams 2007
2. Eisenspeicherkrankheiten
Mutationen im TransferrinGen sehr selten (10 Fälle in
8 Familien)
HFE bildet
Komplex mit Tfr1
Hepcidin bindet an
Ferroportin, hemmt FeTransport aus der Zelle
Schaaf & Zschocke, 2008; Abb. 23.3
Divalent metal
transporter
(SLC11A2)
Hämochromatose: Ursache Mutation in HFE-Gen
Allelhäufigkeit C282Y
%
Aus der Verteilung und der Häufigkeit kann
geschlossen werden, dass die Mutation vor
60 – 138 Generation entstand = vor 1000 –
4000 Jahren
Hämochromatose:
Erhöhte Ferritinspiegel (>1000µg/l) bei HFE(C282Y)-Homozygoten
~80%
~50%
n:
Adams 2007
Achtung: Große Variabilität in Penetranz: nur ~1% der Homozygoten
C282Y-Träger prägen die klinischen Merkmale aus....
3. Blutgerinnungsstörungen: Gleichgewicht der Blutgerinnung
Kolde, 2001, Fig. 1.2
Die Blutgerinnungskaskade
Schaaf & Zschocke, 2008
Die Blutgerinnungskaskade
Initiation durch Gewebefaktor (TF) an der Zelloberfläche der Blutgefäße
Römische Nummern: Gerinnungsfaktoren (a: aktiviert)
VWF: von Willebrandt-Faktor
PT: Prothrombin; T: Thrombin
Dahlbäck, 2008
Komponenten der klassischen Blutgerinnungskaskade
Faktor
Synonym
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X
XI
XII
XIII
Fibrinogen
4q28
Prothrombin
11p11-q12
Gewebe-Thromboplastin
1p22
Calcium
Proaccelerin
1q23
(aktivierte Form des FV; nicht mehr im Gebrauch)
Proconvertin
13q34
Antihämophiler Faktor
Xq28
Christmas-Factor
Xq27
Stuart-Power-Faktor
13q13
Plasma-Thromboplastin
4q35
Hageman-Faktor
5q33-qter
Fibrin-stabilisierender Faktor (A)
6p25
Fibrin-stabilisierender Faktor (B)
1q31
Emery Tab. 70-1
Chromosom
1. Hämophilie A
(Überträgerin)
Häufigkeit: 1:10.000 Männer
OMIM 306 700
Passarge 305a
Hämophilie A
Passarge 305c
F8 Gen, Protein und Aktivierung
Aktivierung durch Thrombin
Graw et al., 2005
F8: Wechselwirkung mit anderen Faktoren
PL: Phospholipide
Graw et al., 2005
Häufige Mutationen (1): Intron-22 Inversion
Verantwortlich für ~40% der schweren Fälle von Hämophilie A
Graw et al., 2005
Alu-Elemente!
Häufige Mutationen (2): Intron-1 Inversion
Verantwortlich für ~1% der schweren Fälle von Hämophilie A
Graw et al., 2005
Mutationsprofil der Hämophilie A
Mutationstyp
N
%
302
35,7
260
30,7
proximal
37
4,4
sonstige
5
0,6
Intron-1 Inversion
8
1,0
Punkt-Mutationen
402
47,5
Missense
323
38,2
Nonsense
79
9,3
86
10,2
kl. Deletionen
63
7,5
Kl. Insertionen
22
2,6
Kombinationen
1
0,1
Intron-22 Inversion
distal
Kleine Deletionen/Insertionen
Große Deletionen (< 50 bp)
25
3,0
Splice site Mutationen
22
2,6
Summe
845
Oldenburg 2004
100
Häufig vorkommende Mutationen bei der Hämophilie A
Exon
Codon (Nr)
Aminosäure
Schwere
Häufigkeit
4
GTG->ATG (162)
Val->Met
mittel/leicht
28
8
CGA->TGA (336)
Arg->Stop
schwer
13
10
GGA->AGA (479)
Gly->Arg
mittel/leicht
14
11
CGG->TGG (527)
Arg->Trp
mild
22
11
CGC->TGC (531)
Arg->Cys
mittel/leicht
19
11
CGC->CAC (531)
Arg->His
leicht
12
12
CGC->TGC (593)
Arg->Cys
leicht/mittel
35
14
TAT->TTT (1680)
Tyr->Phe
mittel
28
14
CGC->TGC (1689)
Arg->Cys
mittel
27
16
CGT->CAT (1781)
Arg->His
mittel
11
18
CGA->TGA (1941)
Arg->Stop
schwer
25
18
CGA->TGA (1966)
Arg->Stop
schwer
13
18
CGA->CAA (1966)
Arg->Gln
leicht
12
19
CGG->TGG (1997)
Arg->Trp
mittel/schwer
28
19
GTG->GCG (2016)
Val->Ala
mittel
11
22
CGA->TGA (2116)
Arg->Stop
schwer
13
23
CGA->TGA (2147)
Arg->Stop
schwer
17
23
CGT->CAT (2150)
Arg->His
mittel/leicht
50 (!)
Graw et al., 2005; nach HAMSTeRS Datenbank
Therapie bei Hämophilie A
Früher:
Bluttransfusionen…
1970/80:
gereinigte Plasmafaktoren
Problem: HIV-Kontamination….
1990er:
gentechnisch hergestellte Faktoren
Generelles Problem: Bildung inhibitorischer Antikörper
(etwa 30% aller schweren Fälle)
Zukunft: Gentherapie
Gentherapie bei Hämophilie A
Retroviren
Adeno-assoziirte Viren
(mutiert)
Adenoviren
Probleme:
- Expressionsstärke
- „Nachhaltigkeit“
Biospektrum; Schwaab 2002
- Antikörper
2. Thrombophilien
Thrombophilie: erhöhte Neigung zur Bildung von Thrombosen („Blutgerinsel“)
Ursache für Herzinfarkt, Schlaganfall, Lungenembolie, und
Thrombosen in den tiefen Venen
Häufigkeit von Thrombosen:
ca. 200.000 neu aufgetretene Thrombosen pro Jahr (Inzidenz).
Frauen haben üblicher Weise ein höheres Risiko
http://www.phytodoc.de
Häufigkeit 1:1000 (Prävalenz)
Multifaktorielle Erkrankung, kein klassischer Mendel‘scher Erbgang
2. Thrombophilien
Hemmung der
Gerinnung:
Antithrombin (AT)
Aktiviertes Protein C
Protein S
Tissue Factor
pathway inhibitor
Kottke-Marchant, 2002
Mutationen in diesen Faktoren führen zum Verlust der Gerinnungshemmung = zu
starke Gerinnung!
2. Thrombophilien
Thrombin (T) bindet an Thrombomodulin (TM): Aktivierung von Protein C  APC
EPCR: Protein C-Rezeptor der Endothelzellen
Dahlbäck, 2008
2. Thrombophilien
APC inaktiviert FV und FVIII durch Spaltung (Vi, VIIIi)
S: Protein S: Komplex mit einem Komplement-Regulator (C4BP)
Dahlbäck, 2008
2. Thrombophilien
1. Protein-C-Defizienz
Häufigkeit unter Blutspendern: 1:250 ! Aber nur geringes Thrombose Risiko.
2. Protein-S-Defizienz
Verschiedene Formen möglich (wichtig: Verhältnis freies PS : gebundenes PS)
3. APC-Resistenz /FV Leiden
Wichtiger Risiko-Faktor für Thrombose: 20-60% der Thrombose-Fälle, aber
auch 5-10% in der allgemeinen Bevölkerung: 5-fach erhöhtes ThromboseRisiko!
4. Prothrombin-Mutation
Wichtiger Risiko-Faktor für Thrombose: 6-8 % der Thrombose-Fälle, aber auch
2-4% in der Bevölkerung: 3-4fach erhöhtes Risiko für Thrombose
2. Thrombophilien: APC-Resistenz /FV Leiden
Wildtyp
Mutation verhindert Inaktivierung des Gerinnungsfaktors Va – Spaltstelle betroffen!
Thrombose-Risiko für Heterozygote 5-fach erhöht, für Homozygote 50-fach
Mutation zuerst in Leiden (Niederlande) beschrieben -> Name!
Evolution: Gründereffekt vor ca. 21.000 Jahren; häufig in Europa (Schweden, Deutschland, Zypern) und Naher Osten, selten im Fernen Osten, Afrika und bei Ureinwohnern
von Australien und Amerika
Dahlbäck, 2008
2. Thrombophilien: Erhöhtes Risiko für Venenthrombosen
Mannhalter, 2008
2. Thrombophilien: Prothrombin-Mutation
Mutation erhöht Stabilität der mRNA – erhöhter Plasma-Spiegel an Prothrombin und
damit auch tendenziell mehr Aktivierungsmöglichkeit zu Thrombin!
Evolution: Gründereffekt vor ca. 24.000 Jahren; häufiger in Südeuropa als in Nordeuropa, selten im Fernen Osten, Afrika und bei Ureinwohnern von Australien und
Amerika
Dahlbäck, 2008
2. Thrombophilien
Behandlung:
Vitamin-K-Antagonisten (viele Reaktionen Vit.K-abhängig)
Heparin