Informationen für Patienten und ihre Familien

16
Was geschieht im Labor eines
Instituts für Humangenetik?
Diese Information wurde unter Mitwirkung von Dr. Ian M Frayling, Institute of
Medical Genetics, University Hospital of Wales, Cardiff, UK; Dr. Domenico
Coviello, Laboratory of Medical genetics, Fondazione IRCCS Milan, Italy und
The Genetic Interest Group erstellt.
Übersetzung: Prof. Dr. R. Peter Nippert
Juni 2009
Dieser Text wurde mit Unterstützung von EuroGentest angefertigt, ein vom
EU-FP6 gefördertes Network of Excellence, Kontrakt Nr: E 512148
Illustrationen: Rebecca J Kent
www.rebeccajkent.com
[email protected]
Informationen für Patienten und ihre Familien
2
Was geschieht im Labor eines Instituts für
Humangenetik?
Die nachfolgenden Informationen sollen Ihnen einen Einblick
davon geben, was mit einer Gewebe-/ Blutprobe geschieht, die
an ein Labor eines Humangenetischen Instituts geschickt
worden ist. Die wesentlichsten Sachverhalte, die hier dargestellt
werden sind:
• die verschiedenen Methoden, die im Rahmen
genetischer Untersuchungsverfahren im Labor
angewendet werden;
• die Gründe dafür, warum manche der genetischen
Untersuchungsverfahren so lange Zeit in Anspruch
nehmen, während andere vergleichsweise schnell
durchführbar sind, und
• warum in manchen Fällen im Labor kein Ergebnis
festgestellt werden kann.
Detailliertere Informationen darüber, warum Sie eventuell
genetische Untersuchungsverfahren in Anspruch nehmen
sollten, finden Sie im Infortmationsblatt: „Was ist ein
prädiktives genetisches Testverfahren?“
Was sind genetische Testverfahren?
Di e me i ste n gene t is chen
Testverfahren untersuchen die
DNA, die chemische Substanz in
unseren Zellen, die unserem
Körper die Befehle für
Wachstum, Entwicklung und
seine Funktionen erteilt. Die
DNA ist eine Kette von kodierten
Anweisungen, die in speziellen
Befehlen zusammengefasst sind,
die als Gene bezeichnet werden.
Ein Mensch besitzt etwa 30.000
verschiedene Gene, die auf einer
15
14
Gesundheitsversorgung darauf Zugriff hat.
Manche Menschen befürchten, dass auch die Polizei auf ihre
DNA Zugriff nehmen könnte. Dabei handelt es sich um einen
äußerst seltenen Vorgang. Falls die Polizei Zugriff auf eine DNA
Probe aus einem humangenetischen Labor nehmen möchte, ist
dies nur dann möglich, wenn ein richterlicher Beschluß vorliegt
(so wie es auch für alle anderen Bestandteile der Krankenakte
gilt).
3
Anzahl fadenförmiger Strukturen, die man Chromosomen
nennt, aufgereiht sind. Wir erhalten unsere Chromosomen von
unseren Eltern, jeweils 23 von unser Mutter und 23 von unserem
Vater. Das bedeutet, daß wir zwei Chromosomensätze oder 23
„Chromosomenpaare“ haben. Wenn man sich die Genetik als
Buch des Lebens vorstellt, dann stellt die DNA die Buchstaben
dar, die Gene die Wörter und die Chromosomen die Kapitel
dieses Buches.
Abb.: 1 DNA, Gene und Chromosomen
Veränderungen in den Genen oder den Chromosomen werden
als Mutationen bezeichnet. Man kann sich eine Mutation als
Schreibfehler bzw. als Veränderung der Anordnung einer Anzahl
von Wörtern in einem Satz vorstellen. Mutationen treten sehr
häufig auf. Wir haben alle eine Vielzahl davon. Eine Mutation
kann sowohl günstige als auch ungünstige oder auch überhaupt
keine Auswirkungen haben. Das hängt von Umweltbedingungen,
dem Zufall, oder auch von Veränderungen in anderen Genen ab.
Mutationen können immer dann Probleme bereiten, wenn
dadurch ein Gen oder Chromosom daran gehindert wird, dem
4
Körper die richtigen Anweisungen zu geben, die er zum
korrekten Funktionieren benötigt. Genetische Testverfahren sind
daher darauf ausgerichtet, Mutationen in einem bestimmten Gen
oder Chromosom zu finden. In der Regel werden diese
Untersuchungsverfahren an Blut oder anderem Gewebe
vorgenommen. (In einigen Fällen reicht eine Speichelprobe, um
DNA zu erhalten. Allerdings benötigen die Wissenschaftler für
die Untersuchungen eine gewisse Menge DNA von hoher
Qualität, daher ist es besser, mit Blut zu arbeiten). Den Patienten
wird also eine Blutprobe entnommen und diese an ein Labor
gesandt, wo die Gene oder Chromosomen untersucht werden.
Üblicherweise haben Humangenetische Institute zwar ihre
eigenen Labore,
da es jedoch eine Vielzahl genetischer
Untersuchungsverfahren für viele unterschiedliche Störungen
gibt, machen nicht alle Labore alle Untersuchungen. Dies trifft
insbesondere für die seltenen genetischen Störungen zu. Daher
wird eine Probe manchmal an ein bestimmtes Labor gesandt,
weil es sich auf die Untersuchungsmethode spezialisiert hat, die
der Arzt durchgeführt haben möchte.
Man sollte sich stets vor Augen führen: ein genetisches
Testverfahren kann nur ein Ergebnis über diejenige Störung
liefern, für die es entwickelt worden ist. Es gibt kein allgemeines
Testverfahren für alle genetischen Störungen. Das genetische
Untersuchungsverfahren, das an einem Institut für
Humangenetik durchgeführt wird, soll Informationen über den
Gesundheitszustand einer Person oder Familie bereitstellen. Im
Allgemeinen werden dort keine Untersuchungen für andere
Zwecke durchgeführt wie z.B. Vaterschaftsuntersuchungen,
obwohl im Laufe des Untersuchungsverfahrens diese
Information anfallen kann.
Humangenetische Labore
Es gibt zwei Hauptformen humangenetischer Labore. Die einen
guter Verfahrensqualität eingerichtet worden sind.
13
Was geschieht mit meiner Probe, wenn die Untersuchung
abgeschlossen ist?
Üblicherweise speichern die Labore die DNA und
Chromosomenproben, es sei denn ein Patient besteht darauf,
dass seine Probe nach beendeter Untersuchung vernichtet wird.
Jedes Labor wird Ihnen jederzeit bereitwillig Auskunft über Ihre
Probe geben, und Sie können natürlich jederzeit verlangen, dass
Ihre Probe vernichtet oder an Sie herausgegeben wird. Ohne
Zustimmung des jeweiligen Patienten werden daran auch keine
Untersuchungen wegen anderer Störungen vorgenommen.
Da stets verbesserte Testverfahren entwickelt werden, können,
bei Vorliegen der Zustimmung des Patienten, diese neuen
Testverfahren an gespeicherten Proben vorgenommen werden
(etwa, wenn die ursprünglichen Untersuchungen ergebnislos
geblieben waren). Auf diese Weise können Patienten wie
Kliniker sicher sein, dass jeweils die aktuellsten
Untersuchungstechniken zum Einsatz kommen. Laboratorien
verwenden auch anonymisierte DNA Proben um neue
Untersuchungsverfahren zu entwickeln oder tauschen sie im
Rahmen von Qualitätssicherungsmaßnahmen untereinander
aus, es sei denn, dass ein Patient
die Verwendung seiner Probe für
s o l c h e
M a ß n a h m e n
ausgeschlossen hat. Die DNA gilt,
wie jede andere gespeicherte
klinische Probe, als Bestandteil der
Krankenakte des Patienten und
unterliegt deshalb der ärztlichen
Schweigepflicht. Das heißt, dass
ausschließlich sachgerecht
ausgewiesenes Personal der
12
zeitraubenden Prozeß machen können. Andererseits, im Falle
der Huntington’schen Krankheit, treten die Mutationen im
Huntingtin Gen immer in dergleichen schmalen Region auf.
Daher wissen die Wissenschaftler genau, wo sie in welcher
Gegend des Gens zu suchen haben. Daher ist dieses
genetische Untersuchungsverfahren ziemlich leicht und viel
schneller durchführbar.
Auch die Qualität der zur Verfügung stehenden DNA ist ein
wichtiger Einflussfaktor. Manche Labore müssen erst die DNA
von verstorbenen Personen untersuchen, um die jeweilige
Mutation zu identifizieren. Wenn dann die DNA des
Verstorbenen von schlechter Qualität ist, kann sich die
Untersuchungszeit bis zur Identifikation der Mutation verdoppeln
oder verdreifachen. In manchen Fällen ist es sogar unmöglich,
die Analyse vollständig durchzuführen, weil zu wenig DNA zur
Verfügung steht.
Können Untersuchungsergebnisse falsch sein?
Weil genetische Untersuchungsergebnisse sehr wichtige
Konsequenzen für eine Person und ihre Verwandten haben
können, werden sie sehr sorgfältig erstellt. Um sicher zu stellen,
dass ein korrektes Ergebnis übermittelt wird, sind vielfältige
Überprüfungsschritte zu absolvieren. Wird eine Mutation
gefunden, so wird das Ergebnis immer auf Richtigkeit überprüft;
(obwohl viele Schritte des Untersuchungsprozesses von
Maschinen durchgeführt werden, überprüft stets ein
Wissenschaftler die jeweiligen Ergebnisse). Außerdem wird oft
mit Hilfe eines weiteren Testverfahrens das zuerst gefundene
Ergebnis erneut überprüft. Festgelegte Verfahrensschritte
sichern, dass die einzelnen Proben nicht vertauscht werden.
Darüber hinaus beteiligen sich viele Labore an
Qualitätssicherungsverfahren (QS), die zur Sicherung
verläßlicher humangenetischer Untersuchungsergebnisse und
untersuchen Gene, die anderen Chromosomen.
5
1) Zytogenetik
Wenn ein Arzt den Verdacht
hat, eine genetische Störung
sei durch eine Veränderung
eines
Chromosoms
hervorgerufen worden, wird er
ein zytogenetisches Labor
bitten, die Chromosomen des
entsprechenden Patienten zu
untersuchen. Dazu können
Blut- oder Hautproben oder
Material, das bei einer
Amniozentese oder einer CVS gewonnen wurde, verwendet
werden. Zunächst werden Zellkulturen angelegt. Diese Zellen
werden dann auf Objektträger übertragen und die Chromosomen
angefärbt, um sie besser sichtbar zu machen.
Abb.: 2 So sehen Chromosomen unter dem Mikroskop aus
6
Der Zytogenetiker überprüft als Erstes die Chromosomenzahl.
Manche Störungen werden durch überzählige Chromosomen
hervorgerufen. Eins der bekanntesten Beispiele dafür ist das
Down Syndrom. Menschen mit dieser Störung haben ein
Chromosom zu viel in ihren Zellen. Außerdem untersucht der
Zytogenetiker die Chromosomenstruktur. Veränderungen der
Chromosomenstruktur können dann entstehen, wenn das
Material eines Chromosoms abgebrochen und irgendwie neu
angelagert worden ist. Dabei kann es zur Hinzufügung oder dem
Verlust von chromosomalem Material kommen. Die dabei
möglichen Veränderungen können so gering sein, daß es
manchmal schwierig ist, sie zu entdecken. In solchen Fällen wird
manchmal eine andere Untersuchungsmethode eingesetzt, die
man Fluoreszenz In-Situ Hybridisierung (FISH) nennt. Sie
wird verwendet, um Veränderungen nachzuweisen, die zu klein
sind, um sie im Mikroskop zu erkennen, oder um sich Gewißheit
über eine geringe Veränderung zu verschaffen, die unter dem
Mikroskop erkennbar war.
Abb.: 3 Chromosomen nach der Größe geordnet, ein sog.
Karyotyp
11
Man sollte sich daher stets klar machen, dass die genetischen
Untersuchungsverfahren und unser Wissen über die Genetik
sich enorm schnell entwickeln und erweitern. Das bedeutet, dass
die Wissenschaftler eine Mutation, die jetzt nicht gefunden
werden kann, eventuell in Zukunft, mit Hilfe neuer
Untersuchungsverfahren identifizieren können.
Warum dauern manche genetische Untersuchungsverfahren
so lange, während andere vergleichsweise schnell
durchgeführt werden können?
Wenn das Labor genau weiß, welche Mutation zu suchen ist,
weil ein Verwandter die gleiche Störung aufweist, oder wenn das
Labor die Stelle kennt, wo nach der Mutation in dem Gen
gesucht werden muß, ist die Aufgabe viel leichter lösbar. In
solchen Fällen dauert das genetische Untersuchungsverfahren
eine oder zwei Wochen.
Wenn jedoch in der Vergangenheit in der Familie keine Mutation
aufgetreten ist, bzw. wenn eine ganze Reihe von Genen mit der
Störung assoziiert sind, dauert es entsprechend länger, bis ein
Ergebnis vorliegt. Anstatt sich auf eine Stelle in einem Gen zu
konzentrieren, muß das Labor das gesamte Gen oder sogar
mehr als ein Gen analysieren. Das ist ein äußerst langwieriger
Prozeß und kann mehrere Monate in Anspruch nehmen und
hängt davon ab, wie groß das Gen ist und welche Ressourcen
dem Laboratorium zur Verfügung stehen.
Beispielsweise im Fall der Muskeldystrophie Typ Duchenne wird
die Störung von Mutationen in einem Gen verursacht, das
Dystrophin genannt wird. Es ist eines der längsten bekannten
Gene. Das bedeutet, dass Tausende verschiedener Mutationen
auftreten können, die die Suche nach der spezifischen Mutation
dieser Familie zu einem sehr arbeitsintensiven und
10
Es kommt auch vor, dass ein Labor keine Aussage darüber
machen kann, ob eine gefundene Mutation ursächlich für eine
Störung ist, weil es sich nur um eine geringfügige Veränderung
der DNA handelt. Solche Mutationen werden „unklassifizierte
Varianten“ genannt. Das ist, wenn es auftritt, für alle Betroffenen
äußerst unbefriedigend. Es ist jedoch von größter Wichtigkeit,
dass eine Mutation keinesfalls von einem Labor als
gesundheitsschädlich gekennzeichnet wird, wenn nicht feststeht,
dass sie es tatsächlich ist, weil das dazu führen könnte, dass
jemandem eine falsche Diagnose gestellt werden könnte.
Können im Labor die Mutationen immer gefunden werden?
Manchmal wird ein genetisches Testverfahren durchgeführt, um
die Ursache einer Störung zu identifizieren, aber es wird keine
Mutation gefunden.
Es gibt dafür eine Reihe von Gründen, die das erklären:
Meist sucht ein genetisches Untersuchungsverfahren
nur nach der häufigsten Mutation, die die jeweilige
Störung verursacht. Es kann sein, dass ein Patient eine
ungewöhnliche Mutation besitzt, die deshalb vom Labor
nicht gefunden wird.
Es kann auch sein, dass die Wissenschaftler noch nicht
alle Gene, die die genetische Störung bewirken,
identifiziert haben.
Es ist auch möglich, dass der Patient die Störung, die er
scheinbar haben soll, gar nicht hat, und dass deshalb
die Wissenschaftler nicht das richtige Gen untersuchen.
7
Zytogenetische Untersuchungen können zeitaufwendig sein.
Zunächst muss das Labor eine Zellkultur anlegen und die Zellen
wachsen lassen, das dauert mindestens eine Woche. Eine
weitere Woche ist für die Vorbereitung der Objektträger und die
Untersuchung der Chromosomen unter dem Mikroskop
erforderlich, weil jeweils ein Chromosom nach dem anderen
untersucht werden muss.
2) Molekulargenetik
Wenn ein Arzt vermutet, eine genetische Störung sei durch eine
Veränderung (Mutation) in einem Gen hervorgerufen, wird er ein
molekulargenetisches Labor beauftragen, die DNA von einem
bestimmten Gen zu untersuchen. Die Befehle, die in der DNA
gespeichert sind, sind in einem Code geschrieben, der aus 4
Buchstaben besteht: A, C, G und T. Das molekulargenetische
Labor kann die genaue Abfolge (Sequenz) des Codes in einem
bestimmten Gen untersuchen, um festzustellen, ob fehlerhafte
Abfolgen, so zu sagen „Schreibfehler“, entstanden sind.
Allerdings besteht ein einziges Gen aus 10.000 oder mehr
Buchstaben des DNA Codes. Das bedeutet, die Fertigkeit eines
Molekulargenetikers besteht darin, diesen Code zu lesen und
Veränderungen zu finden. Falls diese Veränderungen bewirken,
dass das Gen dem Körper keine korrekten Anweisungen gibt, so
kann daraus eine genetische Störung resultieren.
Im Unterschied zu Chromosomen, kann man die DNA nicht unter
dem Mikroskop betrachten. Daher extrahiert der
Molekulargenetiker die DNA aus den Zellen und benutzt sie, um
spezifische chemische Reaktionen ablaufen zu lassen, um den
Code des entsprechenden Gens zu lesen. Es gibt eine Vielzahl
unterschiedlicher Techniken, um Mutationen zu entdecken.
Üblicherweise wird eine bestimmte Sequenz der DNA
untersucht.
8
Abb.: 4 DNA Sequenzierung: Finde den Unterschied!
Normale Sequenz
Sequenz des Patienten
Hier ist ein kurzes Stück des Codes eines Gens abgebildet.
Wenn Sie die Abbildung in Farbe sehen können, dann sehen
Sie, dass jeder Buchstabe des DNA Codes in einer
unterschiedlichen Farbe dargestellt ist. Das linke Bild zeigt die
normale Sequenz, das rechte Bild ist die Sequenz des Patienten.
Im linken Bild hat die Kurve, die zu jedem Buchstaben gehört,
nur einen Gipfel. Im Bild auf der rechten Seite kann man aber
sehen, dass die Kurven dieses Patienten zwei Gipfel an
derselben Stelle haben, ein G (schwarze Kurve) und ein C
(blaue Kurve). Das zeigt, dass an dieser Stelle eine Mutation auf
einem der Chromosomenpaare vorliegt.
Woran kann ein Labor erkennen,
gesundheitsschädliche Folgen hat?
ob
eine
Mutation
Das ist eine sehr wichtige Fragestellung. In humangenetischen
Labors kursiert eine Feststellung die lautet: "Eine Mutation zu
finden ist nicht schwer, das kann jeder. - Aber sie richtig zu
interpretieren, das kann nicht jeder." Mutationen können
unterschiedliche Schweregrade aufweisen und um zu erkennen
welche Auswirkungen eine Mutation haben wird, bedarf es
9
Expertenwissen über die Krankheit und über das Gen bzw. das
Chromosom, das mit der Krankheit in Zusammenhang steht
sowie größte Aufmerksamkeit auf geringste Veränderungen.
Also, wie kann ein Labor nun herausfinden, ob eine Mutation
gutartig, gesundheitsschädlich oder völlig bedeutungslos ist?
Voraussetzung dafür ist, dass ein Experte, also ein klinischer
Genetiker, den jeweiligen Patienten untersucht hat und dessen
Verwandte und deren Krankengeschichten kennt sowie darüber
hinaus auch die Ergebnisse anderer klinischer Untersuchungen.
Aus diesen Informationen ergeben sich für den Humangenetiker
Hinweise, welches Gen oder Chromosom zu untersuchen ist.
Zum Beispiel, wenn der Humangenetiker den Verdacht hat, dass
der Patient an Mukoviszidose (Zystischer Fibrose) leidet, weil er
Symptome dieser Störung aufweist, und auch andere Verwandte
diese Symptome aufweisen, dann wird er dem Patienten Blut
abnehmen, und die Probe an ein humangenetisches Labor zur
Untersuchung senden. Dem Labor werden dazu alle relevanten
Informationen über den Patienten und die Krankengeschichten
seiner Verwandtschaft mit der Bitte mitgeteilt, nach den
Veränderungen zu suchen, die Mukoviszidose (Zystische
Fibrose) verursachen. Wenn im Labor auf dem
Chromosomenpaar 7 zwei Mutationen gefunden werden, jeweils
eine auf jedem der beiden Chromosomen, die Mukoviszidose
(Zystische Fibrose) verursachen, dann
ist gesichert, dass der Patient
Mukoviszidose (Zystische Fibrose) hat.
Manchmal kommt es vor, dass ein Kind
eine Störung aufweist, aber keines
seiner Eltern die Mutation hat. In diesen
Fällen ist es wahrscheinlich, dass die
Mutation erstmalig, bei der Empfängnis
auftrat. Man nennt das eine „de
novo“ (lat.) „Neumutation“.