2. Erkrankungen der Hornhaut
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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
