Stand der molekularen Diagnostik kardiovaskulärer Erkrankungen

2000
© 2001 W. Zuckschwerdt Verlag München
39. BAYERISCHER
INTERNISTEN-KONGRESS
1
Stand der molekularen Diagnostik
kardiovaskulärer Erkrankungen
Ulrich Walter
Institut für Klinische Biochemie und Pathobiochemie, Medizinische Klinik,
Klinikum der Universität Würzburg
Anlässlich der Entschlüsselung des humanen Genoms im Jahre 2000/2001
schrieb der Leiter des internationalen
Humangenomprojektes, Francis S Collins MD, PhD, folgende kurze Zusammenfassung:
„The year 2000 markes both the start of
the new millenium and the announcement
that the vast majority of the human genome had been sequenced. Much work remains to understand how this „instruction
book for human biology“ carries out its
multitudes of functions. But the consequences for the practice of medicine are
likely to be profound. Genetic prediction
of individual risks of disease and responsiveness to drugs will reach the medical mainstream in the next decade or so.
The development of designer drugs, based
on a genomic approach to targeting molecular pathways that are disrupted in disease, will follow soon after. Potential misuses of genetic information, such as discrimination in obtaining health insurance
and in the workplace, will need to be dealt
with swiftly and effectively. Genomic me-
dicine holds the ultimate promise of revolutionizing the diagnosis and treatment of
many illnesses“ ( FS Collins, VA McKusick JAMA 2001; 285: 540-544).
Die Suche nach genetischen Faktoren,
die für humane Erkrankungen verantwortlich sind oder zu deren Entwicklung
wesentlich beitragen,hat mit der Sequenzierung und Kartierung des ganzen humanen Genoms sowie der Entschlüsselung vollständiger Chromosomen an Bedeutung und Geschwindigkeit deutlich
zugenommen ((1–3) siehe auch Abb. 1).
Heute weiß man, dass das menschliche
Erbgut aus 46 Chromosomen, ca. 6 Milliarden Basenpaaren und 30 000 – 50 000
für Proteine kodierende Genen besteht.
Von diesen Genen sind mehr als 5000 bereits eindeutig kartiert, mehr als 10 000
Krankheitsgene sind bekannt (Abb. 2).
Interessanterweise sind die für Proteine
kodierenden Genomabschnitte nur für
ca. 2% des Gesamtgenoms verantwortlich,die Funktion der anderen 98% ist unbekannt. Schon heute können viele der
bekannten genetisch determinierten Er-
krankungen mit Mendelschem Erbgang
mit molekularen, DNA/RNA-basierten
Methoden nachgewiesen werden, was
auch für zahlreiche Herz-Kreislauf-Erkrankungen zutrifft. Große Fortschritte
sind in der Aufklärung von hypertrophen
und dilatativen Kardiomyopathien, Bindegewebserkrankungen, Gerinnungsund Thrombozytenfunktionsstörungen
erzielt worden. Die Aufklärung dieser in
der Regel seltenen Erkrankungen, häufig über die so genannte „Positionsklonierung“ erfolgt, hat aber eine große Bedeutung für das Verständnis häufiger Erkrankungen. Der durch das Humangenomprojekt bedingte Fortschritt hat zu
großen diagnostischen Möglichkeiten,
aber auch neuen Herausforderungen geführt. Eine wichtige Erkenntnis der letzten Jahre ist, dass die gleiche genetische
Veränderung sich in verschiedenen Personen sehr unterschiedlich auswirken
kann, was im Extremfall von gesund bis
schwer krank reichen kann. Identische
Erfahrungen hat die Arbeit mit transgenen Mäusen geliefert. Die Erfahrungen
der letzten Jahre haben daher klar ge-
10000
Disease with
genetic component
10000
OMIM
1 December 1998
9000
MIM12
8000
Map
Clone Gene
Diagnostics
Understand basic
biologic defect
Preventive
medicine
Accelerated
by
Human
Genome
Project
Pharmacogenomics
Gene therapy
Drug therapy
Number of MIM entries
Time
7000
MIM11
6000
MIM10
5000
MIM9
MIM8
4000
MIM7
MIM6
3000
2000
MIM5
MIM4
MIM3
MIM2
1000 MIM1
1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 1965
Year
Abbildung 1: Schritte in der Aufklärung von Krankheitsgenen
(FS Collins NEJM 341, 28-37, 1999).
Abbildung 2: Zunehmende Aufklärung und zytogenetische Zuordnung von Krankheitsgenen mit Mendelschem Erbgang
(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Omim).
2
Tabelle 1: Das genetische Dogma „ein Gen – ein Protein – ein Phänotyp“ gilt nur eingeschränkt.
Genetische Heterogenität:
Ein klinischer Phänotyp kann durch unterschiedliche Gene bedingt sein (z. B. Kardiomyopathien, Retinitis Pigmentosa etc.)
Ein Gen – unterschiedliche Proteine: differentielles Spleißen des Primärtransskripts, RNA-Editing, Posttranslationale Modifikation etc.)
Heterogenität der Mutationen:
unterschiedlicher Mutationsort (z. B. Intron, Exon) und die
Mutationsart (Punktmutation, Non-sense-Mutationen
(Stop-Codons), missense-Mutationen (andere AS), Deletionen/Insertionen, Triunkleotid-Repeats
Modifier-Gene:
Identische Mutationen (Genotyp) können durch die An/Abwesenheit weiterer Modifier-Loci(Gene) entscheidend
beeinflußt werden (Mukoviszidose/CFTR; LDL-Rezeptor
etc.)
Umweltfaktoren:
Der Phänotyp von Mutationen wird durch Umweltbedingungen beeinflußt (Thrombose, maligne Hyperthermie,
Porphyrie)
Tabelle 2: Fließender Übergang von monogenetischen Erkrankungen und Erkrankungen mit komplexen genetischem Hintergrund.
– Monogenetische Erkrankungen hoher
(100%iger) Penetranz
– Monogenetische Erkrankungen wechselnder bis niedriger Penetranz (Modifier-Gene, Umweltfaktoren etc.)
– Erkrankungen mit komplexem genetischem Beitrag (Diabetes, Hypertonie,
Arteriosklerose, Asthma, Schizophrenie,
etc.)
Tabelle 3: Auswirkungen der Punktmutation
im Faktor V (FV - Leiden).
Prävalenz (Deutschland)
7.3%
Inzidenz bei Thrombosepatienten
Diseased cells
or tissue
Thromboserisiko
Normal cells
or tissue
cDNA
cDNA
Upregulated
in disease
– Heterozygot
ca.
– Homozytot
ca. 80-fach
Unchanged
in disease
Hybridized array
Abbildung 3: Molekulare Diagnostik durch Expressionsprofile : c D N A Microarrays
(EM Rubin, A Tall. Nature 407, 265, 2000).
zeigt, dass die alte Hypothese „Ein Gen
– ein Protein – ein Phänotyp“ nur noch
eingeschränkt gilt (Tab. 1) und ein fließender Übergang von monogenetischen
Krankheiten zu Erkrankungen mit komplexem genetischen Hintergrund besteht
(Tab. 2). Die Erfahrungen mit der gut untersuchten Punktmutation im Gerinnungsfaktor V (Faktor V Leiden) und seine Bedeutung für das Thromboserisiko
können das bereits gut belegen (Tab. 3).
Dies bedeutet, dass eine molekulare Diagnostik ohne ärztliche Untersuchungen
und Beratung für monogene Erbkrankheiten und insbesondere für multifaktorielle Krankheiten undenkbar ist. Die
größte Herausforderung für die Medizin
und die Forschung sind die häufigen,multifaktoriell bedingten (polygenen, komplexen) Erkrankungen, z. B.Arteriosklerose, Asthma, Diabetes, Hypertonie,
Thrombose etc. (1–3). Es ist unwahr-
scheinlich, dass es hier Gene und Mutationen geben wird, die die Frage nach Erkrankungen einfach mit ja/nein beantworten können.Allerdings werden große
Erwartungen an die Chip- und Microarray-Technologie (Abb. 3) und andere
Methoden geknüpft, mit denen eine große Zahl von möglichen krankheitsrelevanten Mutationen (besser spricht man
von genetischen Polymorphismen) erfaßt
werden können.
Referenzen
1.
2.
3.
Collins FS, McKusick VA. Implications of
the Human Genome Project for Medical
Science. JAMA 2001; 285: 540-544
Risch NJ. Searching for genetic determinants in the new millenium. Nature 2000;
405: 847-856
Sperling K. Das Humangenomprojekt :
Medizin im Licht der Evolution. DMW
2000; 125: A15- A21
7-fach
Übersicht: H. Wankmüller et al., Med.Klin.
91 (1996), 308 (1996)
Downregulated
in disease
Printed cDNA array
19–64%
Anschrift des Verfassers:
Prof. Dr. med. U. Ulrich Walter
Institut für Klinische Biochemie
und Pathobiochemie,
Medizinische Klinik,
Klinikum der Universität
Josef-Schneider Str. 2
97080 Würzburg