Mutationen und Polymorphismen im β-MHC- und Troponin T-Gen bei Patienten mit dilatativer KardiomyopathieSteffen DähmlowMeinen Eltern11.111.21.31.421.51.63548#5821.6.11.6.24416#3065671.6.31.6.481.6.51.79292.1102.22.2.12.2.22.32.3.1112.3.2122.3.313142.3.4152.3.516172.3.62.3.7181919202.3.8212.3.9222.42.4.12.4.2232.4.3243243.1253.226617#2613.2.13.2.1.127558#238597#187283.2.1.2445#23829622#1873.2.1.330557#4733.2.23.2.2.131133#2393.2.2.2492#2383.2.33.2.3.132606#201606#248333.2.3.2606#20134606#2393.2.3.3322#19135606#2483.2.3.436606#2483.2.3.5606#24837558#2013.2.3.638606#2483.2.4393.34041614#2363.3.13.3.1.1568#19242606#2483.3.1.243124#192606#2483.3.1.344606#2483.3.1.445606#20146606#2483.3.1.5124#19247606#2483.3.1.648606#248568#2013.3.249504504.1514.2524.3534.44.5544.6554.7555LiteraturAbkürzungenDanksagungLebenslaufPublikationenEidesstattliche ErklärungdeInhaltsverzeichnisHilfe Einleitung

Definition der Kardiomyopathien

Der Begriff Kardiomyopathie wurde erstmals im Jahr 1957 für seltene, nicht-koronare Erkrankungen des Myokards unklarer Ätiologie gebraucht [1]. In den 1970er Jahren wurden Kardiomyopathien als primäre Herzmuskelerkrankungen unbekannter Ursache bezeichnet und 1980 von der World Health Organization (WHO) und der International Society and Federation of Cardiology Task Force (ISFC) ebenso definiert [2,3].
1995 definierten WHO und ISFC Kardiomyopathien neu als Erkrankungen des Herzmuskels, die mit einer kardialen Funktionsstörung einhergehen. Die Einteilung der Kardiomyopathien in Gruppen wurde unter Berücksichtigung von pathophysiologischen und ätiologischen Gesichtspunkten modifiziert [4]. Es werden fünf Formen unterschieden: dilatative Kardiomyopathie (DCM), hypertrophe Kardiomyopathie (HCM), restriktive Kardiomyopathie (RCM), arrhythmogene rechtsventrikuläre Kardiomyopathie (ARVCM) und nicht klassifizierbare Kardiomyopathie (NKCM).
Ferner wurde der Begriff „spezifische Kardiomyopathien“ eingeführt, unter dem ischämische, valvuläre, hypertensive, inflammatorische, metabolische, systemerkrankungsbedingte, muskulär-dystrophische, neuromuskuläre, toxische und peripartale Kardiomyopathien zusammengefasst sind.

Epidemiologie der DCM

Etwa die Hälfte der diagnostizierten Fälle ist idiopathisch, die andere Hälfte ist auf vielfältige Ursachen zurückzuführen, z. B. eine koronare Herzkrankheit, virale Infektionen oder chronische Alkoholintoxikation [5]. Diese werden jedoch nach der neuen WHO-Definition den spezifischen Kardiomyopathien zugeordnet. Für die Diagnose einer idiopathischen DCM ist es also notwendig, andere Ursachen der Dilatation auszuschließen.
Die idiopathische DCM ist die häufigste Form der Kardiomyopathien [6]. Die jährliche Inzidenz in den westlichen Industrieländern liegt bei 6-8/100.000 Einwohner, die Prävalenz bei 36,5/100.000 Einwohner [6,7]. In den USA sind 10.000 Todesfälle pro Jahr auf sie zurückzuführen. Sie stellt die Hauptindikation für eine Herztransplantation dar. Männer sind häufiger betroffen als Frauen [5,6]. Die Erstdiagnose wird meist im mittleren Lebensalter gestellt, es erkranken jedoch auch Jugendliche [5,6]. Die durchschnittliche 5-Jahres-Mortalität symptomatischer Patienten liegt bei 20 % [8,9].

Pathophysiologie der DCM

Die DCM ist gekennzeichnet durch eine Dilatation und eingeschränkte systolische Funktion des linken oder beider Ventrikel, dabei sind die Herzwände normal dick oder verdünnt. Die endsystolischen und enddiastolischen Volumina sind erhöht. Gleichzeitig wird die kardiale Pumpfunktion durch die gestörte Kontraktion und Verkürzung des Myokards vermindert, das Herzminutenvolumen und die Ejektionsfraktion nehmen ab. Durch den Frank-Starling-Mechanismus kann der linksventrikuläre enddiastolische Druck erhöht und das Auswurfvolumen anfangs oft annähernd aufrecht erhalten werden [10]. Allerdings führt die Ventrikeldilatation zu einer Dehnung des Klappenrings mit Entwicklung einer relativen Mitral- bzw. Trikuspidalinsuffizienz.
Morphologisch kommt es durch die Schädigung der Herzmuskelfasern zur Umstrukturierung des Muskelfasergerüsts, wodurch die Diffusionsstrecke für Substanzen verlängert wird. Die Herzmuskelzellen werden schlechter mit Sauerstoff und Substraten versorgt, was einen weiteren Untergang von Muskelzellen mit anschließender Fibrosierung nach sich zieht.

Klinik und Diagnostik der DCM

Die ersten Symptome bestehen zumeist in Belastungsdyspnoe, schneller Ermüdbarkeit, Beinödemen, Palpitationen, Schwindel und Synkopen. Im weiteren Verlauf kommt es durch die eingeschränkte Pumpfunktion zur Herzinsuffizienz und zu Arrhythmien. Komplikationen sind Thromboembolien und der plötzliche Herztod infolge von ventrikulären Herzrhythmusstörungen.
Die Diagnosestellung erfolgt in der Regel durch die Echokardiographie, hier können die Dimensionen der Ventrikel, die Ejektions- und Verkürzungsfraktion zuverlässig ermittelt werden. Ein linksventrikulärer enddiastolischer Durchmesser (LVEDD) von > 55 mm, eine linksventrikuläre Ejektionsfraktion (LVEF) von < 45 % und eine Verkürzungsfraktion (VF) von < 25 % gelten als pathologisch. Die EKG-Veränderungen sind unspezifisch, häufig sind Linksschenkelblock, Vorhofflimmern, ventrikuläre Extrasystolen oder ventrikuläre Tachykardien zu beobachten.
Invasive Diagnostik erfolgt mittels einer Herzkatheter-Untersuchung. Durch eine Ventrikulographie kann die Pumpfunktion beurteilt und durch eine Koronarangiographie eine koronare Herzkrankheit ausgeschlossen werden. Außerdem ist es möglich, eine Druckmessung und eine Endomyokardbiopsie durchzuführen. Der histologische Befund dieses Biopsats ist meist unspezifisch, häufig sind eine Faser- und Kernhypertrophie, eine Degeneration der Myozyten sowie eine interstitielle Fibrose zu beobachten. Die Abgrenzung von einer Myokarditis erfolgt histologisch anhand der Dallas-Kriterien bzw. durch immunhistochemische und molekularbiologische Befunde (World Heart Federation-Klassifikation) [11,12].

Therapie der DCM

Die Therapie der DCM beruht auf der Behandlung der Herzinsuffizienz nach den Therapieempfehlungen der kardiologischen Gesellschaften, unter anderem der Deutschen Gesellschaft für Kardiologie und der European Society of Cardiology [13,14]. Neben diätetischen Maßnahmen mit Kochsalz- und Flüssigkeitsrestriktion, Alkoholkarenz und Nikotinverzicht steht die medikamentöse Behandlung im Vordergrund. ACE-Hemmer bzw. AT1-Rezeptorblocker sowie β-Blocker als kardioprotektive Substanzen und Nachlastsenker bilden das Fundament. Daneben senken Diuretika die Vorlast und wirken der Wasserretention entgegen. Durch Herzglykoside werden die klinischen Symptome und die Belastbarkeit verbessert. Ferner wird bei Vorhofflimmern eine Thromboembolieprophylaxe mit Antikoagulanzien durchgeführt. Liegen ventrikuläre Herzrhythmusstörungen vor, erhalten die Patienten zusätzlich Antiarrhythmika der Klasse III wie Sotalol oder Amiodaron. Wenn dies nicht ausreicht, besteht die Indikation zur Implantation eines Cardioverter-Defibrillators (ICD).
Bei konservativ nicht mehr behandelbarer DCM kommen biventrikuläre Schrittmacher oder als ultima ratio temporäre mechanische Unterstützungssysteme (Assist Devices) zur Entlastung und Regeneration des Herzmuskels oder eine Herztransplantation in Frage.

Genetik der DCM

1961 wurde erstmals von einer familiären Häufung der dilatativen Kardiomyopathie berichtet [15,16,17]. Seitdem wird ein Gendefekt als Krankheitsursache in Betracht gezogen. In den folgenden Jahren wurden weitere betroffene Familien beschrieben. Eine DCM wird heute als familiär bezeichnet, wenn mindestens zwei Familienmitglieder betroffen sind oder ein Verwandter ersten Grades vor dem 35. Lebensjahr einen ungeklärten plötzlichen Herztod erlitten hat [18].
Die erste systematische Untersuchung von Familienangehörigen erfolgte 1992 [19]. Michels et al. untersuchten die Familien von 59 Indexpatienten mit idiopathischer DCM. In zwölf Familien hatten 18 Verwandte ersten Grades ebenfalls die Diagnose DCM. Somit wurde bei zwölf der 59 Indexpatienten (20,3 %) eine familiäre DCM diagnostiziert. Im Jahr 1998 untersuchten Grünig et al. 970 Verwandte ersten und zweiten Grades von 445 DCM-Patienten [20]. Die Arbeitsgruppe kam zu dem Schluss, dass bis zu 35 % der idiopathischen DCM-Fälle familiär auftreten.
Vier verschiedene Erbgänge sind bekannt. Am häufigsten ist der autosomal-dominante [21], dabei tragen durchschnittlich 50 % der Nachkommen eines Betroffenen die ursächliche Mutation. Seltener wurde von einem X-chromosomalen Erbgang berichtet. Für den ebenfalls seltenen autosomal-rezessiven Erbgang wurden Störungen des Carnitin-Transports und von Enzymen der Fettsäureoxidation beschrieben [22]. Schließlich wurden sehr seltene Defekte in der Atmungskette mit mitochondrialem Erbgang beschrieben, die durch Energieverlust oder den intrazellulären Verbleib toxischer Metaboliten zu einer Schädigung der Muskelzellen führen [23,24].
In den letzten zehn Jahren wurde durch Kopplungsanalysen und die Analyse von Kandidatengenen bei Familien mit DCM eine Vielzahl von krankheitsverursachenden Genen entdeckt. Die ersten identifizierten Gene kodierten alle für Proteine des Zytoskeletts. Deshalb wurde DCM als Erkrankung des Zytoskeletts bezeichnet, bei der die Kraftübertragung vom Sarkomer, in dem Kraft erzeugt wird, auf die extrazelluläre Matrix gestört ist [25]. Durch die Entdeckung von Mutationen in zahlreichen weiteren Genen, die nicht für Proteine des Zytoskeletts kodieren, muss diese These jedoch in Frage gestellt werden. Des Weiteren gibt es fünf Genorte, für die noch kein Krankheitsgen gefunden wurde: 2q14-q22 [26], 6q12-q16 [27], 6q23 [28], 9q13-q22 [29] und 10q21-q23 [30].
Die derzeit bekannten Proteine, die für die Entwicklung einer DCM verantwortlich gemacht werden, und ihre jeweilige Lokalisation in der Herzmuskelzelle sind in Abbildung 1-1 schematisch dargestellt. Dabei sind verschiedene Zellkomponenten betroffen. Neben Zytoskelett, Intermediärfilament und Kernmembran sind auch das Sarkomer, ein Sarkomer-assoziiertes Protein, die Z-Scheibe und einzelne Ionenkanäle beteiligt. Im Folgenden werden die einzelnen krankheitsverursachenden Gene bzw. Proteine dieser Zellkomponenten näher beschrieben.

Abbildung 1-1: Schematische Darstellung der involvierten Proteine bei DCM Betroffen sind verschiedene Zellkomponenten: Zytoskelett, Intermediärfilament, Kernmembran, Sarkomer, Sarkomer-assoziierte Proteine, Z-Scheibe, einzelne Ionenkanäle und Mitochondrien (nach Osterziel und Perrot [31]). Nicht dargestellt ist das Protein Eyes-Absent 4.

Zytoskelett, Intermediärfilament und Kernmembran

Mutationen im X-chromosomal-lokalisierten Dystrophin-Gen (DMD) können entweder eine reine DCM ohne Muskelbeteiligung oder die Muskeldystrophien vom Typ Duchenne und Becker, die ebenfalls häufig mit einer DCM assoziiert sind, verursachen [32,33]. Dystrophin ist ein stäbchenförmiges Protein des Zytoskeletts an der Innenseite der Zellmembran. Mit seinem N-terminalen Teil bindet es an α-Aktin, mit dem C-terminalen an einen Glykoproteinkomplex, der die Zellmembran stabilisiert. Dieser Komplex wird auch Dystrophin-assoziierter Glykoproteinkomplex (DAG) genannt, ein Bestandteil davon ist δ-Sarcoglycan. Mutationen im δ-Sarcoglycan-Gen (SGCD) führen meist zur Muskeldystrophie vom Gliedergürteltyp. Tsubata et al. berichteten jedoch im Jahr 2000 von autosomal-dominant vererbten Mutationen in einer Familie mit DCM und in zwei sporadischen DCM-Fällen [34].
Li et al. fanden 1999 in einer Familie mit reiner DCM ohne Skelettmuskelbeteiligung eine Missense-Mutation im Desmin-Gen (DES) [35]. Das exprimierte Protein ist das wichtigste Intermediärfilament in Muskelzellen. Es verbindet den Zellkern über die Z-Scheiben mit der Zellmembran.
Bereits 1994 wurde für eine autosomal-dominante Form der DCM der erste Genort auf Chromosom 1 (1p1-q21) beschrieben [36]. Fatkin et al. identifizierten im Jahr 1999 an diesem Ort das Gen für das Kernmembranprotein Lamin A/C (LMNA) und berichteten von fünf Mutationen in elf Familien, die an DCM mit Erregungsbildungs- oder Erregungsleitungsstörungen erkrankt waren [37]. Mutationen im Lamin A/C-Gen können auch mit der Muskeldystrophie Emery-Dreifuss assoziiert sein, eine muskuläre Dystrophie lag bei den Familien jedoch nicht vor.
Zur These, dass DCM eine Erkrankung des Zytoskeletts sei, trugen auch zwei Mutationen im Gen für α-Aktin bei. α-Aktin zählt jedoch morphologisch zum Sarkomer und wird daher im folgenden Abschnitt besprochen [38].

 Sarkomer

Das Sarkomer ist die kleinste funktionelle kontraktile Einheit in Muskelzellen. Es ist in dicken und dünnen Filamenten organisiert, die aufgrund ihrer regelmäßigen Anordnung für das lichtmikroskopische Erscheinungsbild, die Querstreifung der Muskulatur, verantwortlich sind. Zum dünnen Filament zählen α-Aktin, α-Tropomyosin und der Troponin-Komplex mit den Untereinheiten T, I und C. Das dicke Filament beinhaltet die schweren und leichten Myosinketten und das Myosin-Bindungsprotein C (Abb. 1-2).
Der Kontraktionsmechanismus wird durch den Anstieg des intrazellulären Calciums von ca. 10-8 mol/l auf ca. 10-5 mol/l eingeleitet. Calcium bindet an Troponin C, wodurch sich die räumliche Anordnung der Troponin-Untereinheiten ändert. Die inhibitorische Wirkung von Troponin I und α-Tropomyosin auf die Aktin-Myosin-Interaktion wird aufgehoben. α-Aktin kann an den globulären Myosinkopf binden und aktiviert die ATPase des Myosinkopfes, so dass das an Myosin gebundene ATP in ADP und Phosphat gespalten wird. Durch das Ablösen von Phosphat und ADP wird der Kopf entlang des dünnen Filaments verschoben, Aktin und Myosin gleiten aneinander vorbei. Nach erneuter Bindung eines ATP-Moleküls wird der Aktin-Myosin-Komplex gelöst. Damit ist ein Kontraktionszyklus abgeschlossen. Die durch das Sarkomer entstandene Kraft wird anschließend durch mehrere Proteine (α-Aktin, Titin, Dystrophin und DAG) auf das Zytoskelett der Muskelzelle übertragen.

Abbildung 1-2: Schematische Darstellung des Sarkomers Das dünne Filament besteht aus α-Aktin, dem Troponin-Komplex (Troponin T, I und C) und α-Tropomyosin. β-MHC und die leichten Ketten des Myosins bilden das dicke Filament. Die Bindung des Myosinkopfes an α-Aktin führt zur Konformationsänderung des Myosinmoleküls. Dadurch knickt der Kopf gelenkartig ab, zieht α-Aktin mit sich, und die Filamente gleiten aneinander vorbei. Dies führt zur Verkürzung des Sarkomers (nach Seidman und Seidman [39]).

Lange Zeit dachte man, dass Mutationen in Sarkomerprotein-Genen ausschließlich zu hypertropher Kardiomyopathie führen. Bisher wurden über 250 HCM-Mutationen in 13 verschiedenen Genen beschrieben, wovon neun für Sarkomerproteine kodieren [40,41,42,43,44,45,46]. Deshalb wurde HCM als Erkrankung des Sarkomers bezeichnet, bei der die Krafterzeugung im Sarkomer gestört ist [47].

Bereits im Jahr 1998 konnte durch eine Kandidatengen-Analyse das erste krankheitsverursachende Gen der DCM identifiziert werden. In zwei Familien wurden Mutationen im α-Aktin-Gen (ACTC) nachgewiesen [38]. α-Aktin ist ein Bestandteil des dünnen Filaments des Sarkomers und damit an der Krafterzeugung beteiligt. Es ist jedoch über Dystrophin mit Proteinen des Zytoskeletts verbunden und trägt dadurch auch zur Kraftübertragung vom Sarkomer auf die intrazelluläre Matrix bei. Da die beiden Punktmutationen zu Aminosäuresubstitutionen im Bereich der Aktin-Zytoskelett-Interaktion führen, wird nicht die Aktin-Myosin-Interaktion beeinträchtigt, die in den Bereich des Sarkomers fällt. Durch einen Defekt in der Kraftübertragung führen diese Mutationen zur DCM. α-Aktin wurde also in diesen beiden Fällen funktionell zum Zytoskelett gerechnet, so dass die These „DCM als Erkrankung des Zytoskeletts“ bestärkt wurde [25].
Im Jahr 2000 fanden Kamisago et al. durch Kopplungsanalyse und anschließende Sequenzierung in einer Familie mit 17 betroffenen DCM-Patienten überraschend die Mutation Ser532Pro im Gen für die schwere Kette des Myosins (beta myosin heavy chain = β-MHC) [48]. Die Untersuchung von 20 weiteren Familien identifizierte die Mutation Phe764Leu in einer zweiten Familie. Die verbleibenden 19 Familien dieser zweiten Untersuchung wurden daraufhin in den Sarkomerprotein-Genen α-Tropomyosin, Troponin T und Troponin I untersucht. Zwei dieser Familien wiesen eine Deletion im Troponin T-Gen auf (Lys210del). Die Autoren schätzen, dass mindestens 10 % der familiären DCM durch Mutationen in Sarkomerprotein-Genen verursacht werden, da drei der 20 Familien, die ohne vorherige Kopplungsanalyse untersucht wurden, eine Mutation zeigten.
Die Annahme, dass Mutationen in Sarkomerprotein-Genen ausschließlich zur Hypertrophie des Herzens führen, wurde damit widerlegt. Mutationen in Sarkomerprotein-Genen können also sowohl mit DCM als auch mit HCM assoziiert sein. In der Folgezeit wurden auch in weiteren Sarkomerprotein-Genen Mutationen bei DCM identifiziert, wovon die meisten erst nach Beginn der vorliegenden Arbeit veröffentlicht wurden. Diese Gene bzw. Proteine sollen im Folgenden beschrieben werden, wobei β-MHC und Troponin T als Gegenstand der vorliegenden Dissertation ausführlich dargestellt werden:

β-MHC: Ein Myosinmolekül besteht aus zwei schweren und je zwei leichten essentiellen und regulatorischen Ketten. Eine schwere Kette wird in den globulären Kopf, eine flexible Halsregion und den filamentösen Schwanz unterteilt. Die Schwanzteile der beiden schweren Ketten sind miteinander verdrillt. Der Kopf ist zur ATP-Hydrolyse enzymatisch aktiv und enthält die Aktin-Bindungsstelle. Er wird häufig als Motor des Sarkomers bezeichnet. Man unterscheidet zwei Formen der schweren Kette: die α-Form befindet sich beim Menschen im Vorhof-, die β-Form im Kammermyokard und in langsamen Muskelfasern.
Das β-MHC-Gen (MYH7) ist auf Chromosom 14 (14q12) lokalisiert [49,50]. Die DNA-Sequenz des Gens publizierten Jaenicke et al. im Jahr 1990 [51]. Es hat eine Länge von 22.883 Basenpaaren und besteht aus 40 Exonen, wobei das Startkodon in Exon 3 liegt. Das gebildeteProtein besteht aus 1.935 Aminosäuren.
Die erste Mutation im β-MHC-Gen fanden Geisterfer-Lowrance et al. im Jahr 1990 [52]. Betroffen war eine große kanadische an HCM erkrankte Familie, über die bereits 1961 berichtet wurde [53]. Seit 1990 wurden über 120 Mutationen im β-MHC-Gen beschrieben, die mit HCM assoziiert sind [40,41,42]. Bis auf wenige Ausnahmen handelte es sich dabei um Missense-Mutationen. Die überwiegende Anzahl der Mutationen ist im Kopfteil oder in der Halsregion des Proteins lokalisiert, erst in den letzten Jahren wurden zunehmend Mutationen in der Schwanz-Region beschrieben [54]. Ferner sind drei Hotspots in Kodon 403, 719 und 741 bekannt [55]. Die ersten beiden Mutationen im β-MHC-Gen, die mit DCM assoziiert sind, wurden im Jahr 2000 von Kamisago et al. entdeckt [48].

Troponin T: Dieses Protein ist die Tropomyosin-bindende Untereinheit des Troponin-Komplexes. Im menschlichen Herzmuskel kommen durch alternatives Spleißen verschiedene Troponin T-Isoformen vor. Das exprimierte Protein variiert im fetalen, adulten und kranken Herzen [56,57]. Die genaue physiologische Relevanz dieser Isoformen ist kaum bekannt. Die hauptsächliche Form in einem gesunden adulten Herzen setzt sich aus 288 Aminosäuren zusammen. Troponin T ist ein asymmetrisches Molekül von ca. 37 kDa. Es besteht aus einem ausgedehnten N-terminalen Teil (T1: Kodon 1-187), der entlang des Tropomyosins auf dem dünnen Filament liegt, und einem globulären C-terminalen Teil (T2: Kodon 188-288), der die calciumabhängigen Bindungsstellen an α-Tropomyosin, Troponin C und I beinhaltet [58]. Die Bindungsstelle zu α-Tropomyosin befindet sich nahe dem Kodon 190. Über die Verbindung mit den anderen beiden Untereinheiten des Troponin-Komplexes und mit α-Tropomyosin reguliert es gemeinsam mit diesen die Interaktion zwischen Myosin und Aktin.
Das Troponin T-Gen (TNNT2) wurde durch Somatische-Zellhybrid-Analyse und durch Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) auf Chromosom 1q32 lokalisiert [57,59]. Seine strukturelle Organisation und die komplette Nukleotidsequenz bei der Ratte wurden bereits 1992 von Jin et al. bestimmt [60].
Die ersten drei HCM-Mutationen wurden 1994 von Thierfelder et al. beschrieben [47]. Bis heute konnten über 20 Mutationen bei HCM identifiziert werden [40,41,42]. Es handelt sich dabei überwiegend um Missense-Mutationen, wobei das Kodon 92 einen Hotspot darstellt [47,61,62]. Außerdem wurde von zwei Deletionen und einer Spleiß-Mutation berichtet. Damit ist Troponin T das dritthäufigste Gen mit HCM-Assoziation. Eine Troponin T-Mutation mit DCM-Assoziation wurde, wie bereits oben erwähnt, erstmals von Kamisago et al. beschrieben [48]. In zwei DCM-Familien identifizierten sie die Deletion Lys210del.

Myosin-Bindungsprotein C: Auf Chromosom 11 (11p11.2) liegt das Gen für das kardiale Myosin-Bindungsprotein C (MYBPC3) [63]. Die Funktion des Proteins ist noch nicht vollständig geklärt. Mit seinem C-terminalen Teil bindet es an Myosin und Titin. Mutationen in diesem Gen gelten als besonders häufige Ursache der HCM. Nach dem β-MHC-Gen wurden hier die meisten HCM-Mutationen identifiziert. Von den über 70 beschriebenen Mutationen führen viele zu Veränderungen von Spleißsignalsequenzen, Insertionen und Deletionen [40,41,42]. Bei DCM wurde bisher nur von einer Mutation bei einem Patienten berichtet. Diese wurde in Zusammenhang mit der vorliegenden Arbeit ermittelt [64].

α-Tropomyosin: Thierfelder et al. berichteten 1994 von den ersten beiden Mutationen im α-Tropomyosin-Gen (TPM1) auf Chromosom 15 (15q22.1) bei zwei Familien mit HCM [47]. Das exprimierte Protein ist ein lang gestrecktes Dimer und blockiert bei niedriger Calciumkonzentration die Wechselwirkung zwischen Myosin und Aktin. Mutationen in diesem Gen sind selten. Bisher sind elf Missense-Mutationen bei HCM beschrieben worden [40,41,42]. Olson et al. berichteten im Jahr 2001 von zwei Mutationen im α-Tropomyosin-Gen, die mit DCM assoziiert sind (Glu40Lys und Glu54Lys) [65].

Troponin I: Im Troponin-Komplex stellt Troponin I die inhibitorische Untereinheit dar. Die erste mit HCM assoziierte Mutation im Troponin I-Gen (TNNI3) wurde 1997 entdeckt [66]. Das Gen ist auf Chromosom 19 (19p13.4) lokalisiert. Neben über 20 Mutationen bei HCM sind auch sechs Mutationen bei RCM beschrieben [40,41,42]. Im Jahr 2004 wurde von Murphy et al. die erste Mutation im Troponin I-Gen bei dilatativer Kardiomyopathie beschrieben. Die Mutation Ala2Val wurde in einer Familie autosomal-rezessiv vererbt [67].

Troponin C: Auf Chromosom 3 (3p21.3-p14.3) liegt das Gen für Troponin C (TNNC1). Mutationen in diesem Gen sind sehr selten. Bisher wurde nur je eine Mutation bei einem HCM-Patienten und in einer DCM-Familie beschrieben [68,69].

α-Aktin: Das Gen für das kardiale α-Aktin (ACTC) liegt auf Chromosom 15 (15q14). Zunächst wurden im α-Aktin-Gen die oben erwähnten DCM-Mutationen Arg312His und Glu361Gly beschrieben [38]. Erst danach wurde in einer HCM-Familie eine Mutation entdeckt, die zu einem Aminosäureaustausch im Bereich der Aktin-Myosin-Interaktion führt [70]. Mittlerweile sind sieben HCM-assoziierte Mutationen bekannt [40,41,42].

Leichte Myosinketten: In den Genen für die leichten Myosinketten vom regulatorischen (MYL2) und essentiellen (MYL3) Typ auf den Chromosomen 12 (12q23-q24.3) bzw. 3 (3p21.3-p21.2) wurden erstmals von Poetter et al. Mutationen bei HCM beschrieben [71]. Die leichten Myosinketten binden im C-terminalen Bereich des Kopfteils an die schweren Ketten des Myosins und beeinflussen die Interaktion zwischen Myosin und Aktin. Mit insgesamt 14 beschriebenen Mutationen bei HCM sind Varianten in diesen beiden Genen selten [40,41,42]. Bei DCM wurden bisher keine Mutationen gefunden.

 Sarkomer-assoziiertes Protein und Z-Scheibe

Die Schnittstelle zwischen Sarkomer und Zytoskelett ist die Z-Scheibe, deren Komponenten eine Schlüsselrolle in der Kraftübertragung in Muskelzellen einnehmen.
Bei DCM wurden in den letzten drei Jahren neben den durch die Arbeitsgruppe Thierfelder entdeckten Mutationen im Titin-Gen (TTN) [72] auch Mutationen in den Genen für Telethonin/Titin-Cap (TCAP) [73], für die beiden LIM-Domänen-Proteine Muskel-LIM-Protein (MLP) [73] und ZASP (Z-Band alternatively spliced PDZ motif-containing protein) [74] sowie im Gen für Metavinculin (VCL) [75] beschrieben.
Titin ist das größte bekannte Protein. Es ist mit dem Sarkomer assoziiert, reicht von dessen M-Linie bis zur Z-Scheibe und liefert ein Gerüst für die Bindung der dicken und dünnen Filamente. Zusammen mit Titin-Cap und Muskel-LIM-Protein bildet es einen Komplex, der entscheidend für die Elastizität und Integrität der Myofibrillen ist [72,73].
Das Muskel-LIM-Protein gehört zu der Familie der Cystein-reichen Proteine (CSRP). Es bindet mit seinem N-terminalen Teil an Titin-Cap, das wiederum an Titin gebunden wird [73]. LIM-Proteine haben die Fähigkeit, mit ihren LIM-Domänen Protein-Protein-Wechselwirkungen einzugehen. Dadurch können sie mehrere Proteine zu einem funktionalen Komplex zusammenführen. ZASP interagiert auf diese Weise mit der Proteinkinase C und über eine PDZ-Domäne, die ebenfalls Protein-Protein-Interaktionen vermittelt, mit dem Z-Scheibenprotein α-Aktinin [74].
Die Z-Scheiben-Komponenten Vinculin und Metavinculin verankern die Aktin-Filamente in der Z-Scheibe und übertragen so die Kontraktionskraft des Sarkomers [75].

 Ionenkanäle

Phospholamban ist ein Transmembranprotein des sarkoplasmatischen Retikulums, das die Wiederaufnahme von Calcium-Ionen aus dem Zytoplasma in das sarkoplasmatische Retikulum reguliert. Durch Mutationen im Phospholamban-Gen (PLN) wird die Calcium-Aufnahme vermindert und so der Kontraktionszyklus gestört [76].
Das Gen ABCC9 (ATP-binding-cassette C9) kodiert für den Sulfonylharnstoff-Rezeptor 2A (SUR2A), der die regulatorische Untereinheit des kardialen ATP-abhängigen Kaliumkanals Kir6.2 bildet. Durch Öffnung ATP-abhängiger Kaliumkanäle kann das Myokard vor kardialem Stress, z. B. Hypoxie, geschützt werden. Bisher wurden zwei Mutationen bei zwei Patienten mit DCM identifiziert, die zur Dysfunktion des Kanals und dadurch zu einer verminderten Toleranz gegenüber kardialem Stress führen [77].
Im Jahr 1996 untersuchten Olson und Keating eine Familie mit DCM und supraventrikulären Tachyarrhythmien [78]. Durch eine Kopplungsanalyse wurde ein Locus auf Chromosom 3p22-p25 bestimmt. In dieser Familie wurde 2004 eine Mutation im Gen für SCN5A (Sodium-Channel Typ 5α) identifiziert, das für den kardialen spannungs-abhängigen Natrium-Kanal 5α kodiert [79]. Mutationen in diesem Gen wurden auch bei verschiedenen anderen Herzerkrankungen beschrieben, z. B. beim Long-QT- und Brugada-Syndrom [41].

 Einzelne Gene

Das Tafazzin-Gen (TAZ) kodiert für mehrere Proteinspleißvarianten, deren Funktion nicht genau bekannt ist. Mutationen in diesem auf dem langen Arm des X-Chromosoms gelegenen Gens führen unter anderem zum Barth-Syndrom [80]. Das Syndrom ist neben DCM durch veränderte Mitochondrien, Skelettmuskelmyopathie, Wachstumsstörungen und Neutropenie gekennzeichnet. Diese infantile Form der X-chromosomalen DCM führt früh zu einer schweren Herzinsuffizienz und hat eine schlechte Prognose.
Kürzlich wurde eine Mutation in einem weiteren Gen bei einer Familie mit DCM und begleitendem sensoneuralen Hörverlust beschrieben, das keiner der bisher genannten Gruppen zuzuordnen ist [81]. In dieser Familie wurde eine Deletion von 4.846 bp im EYA4-Gen (Eyes absent 4) identifiziert. EYA4-Proteine sind Kotranskriptionsfaktoren, die bei der Expression von Genen beteiligt sind.

Bisher sind 21 Gene bekannt, die mit dilatativer Kardiomyopathie assoziiert sind. Diese kodieren für Proteine verschiedener Komponenten der Herzmuskelzelle: Zytoskelett, Intermediärfilament, Kernmembran, Sarkomer, Z-Scheibe und verschiedene Ionenkanäle.
AD = autosomal-dominant, AR = autosomal-rezessiv, X = X-chromosomal, S = sporadisch.

Gen

Genort

Protein

Erbgang

Referenz

Zytoskelett, Intermediärfilament und Kernmembran

DMD

Xp21

Dystrophin

X

Muntoni 1993 [32]

SGCD

5q33-q34

δ-Sarcoglycan

AD

Tsubata 2000 [34]

DES

2q35

Desmin

AD

Li 1999 [35]

LMNA

1q21.2-q21.3

Lamin A/C

AD

Fatkin 1999 [37]

Sarkomer

ACTC

15q11-q14

α-Aktin

AD

Olson 1998 [38]

MYH7

14q12

β-MHC

AD

Kamisago 2000 [48]

TNNT2

1q32

Troponin T

AD

Kamisago 2000 [48]

TPM1

15q22.1

α-Tropomyosin

AD

Olson 2001 [65]

MYBPC3

11p11.2

Myosin-Bindungsprotein C

S

Daehmlow 2002 [64]

TNNI3

19q13.4

Troponin I

AR

Murphy 2004 [67]

TNNC1

3p21.3-p14.3

Troponin C

AD

Mogensen 2004 [69]

Sarkomer-assoziiertes Protein und Z-Scheibe

TTN

2q31

Titin

AD

Gerull 2002 [72]

TCAP

17q12

Titin-Cap / Telethonin

AD

Knöll 2002 [73]

CSRP3 / MLP

11p15.1

Muskel-LIM-Protein

AD

Knöll 2002 [73]

VCL

10q21-q23

Metavinculin

AD

Olson 2002 [75]

LDB3 / ZASP

10q22.3-q23.2

ZASP

AD

Arimura 2004 [74]

Ionenkanäle

PLN

6q22.1

Phospholamban

AD

Schmitt 2003 [76]

ABCC9

12p12.1

Sulfonylharnstoff-Rezeptor 2A (SUR2A)

S / AD

Bienengraeber 2004 [77]

SCN5A

3p21

Natrium-Kanal 5α (SCN5A)

AD

McNair 2004 [79]

Einzelne Gene

TAZ

Xq28

Tafazzin

X

Bione 1996 [80]

EYA4

6q23-q24

Eyes absent 4

AD

Schönberger 2005 [81]
Tabelle 1-1: Bekannte Gene der dilatativen Kardiomyopathie

Zielsetzung der Arbeit

Lange Zeit dachte man, dass Mutationen in Zytoskelettprotein-Genen ausschließlich zu dilatativer Kardiomyopathie und Mutationen in Sarkomerprotein-Genen ausschließlich zu hypertropher Kardiomyopathie führen. Im Jahr 2000 fand die Arbeitsgruppe Seidman überraschend auch bei DCM drei Mutationen in den Sarkomerprotein-Genen β-MHC und Troponin T. Zu Beginn der vorliegenden Dissertation im Jahr 2001 waren nur diese drei Mutationen bekannt.
Das Ziel dieser Arbeit war deshalb die Suche nach weiteren Varianten in Sarkomerprotein-Genen bei DCM. Dazu sollten Varianten in den Sarkomerprotein-Genen β-MHC und Troponin T bei 46 nicht verwandten Patienten mit idiopathischer DCM identifiziert und charakterisiert werden. Mit Hilfe der Single-Strand-Conformation-Polymorphism-Analyse (SSCP-Analyse) wurde in diesem Patientenkollektiv ein systematisches Mutationsscreening in beiden Genen angestrebt. Das β-MHC-Gen sollte im für den Kopfteil des Proteins kodierenden Bereich (Exon 3-23), in dem sich die bisher bekannten Varianten fanden, das Troponin T-Gen im gesamten kodierenden Bereich (Exon 2-16) untersucht werden. Durch die Auswahl geeigneter Primer konnten auch die jeweiligen Exon-flankierenden Intronbereiche analysiert werden, um Spleiß-Konsensus-Sequenzen zu erfassen. Gefundene Varianten sollten durch DNA-Sequenzierung charakterisiert und durch eine weitere Methode, wie die Restriktions-Fragment-Längen-Polymorphismen-Analyse (RFLP-Analyse) oder die Heteroduplexanalyse bestätigt werden.
Schließlich hatte die Arbeit das Ziel, die funktionelle Relevanz und mögliche Krankheitsmechanismen der gefundenen Varianten zu diskutieren. Darüber hinaus sollten die Varianten zu den in der Literatur bereits beschriebenen in Bezug gesetzt und in ihrer Häufigkeit verglichen werden.