Habilitationen Zur Genetik des Townes Brocks Syndroms

Habilitationen
Zur Genetik des TownesBrocksSyndroms
Jürgen Kohlhase
Institut für Humangenetik, Universität
Göttingen
Zur Person:
Jürgen Kohlhase, geb. 1965 in Rotenburg/ Ful
da. 19861992 Studium der Humanmedizin an
der GeorgAugustUniversität Göttingen. 1988
1992 Stipendiat der Studienstiftung des deut
schen Volkes. 19931995 wissenschaflticher
Mitarbeiter in der Abteilung Molekulare Ent
wicklungsbiologie (Prof. Dr. H. Jäckle) am Max
PlanckInstitut für Biophysikalische Chemie,
Göttingen. Dissertation über „Isolierung und
Charakterisierung einer humanen Genfamilie
mit Ähnlichkeit zu spalt, einem regionsspezifi
schen homöotischen Gen von Drosophila me
lanogaster“ (1996). 19951996 wissenschaft
licher Mitarbeiter am Institut für Humangenetik
der Universität Gießen (Prof. Dr. U. Müller).
19962000 und seit 2001 wissenschaftlicher
Mitarbeiter bzw. Assistent am Institut für Hu
mangenetik der Universität Göttingen (Prof. Dr.
W. Engel). 20002001 Assistenzarzt im Nieder
sächsischen Landeskrankenhaus Göttingen.
März 2002 Facharzt für Humangenetik. Juli
2002 Habilitation für das Fach Humangenetik
an der Medizinischen Fakultät der GeorgAu
gustUniversität Göttingen mit dem Thema
„Genetische Grundlagen des TownesBrocks
Syndroms“.
Zusammenfassung der
Habilitation
nisch eindeutigen Fall von Townes
BrocksSyndrom (s.u.).
Die Erstbeschreibung des
TownesBrocksSyndroms
Beim TownesBrocksSyndrom han
delt es sich um ein autosomaldomi
nant vererbtes Fehlbildungssyndrom,
welches nach P. L. Townes und E. R.
Brocks benannt wurde, die im Jahre
1972 eine Arbeit über ein „erbliches
Syndrom mit Analatresie, Hand, Fuß
und Ohranomalien“ veröffentlichten.
Townes und Brocks beschrieben in
diesem Artikel eine Familie, in der so
wohl der Vater als auch fünf von sie
ben seiner Kinder Anomalien von
Anus, Händen, Ohren und Füßen auf
wiesen. Nachfolgend wurden einige
Familien und sporadische Fälle mit
ähnlichen Fehlbildungen beschrieben,
bis 1984 der Begriff TownesBrocks
Syndrom erstmals Einzug in die Lite
ratur fand.
Unter dem Begriff „Typus Rostockien
sis“ wurden jedoch später eine ganze
Reihe von Fehlbildungskombinatio
nen subsummiert, wobei als charak
teristische Fehlbildungen „Genital
mißbildungen, Klumpfüße und Poly
daktylie“ genannt und sowohl präaxi
ale als auch postaxiale Polydaktylien
als zugehörig betrachtet wurden. Der
Typus Rostockiensis galt als eine
ätiologisch ungeklärte, sporadisch
auftretende Erkrankung, bis nach den
ersten Beschreibungen von Patienten
mit Trisomie 13 für einige Fälle des
Typus Rostockiensis eine Trisomie 13
als Ursache angenommen wurde.
Wegen der unklaren Abgrenzung zur
Trisomie 13 wurde die Bezeichnung
Typus Rostockiensis bzw. Ullrich
FeichtigerSyndrom
nach
1981
schließlich aus den Standardwerken
der Syndromologie entfernt. Obwohl
Feichtiger wie oben gezeigt tatsäch
lich einen Patienten mit Townes
BrocksSyndrom beschrieb, waren
von ihm wie von späteren Autoren so
wohl die charakteristische Fehlbil
dungskombination als auch der Ver
erbungsmodus nicht erkannt worden.
Erst Townes und Brocks erkannten
1972 die autosomaldominante Verer
bung in einer Familie, deren betroffe
ne Mitglieder alle charakteristischen
Fehlbildungen zeigten.
Historische Anmerkungen
Lenz wies 1993 darauf hin, daß die
für das TBS beschriebene Kombina
tion von Anomalien bereits früher als
„Typus Rostockiensis“ bzw. Ullrich
FeichtigerSyndrom in die Literatur
eingegangen sei. In seiner Disserta
tion beschrieb Feichtiger 1943 einen
Jungen, bei dem eine Analatresie,
dysplastische Ohren mit präaurikulä
ren Anhängseln, völlige Taubheit, tri
phalangeale Daumen beiderseits mit
präaxialer Polydaktylie, eine verkürz
te dritte Zehe rechts und eine Ver
schmelzung der dritten und vierten
Zehe links sowie Hypospadie und
Leistenhoden vorlagen. In der Tat
handelt es sich hierbei um einen kli
Die Klinik des TownesBrocks
Syndroms
Beim TownesBrocksSyndrom (TBS)
handelt es sich um ein autosomaldo
minant vererbtes Fehlbildungssyn
medgen 14 (2002)
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Habilitationen
Abb 1 Schematische Darstellung
des SALL1Proteins (1324 Amino
säuren) und Lokalisation der bis
Dezember 2001 bekannten Mutatio
nen.
Die horizontale, mit „del“ bezeichnete
Linie gibt die Position einer insge
samt 1150 Bp umfassenden Deletion
innerhalb von Exon 2 an. (11) zeigt,
daß die Mutation 826C>T in 11 nicht
verwandten Patienten gefunden wur
de. An Position 1115 wurden zwei
verschiedene „Nonsense“Mutationen
entdeckt (2). Alle anderen Mutationen
wurden jeweils in nur einer Familie
gesehen.
drom, welches primär durch die Kom
bination charakteristischer Fehlbil
dungen von Anus, Händen und Ohren
charakterisiert ist. Die Häufigkeit wird
mit 1 auf 250.000 Neugeborene ange
geben.
Analfehlbildungen können sich beim
TBS als ausgeprägte anorektale Age
nesie, Analstenose, Vorverlagerung
des Anus, überschüssige perianale
Haut oder prominente perineale Ra
phe zeigen und wurden in ca. 81,3 %
(eigene Daten) der Fälle beobachtet.
Die Handfehlbildungen (bei ca. 87,5
% der Patienten) reichen von finger
artig aussehenden Daumen über tri
phalangeale Daumen bis hin zur prä
axialen Polydaktylie mit oder ohne tri
phalangealen Daumen. Hypoplasti
sche Daumen wurden selten gese
hen. An den Ohren wurden Mikrotie,
sog. Satyrohren oder eingefaltete
obere Helices mit oder ohne Ohran
hängsel beobachtet (ca. 87,5 % der
Patienten). Einige Patienten zeigten
zusätzlich eine neurosensorische
Schwerhörigkeit (87,5 %).
Das Spektrum der Nierenfehlbildun
gen (62,5 %) beinhaltet Nierendysto
pien, hypoplastische Nieren und uni
laterale Nierenagenesie. Auch multi
zystische Degenerationen der Nieren
wurden beschrieben. Als lebensbe
drohliche Komplikation ist die termi
nale Niereninsuffizienz zu erwähnen.
Nierenfunktionsstörungen werden bei
56,3 % der Patienten beobachtet.
Fehlbildungen der ableitenden Harn
wege sind ebenfalls anzutreffen, so
Ureterstenosen, vesikoureteraler Re
flux, Meatusstenosen und (in 30 %
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der männlichen Patienten) Hypospa
dien.
eine Chromosomenanalyse erforder
lich.
Häufig sind weiterhin Fußfehlbildun
gen (87,5 %, Polydaktylien, Syndak
tylien, Zehenfehlbildungen, Hacken,
Platt und Klumpfußdeformitäten, den
dritten Zeh überlappende zweite und
vierte Zehen).
Mutationen in SALL1 verursachen
das TownesBrocksSyndrom
Die genetische Ursache des Townes
BrocksSyndroms war bis 1998 unbe
kannt. Die Lokalisation des TBSGens
war aufgrund zytogenetischer Auffäl
ligkeiten bei TBSPatienten, einer pe
rizentrische Inversion (inv(16)(p11.2;
q12.1)) und einer balancierten Trans
lokation 46,XX,t(5;16)(p15.3;q12.1),
auf Chromosom 16q12.1 vermutet
worden.
Herzfehler wurden bei einigen TBS
Fällen (eigene Daten: 25 %) beschrie
ben, so bei zwei Patienten eine Fallo
t’sche Tetralogie, bei einer Patientin
ein Truncus arteriosus communis und
ein VentrikelSeptumDefekt (VSD)
und bei einem weiteren Mädchen ein
VSD mit Pulmonalatresie.
Eine mentale Retardierung scheint
eher selten und dann in milder Form
aufzutreten. Weitere seltene Auffällig
keiten sind Hirnnervenlähmungen und
Kolobome der Iris sowie Skoliosen,
Spina bifida occulta, Rippenfehlbil
dungen, Gesichtsasymmetrien und
Mikrozephalie, wobei aufgrund der
Seltenheit unklar ist, ob es sich hier
bei nicht um zufällige Assoziationen
handelt.
Differentialdiagnostisch ist bei TBS
das GoldenharSyndrom/ OculoAuri
culoVertebrale Spektrum zu erwä
gen. Bei sporadischen Fällen ist dar
über hinaus eine Verwechslung mit
der VA(C)TER(L)Assoziation möglich.
Wichtig ist auch eine Abgrenzung
gegenüber dem Katzenaugen („cat
eye“)Syndrom. Bei TBSPatienten,
deren Symptomatik mit dem Katzen
augenSyndrom überlappt, ist daher
Das Gen Hsal1, später SALL1 ge
nannt, wurde aufgrund seiner Ähn
lichkeit zum Gen spalt (sal) von Dro
sophila melanogaster isoliert und ko
diert vier SALtypische Doppelzinkfin
gerdomänen, die charakteristisch
über das Protein verteilt sind, sowie
eine Nterminale C2HC und eine an
die zweite Doppelzinkfingerdomäne
angehängte C2H2Einzelzinkfingerdo
mäne. Die Lokalisation von SALL1 in
der chromosomalen Region 16q12.1,
in welcher der TownesBrocksSyn
dromGenlocus vermutet worden war,
gab einen ersten Hinweis auf SALL1
als mögliches Kandidatengen für
TBS. Weitere Hinweise entstammten
der Beobachtung, daß die embryona
le Expression der salähnlichen (und
SALL1ähnlichen) Vertebratengene
Msal, Xsal1 und Medaka sal einige
deutliche Gemeinsamkeiten aufwies.
Transkripte dieser drei Gene wurden
im ZNS, in den Gliedmaßen oder
Flossenknospen und in den Nierenan
lagen bzw. Nierenähnlichen Struktu
ren von Embryonen dieser drei Spe
Aufgrund dieser Beobachtungen wur
de SALL1 als Kandidatengen bei Pa
tienten mit TownesBrocksSyndrom
aus zwei unabhängigen Familien ana
lysiert. Hierbei handelte es sich um
einen sporadischen Fall sowie um
eine Familie mit Betroffenen in zwei
aufeinander folgenden Generationen.
Alle Betroffenen zeigten den klassi
schen Phänotyp des TBS mit präaxi
aler Polydaktylie, typischen Ohrmu
scheldysplasien und Analatresie. In
beiden Familien konnten dabei durch
PCR und direkte Sequenzierung
heterozygote SALL1Mutationen (Fra
meshift bzw. NonsenseMutation)
gefunden werden, die zu einem vor
zeitigen Translationsstopp führen.
Beide Mutationen wurden in über 100
Kontrollchromosomen wie auch in ge
sunden Familienangehörigen nicht
gefunden. Es wurde daher angenom
men, daß diese Mutationen ursächlich
für das TownesBrocksSyndrom bei
den untersuchten Patienten sind. Auf
grund des Typs der Mutationen und
der Beobachtung, daß den mutanten
Proteinen, falls diese überhaupt ent
stünden, alle SALtypischen Doppel
zinkfingerdomänen fehlen würden,
wurde vermutet, daß die Mutationen
über eine Haploinsuffizienz für SALL1
zur Erkrankung führen.
Insgesamt sind derzeit 29 verschiede
ne SALL1Mutationen bekannt (davon
8 unveröffentlicht), die mit drei Aus
nahmen zum TBS führen. Eine Muta
tion (1819delG) wurde in einer Fami
lie entdeckt, deren betroffene Mitglie
der kein TBS, sondern einen Bran
chioOtoRenalSyndromähnlichen
Phänotyp aufweisen. Die Vermutung
einer Polyphänie für SALL1 wurde
durch den Nachweis der SALL1Mu
tation in einer weiteren Familie mit
ähnlichem Phänotyp kürzlich bestä
tigt. Eine andere Mutation (1277
1278delGA) wurde bei einem Mäd
chen gefunden, deren Auffälligkeiten
sowohl die Diagnosen TBS als auch
GoldenharSyndrom zuließen. Sieben
dieser Mutationen sind „Nonsense“
Mutationen, die an sechs verschiede
nen Positionen vorkommen. Die
826C>T Mutation wurde von uns bei
mittlerweile sieben nicht verwandten
sporadischen Patienten, von Marlin et
al. (1999) bei drei nicht verwandten
sporadischen Patienten und bei ei
nem sporadischen Patienten durch
Keegan et al. (Keegan et al. 2001) ge
funden. Daher ist diese Mutation mit
einer Detektion in 11 von 38 Muta
tionspositiven Familien bei weitem
die häufigste in SALL1, und die Posi
tion 826C stellt einen echten „hot
spot“ für Mutationen dar. Darüber hin
aus ist diese Mutation für 11 von 23
(47,8 %) derjenigen sporadischen
TBSFälle verantwortlich, bei denen
eine Mutation nachgewiesen wurde.
Die überwiegende Mehrheit der
SALL1Mutationen (21) sind Leserast
ermutationen, d.h. kleine (<100 Bp)
Deletionen (16), eine größere Deletion
(1150 Bp) in Exon 2 und vier kurze In
sertionen. Obwohl TBSverursachen
de SALL1Mutationen inzwischen
über fast das gesamte Exon 2 verteilt
zu sein scheinen, ist doch weiterhin
zu beobachten, daß 22 von 29
SALL1Mutationen 5’ von oder inner
halb der Region liegen, die für den er
sten Doppelzinkfinger kodiert. Dies
legt die Vermutung nahe, daß diese
Region besonders zu Mutationen
neigt. Mutationen in Exon 1 und 3
wurden bislang nicht beobachtet.
Habilitationen
zies detektiert. Darüberhinaus fand
sich bei Maus und Krallenfrosch eine
Expression der Gene in der Herzanla
ge und im sich entwickelnden Innen
ohr. Demnach lag eine Übereinstim
mung der Expressionsdomänen die
ser Gene mit den beim TBS betroffe
nen Organen und Geweben vor.
Es ist bisher nicht möglich, bestimm
ten SALL1Mutationen einen be
stimmten Phänotyp zuzuordnen. Le
seraster oder Stoppmutationen kön
nen unabhängig von ihrer Position in
Exon 2 TBS verursachen. Auch für
den BORSyndromähnlichen Phäno
typ scheint keine Korrelation zu be
stimmten Mutationstypen oder loka
lisationen möglich, soweit dies von
nur zwei untersuchten Familien bzw.
zwei Mutationen abgeleitet werden
kann. Bisher wurde keine „Missense“
Mutation in SALL1 bei TBSPatienten
gefunden.
Zur Funktion des Gens SALL1
Aufgrund der Anwesenheit von Dop
pelzinkfingermotiven des C2H2 oder
KrüppelTyps (nach dem Drosophila
Gen Krüppel) wurde angenommen,
daß SALL1 als DNAbindender Trans
kriptionsfaktor funktioniert. Um die
Pathogenese des TownesBrocks
Syndroms auf molekularer Ebene zu
verstehen, wurde zunächst zum
Nachweis der intrazellulären Lokalisa
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tion ein GFPSALL1Fusionsprotein in
NIH3T3Zellen exprimiert und ge
zeigt, daß das SALL1Protein nicht
wie erwartet homogen im Nukleus,
sondern am perizentromerischem
Heterochromatin lokalisiert ist, die in
nere Kernmembran netzartig ausklei
det sowie partiell mit M31, dem muri
nen Homologen des heterochromatin
bindenden Proteins HP1 von Droso
phila melanogaster, kolokalisiert ist.
SALL1 fungiert als transkriptioneller
Repressor und interagiert mit PIN2,
einer Isoform des TelomerRepeat
bindenden Proteins TRF1.
Die molekulare Pathogenese des
TownesBrocksSyndroms
Alle SALL1Mutationen, die bei TBS
Patienten gefunden wurden, resultie
ren in präterminalen Stoppkodons
und sollten wegen des „nonsense
mediated messenger decay“ über
eine SALL1Haploinsuffizienz das
TBS verursachen. Der „knock out“
des SALL1homologen Mausgens
Sall1 führt bei homozygoten Nullmu
tanten jedoch nur zu einer Agenesie
oder schweren Dysgenesie beider
Nieren aufgrund unvollständigen Aus
wachsens der Ureterknospe im Em
bryo. Weder hetero noch homozygo
te Sall1KnockoutMäuse jedoch wei
sen einen TBSähnlichen Phänotyp
auf. Die molekulare Pathogenese des
TownesBrocksSyndroms ist daher
bisher nur unzureichend verstanden.
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Korrespondenzadresse
PD Dr. Jürgen Kohlhase
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HeinrichDükerWeg 12
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