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Genetik der Skelettdysplasien FGFR3Spektrum Bernhard Zabel Universitäts Kinderklinik Mainz Zusammenfassung Das Spektrum der durch Mutationen des Fibroblastenwachstumsfaktorre zeptor3 (FGFR3)Gens verursachten Skelettdysplasien umfasst inzwischen 8 verschiedene Krankheitsbilder. Durch Analyse der Funktion des FGFR3 bei Skelettentwicklung und Wachstum wird versucht, die Patho physiologie der durch FGFR3Muta tionen bedingten Störungen zu ver stehen und diese Erkenntnisse in eine GenotypPhänotypKorrelation einzu bringen. Damit werden auch erste Grundlagen für neue Therapieansätze der Achondroplasie geschaffen. FGFR3Spectrum Abstract The spectrum of skeletal dysplasias caused by mutations of the fibroblast growth factor receptor 3 (FGFR3) gene now comprises eight different conditions. The analysis of FGFR3 function during skeletal development and growth should provide insights to understand the pathophysiology of defects due to FGFR3 mutations to complement data on genotypepheno type correlations. These studies will set the stage to develop new thera peutic strategies to treat achondro plasia. Schlüsselwörter FGFR3, Skelettdysplasie, Wachstumsfuge, Signalkaskade, Achondroplasie Therapieansatz Keywords FGFR3, skeletal dysplasia, growth plate, signaling pathway, achondroplasia therapeutic approach Einleitung In der großen heterogenen Gruppe der Osteochondrodysplasien gibt es eine umschriebene Anzahl von Ske letterkrankungen, die durch Defekte des Fibroblastenwachstumsfaktor Rezeptor 3 (FGFR3) Gens bedingt sind. Dass die Krankheitsbilder Achondro plasie, Hypochondroplasie und Tha natophore Dysplasie eine gemeinsa me genetische Grundlage haben, war schon lange vor den Erfolgen der Mo lekulargenetik vermutet worden, als Spranger (Spranger, 1985) diese Ske lettdysplasien aufgrund von klini schen und röntgenologischen Befun den als sog. Achondroplasie Familie zusammenfasste. Namensgeber war die Achondroplasie, die mit einer Fre quenz von ca. 1:16.000 häufigste Form der genetisch bedingten Ske lettentwicklungsstörungen. Inzwi schen ist diese Einschätzung durch die Forschung bestätigt und erweitert worden. Bei der letzten Internationa len Konferenz zum Thema Skelettdys plasien (Hall, 2002) wurden 33 Krank heitsgruppen abgegrenzt, wobei die Achondroplasie Gruppe sechs Entitä ten umfasste, zu der inzwischen noch weitere Krankheitsbilder hinzugekom men sind (Abb.1). Die Erweiterung der Achondroplasie bzw. FGFR3 Skelettdysplasie Familie erfolgte über klinisch/röntgenologi sche Ansatzpunkte aber auch durch neue genetische, molekulargeneti sche bzw. zellbiologische Erkennt nisse. Die wesentlichen Informationen dazu sind aktuell verfügbar über medgen 16 (2004) 9 Genetik der Skelettdysplasien Abb 1 Schematische Darstellung des FGFR3Moleküls mit Extra und Intra zellulärbereich sowie Transmembran bereich TM Spezifische Domänen sind: die Immun globulin ähnlichen Domänen Ig I, Ig II, Ig III (Ig III mit den Spleißvarianten IIIb bzw. IIIc), saure Domäne A sowie die zweige teilte Tyrosinkinase Domäne TK1 bzw. TK2. Eingezeichnet ist die Lokalisation einer Reihe der typischen FGFR3 Mutationen von Skelettdysplasien des FGFR3 Spek trums (s. Text). OMIM (Online Mendelian Inheritance in Man – National Center for Biotech nology Information: http://www3.ncbi. nlm.nih.gov/Omim/). Spektrum der mit FGFR3 Mutationen assoziierten Erkrankungen Thanatopore Dysplasie Achondroplasie Hypochondroplasie Das klinische Spektrum reicht von der letalen Thanatophoren Dysplasie (TD) über die Achondroplasie (ACH) als schwere Erscheinungsform bis hin zur Hypochondroplasie (HCH) als leichte ste Erkrankungsvariante. Der Erbgang ist in allen drei Fällen autosomal do minant. Es gibt gemeinsame Haupt symptome, die aber in TD, ACH bzw. HCH unterschiedlich stark ausge prägt sind. Im Vordergrund steht der disproportionierte Kleinwuchs mit rhi zomel verkürzten Extremitäten sowie relativ langem Rumpf und lumbaler Hyperlordose, außerdem der Makro zephalus mit eingesunkener Nasen wurzel bei allgemeiner Mittelgesichts hypoplasie. Radiologisch imponieren metaphysäre Veränderungen an den verkürzten Röhrenknochen sowie ein eingeengter Wirbelkanal. Die Extreme dieses Spektrums sind zum einen bei der TD ein schon vor Geburt ausge prägter schwerer, disproportionierter Kleinwuchs mit Makrozephalus, (evtl. Kleeblattschädel) und sehr schmalem Thorax mit stark verkürzten Rippen, der die respiratorische Insuffizienz bedingt, an der die Kinder meist un mittelbar nach der Geburt versterben. 10 medgen 16 (2004) Zum anderen ist es die HCH, die bei der Diagnose häufig Schwierigkeiten bereitet, da beim Minderwuchs mit ei ner Erwachsenengröße von ca. 145 cm eine Disproportion im Bereich der Extremitäten und eine verstärkte Len denlordose sowie charakteristische radiologische Zeichen kaum in Er scheinung treten müssen und auch Kopfform und Facies in den meisten Fällen völlig unauffällig sind (Hilbert et al., 1998). Nachdem die Achondroplasie auf Chromosom 4p kartiert worden war, galt das in der terminalen Region des kurzen Arms von Chromosom 4 (4p16.3) liegende Fibroblastenwachs tumsfaktorrezeptor 3 (FGFR3) Gen als mögliches ACH Kandidatengen. 1994 wurde dann erstmals eine FGFR3 Mutation als Ursache der Er krankung identifiziert (Shiang et al., 1994). In der Folge zeigte sich, dass praktisch allen ACH Fällen eine ganz spezifische FGFR3 Mutation in der Transmembrandomäne zugrunde liegt. Sie betrifft das Nukleotid an Po sition 1138, wodurch eine Aminosäu rekonversion Gly380Arg resultiert (außerdem gibt es nur noch zwei ACH Einzelfallbeschreibungen mit ei nem Gly→Arg Aminosäureaustausch in unmittelbarer Nachbarschaft an Position 375). Wenn bei familiären Fällen beide Eltern von ACH betroffen sind und beim zu erwartenden Kind die ACH Mutation homozygot vor liegt, resultiert ein TD Phänotyp. In den folgenden Jahren wurden auch bei der Thanatophoren Dysplasie mit den Unterformen Typ I bzw. Typ II (TD1, TD2) sowie bei der Hypochon droplasie umschriebene FGFR3 Mu tationen gefunden (Abb.1). Da die TD Fälle röntgenologisch so eindeutig sind (auch die Abgrenzung zwischen Typ I und Typ II aufgrund vorhandener oder fehlender „Telefonhörerform“ der Femora), ist der Nachweis einer der TD typischen FGFR3 Mutationen in zwischen in nahezu 100% der Fälle möglich. Dagegen liegt die Treffer quote bei Patienten mit HCH immer noch unter 70% der untersuchten Fälle. Dies ist teilweise durch eine fehlerhafte Diagnosestellung zu erklä ren, da HCH aufgrund der Variabilität des klinischen Bildes, das vom ACH Phänotyp bis hin zum Minderwuchs mit uncharakteristischen Röntgenbe funden reicht, oft differentialdiagno stische Schwierigkeiten bereitet. Ein weiterer Grund ist sicher auch, dass sich die aufwändige FGFR3 Diagno stik in der Regel auf die 3 HCH Muta tions hot spots (N540K/T/S und I538V, K650N/Q bzw. N328I) be schränkt. Zu berücksichtigen ist je doch darüber hinaus eine genetische Heterogenität, da gezeigt werden konnte, dass es familiäre Fälle mit ty pischer HCH Symptomatik gibt, die keine Kopplung zum FGFR3 Genlo kus aufweisen. Auch bei klinisch/röntgenologisch eindeutig erscheinenden ACH Befun den bleibt es wichtig, diese Diagno sen durch FGFR3 Analyse zu bestäti gen. Es können dabei unerwartete Befunde auftreten, wie z.B. die Iden tifizierung von TD Mutationen bei ACH ähnlichem Phänotyp, was bisher nur teilweise durch den Nachweis ei nes Mosaikstatus für die Mutation er Platyspondyle letale Skelett dysplasie Typ San Diego Eine Erweiterung der FGFR3 Dyspla sien erfolgte durch Untersuchung der Bezüge zu anderen Osteochondrody splasie Gruppen. Die platyspondylen letalen Skelettdysplasien (PLSD) sind eine heterogene Gruppe zu der auch die TD gerechnet wird. Weitere Vertre ter, die als umschriebene Krankheits bilder abgegrenzt wurden, sind PLSD Typ San Diego, PLSD Typ Torrance und PLSD Typ Luton. Die Überprü fung dieser Erkrankungen auf FGFR3 Mutationen ergab, dass sich bei Fäl len mit PLSD Typ San Diego (PLSD SD) TD1 typische FGFR3 Mutationen nachweisen lassen, wohingegen die Analyse der anderen PLSD Varianten negativ verlief. Eine Erklärung der PLSD SD spezifischen radiologischen und vor allem histologischen Verän derungen (Nachweis von Einschluss körperchen im Bereich des erweiter ten rauen endoplasmatischen Retiku lums) steht noch aus. SADDANDysplasie Das klinische FGFR3 Spektrum wur de weiter ergänzt (Überblick z.B. Vajo et al., 2000), indem man Fälle identi fizierte, die vom Schweregrad zwi schen den TD Formen und der ACH lagen. Dies kommt auch im Namen für dieses Krankheitsbild zum Aus druck: SADDAN für Severe Achon droplasia with Developmental Delay and Acanthosis Nigricans. Die zu grunde liegende FGFR3 missense Mutation betrifft Aminosäureposition 650, wobei je nach Substitution TD1 bzw. TD2, SADDAN oder HCH resul tieren kann. Um dies zu erklären wird spekuliert, dass es je nach Qualität des Aminosäure Austausches an Po sition Lys650 zu gravierenden Unter schieden hinsichtlich der FGFR3 Ty rosinkinase Aktivität kommt, was unterschiedlich schwere Skelettdys plasien zur Folge haben kann. Nichtsyndromatische koronare Kraniosynostose/Muenke Syndrom, CrouzonSyndrom mit Acanthosis Nigricans Parallel zur Analyse von FGFR3 Kan didatenerkrankungen verlief die Su che nach Syndromen, die durch FGFR1 bzw. FGFR2 Mutationen be dingt sein können. Die Liste umfasst inzwischen Pfeiffer , Apert , Crouzon , Jackson Weiss und Beare Steven son cutis gyrata Syndrom, alles Krankheitsbilder, die als syndromati sche Kraniosynostoseformen zu sammengefasst werden können. Im Zuge der FGFR Analytik wurden schließlich auch Patienten identifi ziert, deren Kraniosynostose Symp tomatik auf FGFR3 Mutationen zu rückzuführen war. Konkret betrifft dies einerseits familiäre oder sporadische Fälle mit sog. nichtsyndromatischer koronarer Kraniosynostose (CCS) mit der Mutation Pro250Arg, die auch als Muenke Syndrom bezeichnet werden, sowie andererseits Fälle mit Crouzon Syndrom und Acanthosis Nigricans (CAN) mit dem Befund Ala391Glu. Für den Pro250Arg Aminosäureaustausch ist bemerkenswert, dass wenn er FGFR3 betrifft, die Konsequenz das Muenke Syndrom ist, wenn diese missense Mutation aber im FGFR1 bzw. im FGFR2 Gen vorliegt, jeweils das Pfeiffer bzw. das Apert Syndrom resultieren. Es ist zu konstatieren, dass das an fangs so umschriebene klinische Bild der FGFR3 Pro250Arg Mutation inzwi schen Überlappungen zu definierten Kraniosynostose Syndromen zeigen kann, die z.B. auch den normaler weise durch TWIST Genmutationen bedingten Saethre Chotzen Syndrom Phänotyp einschließen können. Kli nisch kann das Krankheitsbild darü ber hinaus Symptome wie Brachy daktylie, Hautveränderungen, Innen ohrschwerhörigkeit und psychomoto rische Retardierung umfassen. Zur Er klärung der beobachteten inter und intrafamiliären Variabilität werden u.a. modifier Gene bzw. auch ge schlechtsspezifische Faktoren verant wortlich gemacht. Die FGFR3 Mutation der Fälle mit Crouzon Syndrom und Hautverände rungen entspricht nicht den typischen FGFR2 Crouzon Mutationen, die ex trazellulär im Bereich der Ig III Domä ne lokalisiert sind. Die CAN Mutation (Ala391Glu) liegt in der FGFR3 Trans membran Domäne in unmittelbarer Nähe zur klassischen ACH Mutation. Die Patienten haben die typische Zei chen des Crouzon Syndrom Phäno typs aber höchstens nur subtile Merk male der Achondroplasie Skelettdy splasie Familie. Genetik der Skelettdysplasien klärbar war. Solche Ergebnisse sind nicht nur von akademischen Interes se, sondern werfen auch konkrete Fragen zur genetischen Beratung auf, insbesondere bei der Besprechung von Pränatalbefunden. Bei einer Reihe von genetischen Er krankungen können Hautbefunde im Sinne einer Acanthosis Nigricans bzw. einer epidermalen Hyperplasie auftreten. Dies betrifft sowohl einige Störungen aus der Kraniosynostose wie auch aus der Skelettdysplasie Gruppe, die einerseits auf FGFR2 (Beare Stevenson Syndrom) oder an derseits auf FGFR3 Mutationen (CAN, CCS, SADDAN und TD) beruhen. Ins besondere für die Acanthosis Nigri cans wird vermutet, dass ihre Patho genese mit gestörten Wachstumsfak torrezeptor Tyrosinkinase Signalkas kaden zusammenhängt. Interessanterweise zeigen die Patien ten der Kraniosynostosegruppe – im Gegensatz zu den FGFR3 assoziier ten Skelettdysplasien – ein ungestör tes Längenwachstum. Somit führen Mutationen im FGFR3 Gen nicht nur zu ähnlichen Erkrankungen mit gra duell unterschiedlichen Schweregra den, wie dies bei den Mitgliedern der “Achondroplasie Familie“ der Fall ist, sondern sie können auch Ursache phänotypisch sehr verschiedener Krankheitsbilder sein. Erklärbar wird dies vielleicht, wenn deutlich wird, warum bestimmte Mutationen spezi fische Auswirkungen besonders in der Wachstumsfuge bei dem Vorgang der enchondralen Ossifikation haben, während andere zu Störungen vor wiegend im Bereich der Schädelnäh te führen. CATSHLPhänotyp Schließlich ist in dieser Übersicht über FGFR3 Phänotyp Genotyp Kor relationen als neuster Befund zum FGFR3 Spektrum zu erwähnen, dass kürzlich über eine Familie mit domi nant vererbter FGFR3 Mutation be richtet wurde, deren wesentliches kli nisches Merkmal Hochwuchs ist. Als medgen 16 (2004) 11 Genetik der Skelettdysplasien Abb 2 Schematische Darstellung der Wachstums fuge (A) mit ihren verschiedenen Zonen sowie ein Über blick über wesentliche Regelkreise, die an der Steuerung der dort ablaufenden enchondralen Ossifikation beteiligt sind (A: rechter Teil) sowie (B) Schema des epi/metaphysären Anteils eines Röhrenknochens. PTHrH/PTHrP R/IHH Regelkreis (blau): PTHrP (parathyroid hormone related peptide), PTHrP R (PTHrP Rezeptor), IHH (Indian hedgehog), PTC (patched = IHH Rezeptor) SMO (smoothened = assoziiertes Signalmolekül). FGF FGFR Kaskade (schwarz, FGFR3: rot): Fibro blastenwachstumsfaktoren FGFs/FGF18, FGF Rezeptoren FGFR1, FGFR2, FGFR3. BMP Kaskade (grün): BMPs (bone morphogenetic proteins). (C) Darstellung der verschiedenen Wachstums fugenZonen im Normalzustand (N) und bei Achondroplasie (ACH). Vergleichende Übersicht über Histologie und FGFR Wirkorte (nach Aviezer et al., 2003). weitere Symptome werden Innenohr schwerhörigkeit, Kamptodaktylie, Ge lenküberstreckbarkeit, thorakolumba le Skoliose, Mikrocephalie und Ent wicklungsverzögerung angegeben. Bei der Mutation handelt es sich um eine missense Mutation (Arg621His) in der katalytischen Schleife im Be reich des Beginns der Tyrosinkinase Domäne. Es wird vermutet, dass es sich um eine loss of function Muta tion handelt, die aber nicht einer FGFR3 Haploinsuffizienz gleichzuset zen ist. Begründet wird dies mit der Tatsache, dass die Deletion eines FGFR3 Allels wie sie beim Wolf Hirschhorn Syndrom mit größeren 4p16 Deletionen beobachtet werden nicht zu vergleichbaren Skelettbe funden führt. Man nimmt eher an, dass von der R621H Mutation betrof fene FGFR3 Moleküle eine reduzierte Tyrosinkinase Aktivität zeigen. Diese bisher nur als Kurzbericht veröffent lichte Mitteilung (Toydemir et al., 2003) nährt weitere Hoffnungen, die man bereits aufgrund des Fgfr3 knockout Mausmodells hatte, nach dem sich herausstelle, dass die Kö pergröße dieser Tiere die der Normal mäuse übertraf (Deng et al., 1996). Die Erwartungen richten sich nun dar auf, dass durch die genaue Aufklä rung der normalen und der pathologi schen FGFR3 Funktion die Grundlage geschaffen werden kann, um die von FGFR3 Mutationen betroffenen Er krankungen direkt therapeutisch zu beeinflussen. Maligne Erkrankungen Der Vollständigkeit halber sollte in diesem Zusammenhang auch noch 12 medgen 16 (2004) kurz auf onkologisch relevante FGFR3 Defekte eingegangen werden. Bei Multiplen Myelomen hat man chromosomale Translokationen ge funden, die die genomische FGFR3 Region betrafen und eine pathologi sche Regulation des FGFR3 Gens zur Folge hatten. Es sind außerdem so matische FGFR3 Mutationen vor al lem in Blasen Karzinomen aber auch bei Dickdarm Krebs identifiziert wor den, wobei es sich hauptsächlich um TD , aber auch um SADDAN und ACH Mutationen handelt. Zusam menhänge mit den beschriebenen FGFR3 bedingten Skeletterkrankun gen konnte bisher nicht nachgewie sen werden, wobei für die FGFR3 Skelettdysplasien auch kein erhöhtes Tumorrisiko bekannt ist. Molekulare Physiologie Hauptwirkorte des FGFR3 sind Ske lett und ZNS sowie epitheliale Struk turen, wobei unterschiedliche Spleiß formen (IIIc bzw. IIIb) und Liganden (FGFs) involviert sind. Im Bereich des Knorpel/Knochen Systems ist die FGFR3 Rolle in der Wachstumsfuge und bei der dort ablaufenden enchon dralen Ossifikation von besonderem Interesse. Diese epi /metaphysäre Region ist es, in der fast ausschließ lich das gesamte Längenwachstum des Röhrenknochens erfolgt. Es han delt sich um einen hoch organisierten Gewebsbereich, der durch verschie dene Zonen (Ruhezone, Prolifera tionszone, prähypertrophe und hyper trophe Zone) so strukturiert ist, dass Chondrozyten eine Abfolge von Proli ferations und Differenzierungstufen durchlaufen. Dabei werden sie durch eine Reihe von Faktoren beeinflusst, bevor sie das Endstadium der Diffe renzierung erreicht haben, Apoptose durchlaufen und durch Knochen er setzt werden. Eine genaue Regulation der verschiedenen Schritte ist ent scheidend für den Ablauf des Wachs tums. Die Architektur der Wachs tumsfuge sichert dabei, dass Prolife ration und Reifung der Chondrozyten gerichtet und kontrolliert verläuft. Ge ringe Abweichungen bei Richtung und Geschwindigkeit des Wachstums können zu Disproportionen bestimm ter Skelettanteile führen, wie sie für viele Skelettdysplasien charakteri stisch sind (Abb. 2). Von wesentlicher Bedeutung für die Wachstumsgeschwindigkeit ist die Dauer, die ein Chondrozyt in der Pro liferationszone verbringt bzw. die Ba lance zwischen Proliferation und Dif ferenzierung. Eine Reihe von Wachs tumsfaktoren und ihre Rezeptoren so wie Signalpeptide und Transkriptions faktoren sind an diesen Prozessen beteiligt. Hervorzuheben sind Genka skaden, die über Fibroblastenwachs tumsfaktoren (FGFs), und ihre Rezep toren laufen, darüber hinaus spielen sog. bone morphogenetic proteins (BMPs) eine wesentliche Rolle sowie der parathyroid hormone related pep tide (PTHrP)/PTHrPRezeptor/Indian hedgehog (IHH) Regelkreis (Ornitz und Marie, 2002). Bei Letzterem bilden das Parathor mon verwandte Peptid PTHrP (das von der periartikulären Region aus abgegeben wird) und das Signalpep tid IHH (exprimiert im Übergang von Einschub oben links (nach Webster und Donoghue, 1997): Mutationsabhängige FGFR3 Aktivierung: (a) normale Situation; (b) sehr starke Aktivierung durch extrazelluläre kovalente Disulfidbrückenbindungen bei TD1 Fall bzw. bei (d) = intrazelluläre Mutation im Bereich der Tyrosinkinase Domäne bei TD2 Fall; (c) geringere Aktivierung durch die weniger stabile Mutations bedingte Wasserstoff brückenbindung im Bereich der Transmembran Domäne bei ACH. Zellschema (Chondrozyt) Genetik der Skelettdysplasien Abb 3 Schematische Darstellung der Aus wirkungen von FGFR3Mutationen auf zellu lärer Ebene, Hauptelemente der FGFR3Sig nalkaskaden sowie mögliche Achondropla sieTherapieansatzpunkte (s. Text) (* = FGFR3Mutation). Membranbereich und intrazellulär links (olivgrün) FGF Rezeptor Abbau über sog. Cbl Proteine (Ubiquitin Ligasen bzw. Adaptor Moleküle) und Proteine (Ub), die die Ubiquitinilierung steuern. Bei mutierten Rezeptoren erfolgt ein vermehr tes Recycling (statt lysosomaler Abbau). der prähyhpertrophen zur hypertrohen Zone) einen geschlossenen Regel kreis, der die Rate der Chondrozyten Differenzierung steuert. Das System funktioniert autoregulatorisch auf der Grundlage einer IHH Hemmung über die PTHrP Rezeptor Expression, der in unmittelbarer Nähe zu den IHH produzierenden Zellen aktiv ist. Die Rückkopplung zur Induktion der PTHrP Produktion läuft über den IHH Rezeptor PTC und weitere Zwischen stationen wie SMO im Perichondrium. Das Endergebnis davon ist, dass im mer nur ein bestimmtes Chondrozy ten Kontingent den Schritt zur Diffe renzierung in hypertrophe Zellen durchläuft. Teilweise verknüpft mit diesem Regelkreis sind die BMPs, die die Chondrozyten Proliferation unter stützen, aber verzögernd auf ihre Dif ferenzierung und Reifung wirken. Vor diesem Hintergrund ist die FGFR3 Wirkung einzuordnen, die nor malerweise für einen Gleichgewichts zustand der in verschiedenen Zonen der Wachstumsfuge lokalisierten pro liferierenden und dann sich differen zierenden Chondrozyten sorgt. Funk tionell ist dies ein hemmender Ein fluss, mit dem ein beschleunigtes Aufbrauchen der Zellschichten verhin dert wird. Fällt der Regelkreis da durch weg, dass von den Chondrozy ten kein FGFR3 exprimiert wird, kommt es zu einem überschießenden Wachstum. Dies zeigte sich an den Fgfr3knockout Mäusen, bei denen das Fgfr3 Gen ausgeschaltet wurde und die größer als vergleichbare Wild typ Tiere sind. Der FGFR3 Effekt wird teilweise di rekt an den Chondrozyten bewirkt, wobei Fibroblasten Wachstumsfakto ren (FGFs) – und dabei insbesondere FGF18 – als Liganden eine wichtige Steuerungsfunktion haben. FGF18 koordiniert außerdem z.B. über ande re FGFRs die Osteogenese mit der Chondrogenese (Liu et al., 2002). Die FGFR3 Wirkung geschieht aber auch teilweise indirekt über die Einwirkung auf die gerade angesprochenen IHH/PTHrP bzw. BMP Regelkreise (Minina et al., 2002) (Abb. 2). Molekulare Pathologie Die FGFR gehören zu der Gruppe der Tyrosinkinase Rezeptoren. Diese spielen – wie bereits angesprochen – eine zentrale Rolle bei der Signal transduktion für Zellwachstum und differenzierung. Es sind bisher vier verschiedene Gene (FGFR14) be kannt, die für strukturell sehr ähnlich aufgebaute Rezeptoren kodieren. Sie bestehen aus einer hydrophoben Sig nalpeptidsequenz, der sich drei gly kosylierte, Immunglobulin ähnliche Domänen anschließen. Es folgt die Transmembrandomäne und wesent lich für den intrazellulären Anteil ist eine zweigeteilte Tyrosinkinasedomä ne (Abb.1). Die normalen Abläufe auf zellulärer Ebene bestehen in der Bindung der Liganden an die Immunglobulindomä nen II und III des Rezeptors sowie an Heparansulfat Proteoglycane. Die Folge ist eine FGFR3 Dimerisierung, was wiederum eine Autophosphory lierung der intrazellulären Tyrosinkina Intrazellulär Mitte links (hellblau) Aktivierung des STAT (signal transducer and activator of transcription) Signalwegs, der sich über bestimmte Faktoren (u.a. p21) direkt inhi bitorisch auf Zellzyklus und Zellwachstum aus wirkt. Intrazellulär Mitte rechts (gelb) MAPK (mitogen activated protein kinase) Sig nalweg, der ausgehend von Wachstumsfakto ren u.a. über Ras und Raf bzw. MAPK Kinasen (MKKs) und ERKs (extracellular signal regula ted kinases) zu Zielgenen führt, die an der Extrazellulärmatrix Produktion beteiligt sind. Therapieansätze (1) Verhinderung der Liganden bedingten Re zeptoraktivierung z.B. durch Liganden Anta gonisten oder neutralisierende Antikörper; (2) die Verhinderung der Rezeptor Dimerisie rung durch spezifische Antikörper; (3) die Verhinderung der Rezeptor Phosphory lierung bzw. der Rezeptor Aktivierung durch Rezeptor Tyrosin Kinase Inhibitoren; (4) Einwirkung auf die FGFR3 Signaltransduk tion durch geeignete Inhibitoren oder durch Modulation in Richtung alternativer path ways. (5) Einwirkung auf die FGFR3 Genexpression auf der Ebene der DNA bzw. mRNA z.B. durch RNAi Technologie. (6) Blockierung des bei ACH aktivierten MAP Kinase Signalwegs durch die Wirkung des C Typ Natriuretischen Peptids (CNP) über eine Guanylyl Cyclase (GC B) durch die Be reitstellung von cyclischen GMP (cGMP) als Botenstoff. se (TK) Domäne induziert. Dadurch werden die FGFR Signaltransduk tionskaskaden aktiviert, die wiederum die Aktivität von Transkriptionsfakto ren beeinflussen. Eine wichtige durch FGFR3 signalling aktivierte Signal transduktionskaskade ist der STAT (signal transducer and activator of transcription) Signalweg, der über be stimmte Faktoren (u.a. p21) direkt in hibitorisch auf Zellzyklus und Zell wachstum wirkt (Sahni et al., 1999). Zum anderen wirkt der Liganden ge medgen 16 (2004) 13 Genetik der Skelettdysplasien bundene Rezeptor auf den MAPK (mitogen activated protein kinase) Signalweg, der ausgehend von Wachs tumsfaktoren u.a. über Ras und Raf bzw. verschiedene MAPK Kinase (MKK) und MAPK Familienmitglieder (z.B. ERKs, extracellular signalregu lated kinases) zur Regulation von Ziel genen führt, die an der Extrazellulär matrix Produktion beteiligt sind. Über die spezifischen Aktivierungsmuster dieser Kaskaden in Chondrozyten ist jedoch noch wenig bekannt (Stanton et al., 2003) (Abb. 3). Liegt ein durch eine FGFR3 Mutation veränderter Rezeptor vor, so führen die dadurch bedingten Konforma tionsänderungen zur konstitutiven, d.h. Liganden unabhängigen FGFR3 Aktivierung. Diese scheinen graduell unterschiedlich zu sein und mit dem resultierenden klinischen Bild zu kor relieren (Webster und Donoghue, 1997). So kann es bei bestimmten TD1 Mutationen (R248C) zum Amino säureaustausch mit Einbau des schwefelhaltigen Cystein im Extrazel lulärbereich kommen, so dass zwi schen zwei mutierten FGFR3 aberran te Disulfidbrückenbindungen entste hen, die zur konstitutiven Rezeptor Dimerisierung führen [Abb. 3 (b)]. Da gegen scheint die TD2 Mutation (K650E) im Bereich der intrazellulär gelegenen Tyrosinkinase Domäne in einer direkten Aktivierung mit über schießender TK Aktivität zu resultie ren [Abb. 3 (d)]. Auch bei der ACH Mutation im Transmembranbereich (Gly380Arg) kann es in Abwesenheit von Liganden zur Dimerisierung und Autophosphorylierung kommen, was eine konstitutive Rezeptoraktivierung bedeutet. Basis dafür scheint eine Wasserstoffbrückenbindung zwischen der Arginin Seitenkette des mutierten FGFR3 Moleküls und der gegenüber liegenden Carboxylgruppe des Wild typ Moleküls zu sein [Abb. 3 (c)]. Der leichtere Phänotyp der ACH gegen über der klinisch schwer betroffenen TD erklärt sich vermutlich durch die geringere Stabilität der Wasserstoff brückenbindung im Vergleich zur ko valenten Disulfidbindung bei TD, die einen stärkeren Grad der FGFR3 Ak tivierung induziert. Abhängig von die ser Mutations spezifischen Aktivie rung wird die Proliferation der Chon 14 medgen 16 (2004) drozyten gehemmt und ihre terminale Differenzierung gestört. Diese Regu lationsprozesse laufen insbesondere über die STAT Kaskade ab (s. Abb. 3). Beim Menschen und im Mausmodell der ACH bzw. der TD (Brodie und Deng, 2003) ist dies auch durch eine Verschmälerung der entsprechenden Zonen in der Wachstumsfuge nach weisbar. Dies führt dann letztendlich zu einem reduzierten Längenwachs tum als wesentliches Kennzeichen ei ner Gruppe von FGFR3 Skelettdy splasien. Neue Befunde von Maus modellen haben die Bedeutung einer zweiten Signalkaskade in den Vorder grund des Interesses gerückt. Es han delt sich dabei um den ERK1/2 MAP Kinase Signalweg, der in Chondrozy ten bei überschießender Aktivierung durch mutierten FGFR3 auf noch we nig verstandenem Weg die Bildung der extrazellulären Matrix beeinträch tigt. Dass dies entscheidend zum ACH Phänotyp beiträgt, ergibt sich aus den Untersuchungen, die zeigen, dass eine Blockierung dieser Reak tionskette vermittelt durch CNP (C type natriuretic peptide) die Sympto matik korrigieren kann (Yasoda et al., 2004) (s. Abb. 3). Signaltransduktion, die die bekannten negativen Auswirkungen auf den Ge samtorganismus hat, einen positiven Selektionseffekt für mutationstragen de Zellen in der Spermiogenese be wirkt (Goriely et al., 2003). Therapeutische Aspekte Die Übersicht über die Zellbiologie der ACH (Abb. 3) kann auch als Aus gangspunkt für mögliche ACH Thera pieansätze dienen. Die besondere Si tuation besteht darin, dass eine spe zifische Punktmutation, die ein be stimmtes Zelloberflächenmolekül be trifft, einen eindrucksvollen Phänotyp bewirkt, der aber doch sehr gewebe spezifisch auf das Skelettsystem be schränkt ist. Damit konzentrieren sich die Therapieansätze auf das FGFR3 Genprodukt und die davon ausgehen den Signal und Wirkkaskaden. Extrazellulärer Ansatzpunkte sind (1) die Verhinderung der Liganden be dingten Rezeptoraktivierung durch Liganden bzw. Heparin basierte Antagonisten oder neutralisieren de Antikörper, bzw. (2) die Verhinderung der Rezeptor Di merisierung durch spezifische Antikörper. Schließlich konnte nachgewiesen werden, dass der physiologische Ab bau der FGF Rezeptoren über sog. Cbl Proteine abläuft, die als Ubiqui tin Ligasen bzw. multifunktionelle Adaptor Moleküle den Prozess des Rezeptor Recyclings bzw. dessen (ly sosomalen) Abbau steuern. Mutierte Rezeptoren werden vor der selektiven Ubiquitinylierung bewahrt und ver mehrt einem Recycling unterworfen, was zu einer ausgeprägten FGFR3 Regenerierung in den Chondrozyten führt. Auch dies kann wesentlich zu einer Verstärkung der Wirkung von FGFR3 Mutationen beitragen (Cho et al., 2004) (Abb. 3). Intrazelluläre Ansatzpunkte sind ins besondere (3) die Verhinderung der Rezeptor Phosphorylierung bzw. der Rezep tor Aktivierung durch Rezeptor Ty rosin Kinase Inhibitoren, (4) die Einwirkung auf die FGFR3 Sig naltransduktion durch geeignete Inhibitoren oder über die Modula tion alternativer pathways oder schließlich (5) die direkte Einwirkung auf die FGFR3 regulierte Genexpression auf der Ebene der DNA bzw. mRNA (z.B. durch RNA interferen ce (RNAi) Technologie). Die sporadischen FGFR Mutationen haben auch noch in einem anderen Zusammenhang Interesse hervorge rufen. Es war bisher nicht schlüssig erklärbar, warum diese spezifischen Mutationen besonders väterlichen Ur sprungs sind und warum sie mit fort schreitendem Alter des Vaters zuneh men. Neuste Daten lassen vermuten, dass die verstärkte Aktivierung der Erste Behandlungsversuche z.B. mit TK Inhibitoren sind bereits mit Organ kulturen von ACH Mäusen erfolgreich durchgeführt worden (Aviezer et al., 2003). Weiterhin wurden inzwischen humane Antikörper gegen FGFR3 ge neriert, die jetzt an ACH Tieren gete stet werden sollen (Rauchenberger et al., 2003). Sie würden auch dafür sor gen, dass die bei ACH vermehrt ge Die in den letzten Jahren propagier ten, auf Wachstumshormongabe be ruhenden, ACH Behandlungskonzep te haben nicht überzeugt und auf wändige Verlängerungs Operationen erscheinen nur für eine umschriebene Zahl von Patienten ein Alternativkon zept. In dieser Situation scheint sich jetzt die intensive Grundlagenfor schung auszuzahlen und einen Aus blick auf gezielte Behandlungsmög lichkeiten der Achondroplasie zu ge ben. Man sollte sich aber im Klaren darüber sein, dass es wahrscheinlich noch Jahre dauern wird, um ein effi zientes, möglichst nebenwirkungs freies Behandlungsverfahren zu eta blieren, das hoffentlich nicht nur das Längenwachstum verbessert, son dern auch ACH Komplikationen wie Spinalkanalengen verhindern hilft. In der Zwischenzeit arbeiten wir mit einem Gesundheitsvorsorge Konzept für Kinder mit Achondroplasie, das als Gemeinschaftsinitiative des Bundesverbandes Kleinwüchsige Menschen und ihre Familien (BKMF) (http://www.bkmf.de) und der Univer sitäts Kinderkliniken Magdeburg, Mainz und München entwickelt wor den ist. Diese Empfehlungen sind in dem Band „Achondroplasie und Hy pochondroplasie. Diagnostik und Be treuung von Kindern mit spezifischen Kleinwuchsformen“ zusammenge fasst (Mohnike et al. 2001). Die Pa tienten erfordern einen multidiszipli nären Ansatz, da je nach Lebensalter unterschiedliche Probleme und Kom plikationen auftreten können. Diese können u.a. durch Engen im Bereich des craniocervicalen Übergangs und des Spinalkanals gegeben sein, wo durch die Betreuung durch Neuropä diater, Neuroradiologen und Neuro Genetik der Skelettdysplasien nerierten und stabilisierten Rezepto ren neutralisiert würden. (6) Das neueste ACH Therapiekon zept beruht auf der Wirkung des C Typ Natriuretischen Peptids (CNP) auf das Knochenwachstum. Dem liegt die Blockierung des bei ACH aktivierten MAPKinase Sig nalwegs zugrunde, wobei CNP dies über die Aktivierung einer Guanylyl Cyclase (GC B) und die resultierende Synthese von cGMP bewirkt (Yasoda et al., 2004). Deutsche Gesellschaft für Humangenetik GfHJahrestagung 12.–15.6.2004 in München Reduzierter Teilnehmerbeitrag für GfHMitglieder bis zur Deadline 31.3.2004 GfHMitgliederTarif: 250 € (Anmeldung über die www.eshg.org unter Nennung der GfH Mitglieds zugehörigkeit und dem reduzierten Teilnehmertarif) GfHStudentenTarif: 60 € (Studenten melden sich unter der Vorlage ihres Ausweise direkt bei der GfH Geschäftsstelle per Fax an: 089 55027856) Unterbringung Eurokongress GmbH Ms. Renate von Franckenstein Isartorplatz 3 80331 München Tel. +49 (0)89 210 986 0 Fax +49 (0)89 210 986 98 [email protected] www.eurokongress.de medgen 16 (2004) 15 Genetik der Skelettdysplasien chirurgen erforderlich werden kann. Die engen Verhältnisse im HNO Be reich können die Grundlage für Mittel ohr Hörstörungen sein und sekundär dadurch Sprachentwicklungsverzöge rungen bedingen, wobei die geistige Entwicklung bei ACH generell in kei ner Weise beeinträchtigt ist. An sprechpartner wären u.a. HNO und Klinik für Kommunikationsstörungen. Die statomotorische Entwicklung wird nur anfangs durch ACH typische Mu skelhypotonie verzögert. In dieser Phase hat die Physiotherapie einen wichtigen, wissenschaftlich freilich noch nicht einwandfrei belegten, Stel lenwert bei der Betreuung der Betrof fenen. Schließlich ist die orthopädi sche Begleitung von der Kleinkindzeit bis zum Erwachsenenalter u.a. wegen möglicher Beinfehlstellungen (meist O Beinstellung) und Wirbelsäulen Haltungsschäden sowie in Hinblick auf die Planung eines Eingriffs zur Ex tremitäten Verlängerung bzw. Ach senkorrektur von besonderer Bedeu tung. Letztere Option auf mögliche 15 cm Längenzuwachs wird aber meist erst nach dem 15. Lebensjahr und dann auf ausdrücklichen Wunsch der Betroffenen in Betracht gezogen. Auf grund der vielen Fachdisziplinen, die bei der Betreuung der Patienten und ihrer Familien gefragt sind, bietet sich eine schwerpunktmäßige, koordinier te Organisationsstruktur an, wie sie z.B. in Mainz mit dem von der Univer sitäts Kinderklinik betreuten sog. Kleinwuchszentrum besteht. Bundes weit wird gleichzeitig eine Netzwerk struktur im Rahmen einer BMBF Initi ative zur Diagnostik, Betreuung und Erforschung von Skelettdysplasien als SKELNET Projekt etabliert. Ein ent sprechendes Netzwerk auf europäi scher Ebene, in das die Mainzer Kin derklinik eingebunden ist, hat seine Arbeit bereits aufgenommen (Europe an Skeletal Dysplasia Network ESDN http://www. esdn.org). Literatur Aviezer D, Golembo M, Yayon A (2003) Fibrob last growth factor receptor 3 as a therapeutic target for achondroplasia genetic short limbed dwarfism. Curr Drug Targets 4:353 365. Brodie SG, Deng C X (2003) Mouse models or thologous to FGFR3 related skeletal dysplasias. Pediatr Pathol Mol Med 22:87 103. 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