1 Einleitung

1.1  Historischer Hintergrund zu dem Down Syndrom

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1866 wurde das Down Syndrom von dem englischen Arzt John Langdon Down [Down 1866] als eigenständiges, von anderen Erkrankungen mit geistiger Behinderung abgrenzbares Krankheitsbild, geschildert. Er schrieb: „…Das Gesicht ist flach und breit, die Augen stehen schräg, und die Nase ist klein…“ Des Weiteren berichtete er von großen Lippen und großer Zunge, hypoelastischer Haut, der Anfälligkeit für pulmonale Erkrankungen und einer geringen Lebenserwartung. Er bescheinigte ihnen ein fröhliches Wesen, war aber dem Stand der Wissenschaft seiner Zeit entsprechend beeinflusst durch Darwins Evolutionstheorie. So meinte Langdon Down, dass das Syndrom die Rückverwandlung in einen primitiven Rassentyp darstellte und prägte wegen des etwas asiatischen Aussehens der Betroffenen, die Begriffe „mongoloide Idiotie“ und „Mongoloidismus“. Trotz ihrer fälschlichen und diskriminierenden Ursprünge fanden diese Begriffe lange Zeit Verwendung in der Medizin und wurden schließlich durch „Trisomie 21“ und „Down Syndrom“ ersetzt. Down erkannte den kongenitalen Charakter der Erkrankung, favorisierte aber irrtümlich die Tuberkulose als Ursache.

Der Verdacht auf eine Chromosomenaberration beim Down Syndrom wurde bereits 1932 von Waardenburg [Waardenburg 1932] geäußert, konnte aber erst 27 Jahre später bewiesen werden. Im Jahr 1959 erkannte der französische Genetiker Jérome Lejeune [Lejeune et al. 1959 a], [Lejeune et al. 1959 b] anhand von Experimenten mit Fibroblastenkulturen, dass bei Kindern mit Down Syndrom in jeder Zelle 47 Chromosomen statt üblicherweise 46 vorhanden sind, weil das Chromosom 21 dreimal statt zweimal vorhanden ist. Hierbei handelte es sich um die erste Chromosomenaberration, die beim Menschen entdeckt worden war.

1.2 Formen der Trisomie 21

Dem Krankheitsbild liegen numerische Chromosomenaberrationen der Autosomen vor, von denen folgende Formen existieren: In 95% der Fälle kommen freie Trisomien am häufigsten vor [Giraud und Mattei, 1975]. Bei einer Chromosomenzahl von 47 liegt das Chromosom 21 dreifach vor. Unter den Translokations-Trisomien 21, die mit etwa 4 % aller Trisomien 21 am zweithäufigsten sind, bilden die Robertson’schen Translokationen t (14q21q) und t (21q21q) die größte Gruppe [Mutton et al. 1996].

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Diese können auf einer balancierten zentrischen Fusion bei einem klinisch unauffälligen Elternteil beruhen [Williams et al. 1975] oder auch spontan auftreten [Cantu et al. 1980]. Bei dem ersteren Fall handelt es sich um das Vorliegen zweier freier Chromosomen 21. Das dritte Chromosom 21 ist in Form einer zentrischen Fusion auf ein anderes akrozentrisches Chromosom transloziert, wobei die Chromosomenzahl 46 beträgt. Je nach Art der Translokation liegt das Wiederholungsrisiko bei 10-100% [Williams et al. 1975].

Mit einer 1%-igen Wahrscheinlichkeit treten Mosaike und in Einzelfällen auch freie partielle Trisomien auf [Mutton et al. 1996], [Clarke et al. 1961]. Bei Trisomie 21 Mosaiken liegt neben einer Zelllinie mit normalem Chromosomenbefund noch eine Zelllinie mit Trisomie 21 vor. Bei diesen selteneren Formen der Trisomie 21 können klinische Symptome abgeschwächt sein
[Park et al. 1987], [Williams et al. 1990], [Aula et al. 1973].

1.3 Diagnostik des Down Syndroms und klinische Zeichen

Nach der Geburt ist zunächst die klinische Diagnose vordergründig, welche bei Verdacht durch eine Chromosomenanalyse verifiziert werden kann. Hierfür hat Jackson [Jackson et al. 1976] einen diagnostischen Index mit 25 Symptomen erstellt (Tabelle1). Auf Grund der Variabilität des klinischen Bildes ist die Beurteilung nicht immer einfach. Jedes einzelne der vielen Symptome, welche das Down Syndrom ausmachen, kann für sich genommen auch bei Individuen mit normalem Chromosomensatz vorkommen. Außerdem treten alle Merkmale kaum in jedem Patienten zusammen auf. Der Epikanthus oder die Vierfingerfurche geben häufig den Anlass für eine Verdachtsdiagnose.

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Tab. 1 : Diagnostischer Index

Symptome des Down Syndroms nach Jackson et al. 1976:

Brachizephalus

lateral ansteigende Lidachsen

Nystagmus

flache Nasenwurzel

schmaler Gaumen

Klinodaktylie V

muskulärer Hypotonus

Sandalenlücke

Einfaltung der Ohrmuschel

kurzer Hals

Epikanthus

Blepharitis, Konjunktivitis

Brushfield-Flecken

ständig offener Mund

Zahnveränderungen

herausragende Zunge

Lingua plicata

hoher Gaumen

Nackenfalte

Kurze, breite Hände

Brachydaktylie V

Vierfingerfurche

kongenitaler Herzfehler

Herzgeräusch

ligamentäre Hyperelastizität

Andere Autoren erwähnen weitere Merkmale im Zusammenhang mit dem Down Syndrom, wie charakteristische Dermatoglyphen der Fingerbeeren [Rex and Preuss, 1995] und häufig auftretende Augenerkrankungen. Meist handelt es sich um Fehler der Lichtbrechung, Akkommodationsdefizite, Strabismus, Keratokonus und Katarakte [Haugen 2004].

Abb. 1 : Kind mit Down Syndrom

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Das Down Syndrom gilt als der verbreiteteste prädisponierende Faktor für eine Reihe gastrointestinaler Fehlbildungen [Levy 1991]. Zu den häufigsten gehören ösophago-tracheale Filsteln, duodenale Obstruktionen mit oder ohne Pylorusstenosen, Pankreas anulare, imperforierter Anus und Morbus Hirschsprung.

Nach Hitzler haben 10% der Neugeborenen mit Down Syndrom eine vorübergehende megakaryoblastische Leukämie. Obwohl die meisten leukämischen Zellen nach den ersten fünf Lebensmonaten spontan verschwinden, entwickeln 20 % der Betroffenen eine irreversible akute megakaryoblastische Leukämie innerhalb von vier Jahren [Hitzler 2005].

Die Häufigkeit kongenitaler Herzfehler (vorrangig AV-Kanal, Ventrikularseptumdefekt, Fallot Tetralogie) unter den Kindern ist hoch und variiert zwischen 40-50% der Fälle [Marino 1993]. Bis vor kurzem stellten sie noch den entscheidenden limitierenden Faktor in der Lebenserwartung dar, weil diese Herzfehler wegen des hohen Operationsrisikos früher nicht behandelt wurden.

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Die Wahrscheinlichkeit an alzheimerschen neurodegenerativen Veränderungen zu erkranken, ist bei Down Syndrom Kindern erhöht und wird heute besonders durch die gestiegene Lebenserwartung vermehrt beobachtet [Brugge 1994].

1.4 Stand der Forschung

Der Mensch ist das Lebewesen, bei dem Chromosomenaberrationen häufiger sein dürften, als bei jeder anderen Spezies. Mindestens 0,3% der Neugeborenen und schätzungsweise über 50 % aller Zygoten in Spontanaborten weisen einen aberranten Chromosomensatz auf [Hassold and Jacobs, 1984]. Bei den meisten Aberrationen handelt es sich um Aneuploidien, zu denen die Trisomie 21 gehört. Obwohl das Down Syndrom zu den häufigsten fetalen Todesursachen gehört und die häufigste genetische Ursache geistiger Behinderung beim Menschen ist, sind gesicherte ätiologische Kenntnisse vergleichsweise gering [Hassold 1999].

Erst durch den Einsatz hoch-polymorpher Marker, so genannter Mikrosatelliten, wurde es möglich, weitergehende Untersuchungen zur Ätiologie durchzuführen [Hassold 1999. In der letzten Dekade wurden in zahlreichen Studien die Beziehung zwischen Rekombination und Non-disjunction untersucht, indem die Häufigkeit und Verteilung von Crossing-over Ereignissen, sowie die elterliche Herkunft von Allelen ermittelt wurden [Petersen and Mikkelsen, 2000], [Lamb et al. 1997]. Sie weisen darauf hin, dass die meisten autosomalen Trisomien, die Trisomie 21 eingeschlossen, auf ein meiotisches Non-disjunction zurückzuführen sind, welches sich vorwiegend in der Oogenese ereignet. Nur etwa 5% der Fälle mit Trisomie 21 gehen auf ein mitotisches Non-disjunction zurück [Hassold and Hunt, 2001].

1.4.1  Fehlverteilungen der Chromosomen

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Bei der freien Trisomie sind Fehlverteilungen in der Meiose I und der Meiose II möglich. Bei der maternalen Fehlverteilung zeigt sich ein Verhältnis von Meiose I zu Meiose II von etwa 3:1 und bei der paternalen etwa ein 1:1 Verhältnis, geringfügig zugunsten der MII Fehler [Antanorakis et al. 1993], [Mikkelsen et al. 1995], [Yoon et al. 1996]. Die Non-disjunction in der Meiose I führt zu drei Chromosomen 21, von denen zwei unterschiedlich sind. Bei der Meiose II sind hingegen die beiden Chromosomen 21 im Zentromerbereich identisch, können aber über die Länge des Chromosoms Rekombinationsereignisse aufweisen. Beide maternalen Fehlverteilungen sind mit dem steigenden mütterlichen Alter korreliert [Antanorakis et al. 1993], [Mikkelsen et al. 1995], [Yoon et al. 1996]. Der Anteil der paternalen Non-disjunction-Ereignisse bei der Entstehung des Down Syndroms macht je nach Studie zwischen 8 % bis 20 % aus.

1.4.2 Crossing-over Häufigkeiten

Der Einsatz von Mikrosatellitenmarkern ermöglicht es, veränderte Häufigkeiten und Orte meiotischer Rekombinationsereignisse zu untersuchen. Die Zahl der Crossing-over Ereignisse ist bei den meisten Trisomie 21 Fällen, die auf einem Fehler in der Meiose I beruhen, deutlich verringert. Bei der Meiose II wurde hingegen erhöhte Rekombinationen gefunden [Sherman et al. 1992]. In der ersten maternalen Reifeteilung sind speziell die zentromernahen Austauschereignisse seltener und in etwa 30% der Fälle wird überhaupt kein Crossing-over gefunden [Lamb et al. 1997], [Hassold 2000]. Im Gegensatz hierzu ist bei der Trisomie 21, die auf einen MII-Fehler zurückgeht, die proximale Austauschrate besonders hoch [Lamb et al. 1997]. Der Zusammenhang zwischen Rekombination und Chromosomenfehlverteilung ist damit offensichtlich, wobei die eigentlichen Gründe hierfür aber weiterhin unverstanden sind.

Die Assoziation zwischen mütterlichem Alter und meiotischer Rekombination wurde von
[Lamb et al. 2005] neu untersucht. Die 400 Trisomie 21 Fälle, in denen eine Meiose I Fehlverteilung auftrat, wurden in drei mütterliche Altersgruppen aufgeteilt. Die Austausch-häufigkeiten pro Regionen unterschieden sich signifikant zwischen den Altersgruppen.

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In der Gruppe der jüngsten Frauen fielen 34% der Austausche auf die perizentromeren und telomeren Regionen. In der Gruppe der ältesten Frauen betrafen diese pericentromer und telomernahen Austauschereignisse nur 10% und waren vergleichbar mit dem Austauschmuster der Kontrollgruppe (normally disjoining group).

Diese Ergebnisse führten zu der Vermutung, dass der größte Risikofaktor für eine Non-disjunction unter jungen Müttern die Anwesenheit eines empfindlichen Austauschmusters ist. Sie mutmaßen, während des Alterns der Frau, akkumulieren umwelt- und altersabhängige Beeinträchtigungen im Ovar, was zur Fehlverteilung der Oozyten mit stabilen Austauschmustern führt. Es ist dieses Risiko, beruhend auf rekombinations unabhängigen Faktoren, welches am meisten durch steigendes Alter beeinflusst sein könnte, und zu dem beobachteten maternalen Alterseffekt führt.

In dieser Dissertation sollen spezifische Rekombinationsmuster pro Altersgruppe untersucht werden. Bei der Untersuchung der Assoziation zwischen mütterlichem Alter und der
Crossing-over Rate, orientiert sich die Vorgehensweise an der aktuellen Arbeit [Lamb et al. 2005].

1.4.3 Geschlechterverhältnis in der freien Trisomie 21

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Bereits 1951 beschrieb Hug ein Geschlechterverhältnis von 1,15:1 unter Down Syndrom Kindern zugunsten der Jungen [Hug 1951]. Dieser Überschuss des männlichen Geschlechts wurde seither vielfach bestätigt [Bernheim et al. 1979], [Nielsen et al. 1981], [Mikkelsen et al. 1990]. Da dieses Phänomen nur die freie Trisomie 21 und nicht die Translokations-Trisomie betrifft [Hassold et al. 1983], führte es zu der Vermutung, dass die Ursache im Zusammenhang mit der freien Trisomie steht und im eigentlichen nichts mit der Bevorzugung eines Geschlechtes zu tun hat.

Eine noch gravierendere Verschiebung des Geschlechterverhältnis (3,5:1) wurde unter den Trisomien 21 gefunden, die auf paternalen meiotischen Ursprung zurückgeführt werden konnten, im Gegensatz zu paternalen mitotischen oder maternalen Fehlern [Petersen et al.1993].

Eine Spermienuntersuchung unter gesunden Probanden ergab in Spermien, die disom für Chromosom 21 waren, einen deutlichen Überschuss an Y-tragenden Spermien (69 mit Y-Chromosom; 44 mit X-Chromosom) [Griffin et al.1996], was zu der Vermutung führte, dass das zusätzliche Chromosom 21 präferentiell mit dem Y-Chromosom segregiert [Petersen et al.1993]. Die genauen Ursachen dieses verschobenen Geschlechterverhältnisses sind aber noch immer unverstanden. Das Verhältnis von Jungen und Mädchen mit Trisomie 21 soll in der vorliegenden Studie ebenfalls ermittelt werden.

1.4.4 Risikofaktoren

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Bezeichnend für die autosomalen Trisomien ist eine starke Abhängigkeit vom mütterlichen, jedoch nicht vom väterlichen Alter. Dieses Phänomen könnte direkt oder indirekt mit der langen Arretierung der Chromosomen im Dictyotän in Beziehung stehen, da bis zur Ovulation der entsprechenden Oozyte dieses Stadium Jahrzehnte dauern kann. Die tatsächliche Ursache dieser Altersabhängigkeit ist dagegen noch immer unverstanden, obwohl sie schon seit 50 Jahren bekannt ist.

Die Inzidenz der freien Trisomie 21 und auch anderer Trisomien zeigt übereinstimmend bei Frauen ab dem 35. Lebensjahr einen Anstieg der Aneuploidierate [Hassold 1996]. Das geringste Risiko, ein Kind mit Down Syndrom zu bekommen, haben junge Mütter um 25 Jahre in 2 pro 1000 Fällen [Hassold 1996]. Bis Anfang dieses Jahres, ging man davon aus, dass dieser Anstieg mit weiter steigendem mütterlichem Alter exponentiell verläuft, dies wurde jedoch durch
[Morris et al. 2005] widerlegt. In dieser Meta-Analyse zeigte sich für 45-jährige Frauen, dass das Risiko, ein Kind mit Down Syndrom zu bekommen, bei 34 pro 1000 Geburten liegt, und sich nicht mit weiter steigendem Alter erhöht.

Neben dem wichtigsten Risikofaktor, des erhöhten mütterlichen Alters, gilt als weiterer die vorausgegangene Geburt eines Kindes mit einer Aneuploidie, besonders einer Trisomie 21. Das Wiederholungsrisiko liegt altersbereinigt deutlich höher als die Spontanrate bei etwa 1%. Ein Elternteil könnte Träger eines chromosomalen Keimbahnmosaikes sein, also eine Mischung aus normalen und trisomen Zellen besitzen und weitervererben [Bruyère et al. 2000], [Cozzi et al. 1999], [James et al. 1998], [Matsuura 2000].

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Diese Erklärung greift aber nicht in den Fällen, bei denen die nachfolgende Aneuploidie eine Geschlechtschromosomenaberration betrifft. Eine mögliche Annahme ist, dass die genetische Ursache in einer Prädisposition für Non-disjunction der Autosomen liegt. Diskutiert werden Veränderungen in meiose-spezifischen Genen, die die Checkpoint Kontrolle beeinflussen könnten [LeMaire-Adkins et al. 1997].

Erste Anhaltspunkte für diese These gibt es beim Menschen. Eine Studie beschreibt zum Beispiel das gehäufte Auftreten von Trisomie 21 in Kuwait, in der die Bevölkerung eine hohe Anzahl an Verwandtenehen aufweist [Alfi et al. 1980].

Die Hypothese, dass genetisch bedingte Prädisposition zu erhöhten Non-disjunction-Raten bestehen könnte, wird durch die Beobachtung unterstützt, dass bei verschiedenen Eukaryonten (Hefe, Mais, Drosophila, Maus) Gene identifiziert wurden, deren Mutation zu erhöhten mitotischen und meiotischen Non-disjunction führt [Eichenlaub-Ritter 1998], [Koehler 1998], [Nasmyth 2002]. Beim Menschen wurden somatische Mutationen in den Genen MAD2 und BUB1 beschrieben, die in den betreffenden Zellen die Aneuploidierate erhöhen [Matsuura 2000], [Cahill 1998], sowie die nachstehenden Keimbahnmutationen gefunden, die das somatische Non-disjunction erhöhen:

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1.4.5 Methylentetrahydrofolat-Reduktase-Polymorphismus

Kleine genetische Unterschiede in Form von Einzelnukleotidaustauschen im menschlichen Genom, genannt SNPs (single nucleotide polymorphism), sind zu wichtigen Werkzeugen bei der Erforschung molekularer Mechanismen unterschiedlichster biologischer Funktionen geworden. Bei der Aufklärung von Mechanismen, die zu komplexen genetischen Krankheiten führen, können SNPs als molekulare Marker helfen, beteiligte Gene zu finden.

Das Enzym Methylentetrahydrofolat-Reduktase (MTHFR) ist ein Zwischenprodukt des Methionin- Stoffwechsels, welcher die Umsetzung von Homocystein zu Methionin katalysiert. Ein erhöhter Homocysteinspiegel kann zum einen z.B. durch Vitamin B6-, B12- oder Folsäuremangel erworben sein, zum anderen kann er auch durch einen verbreiteten Polymorphismus im MTHFR-Gen bedingt sein. An der Position 677 findet sich bei der veränderten Form ein Basenaustausch von C (Cytosin) nach T (Thymin). Dieser Austausch resultiert in der Aminosäuresequenz des Proteins in einem Wechsel von Alanin zu Valin. Hierdurch entsteht ein thermolabiles Enzym mit verringerter Aktivität, wodurch weniger Homocystein zu Methionin remethyliert wird. Da bei dieser Sequenzvariante nur etwa 50% der Aktivität des Wildtyp-Enzyms bestehen, haben diese Individuen infolge dessen höhere Plasmawerte für Homocystein (Abbildung 2).

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Abb. 2 : Der C-T-Basenaustausch am Nucleotid 677 (677C-T) Mutation im Methylentetrahydrofolat-Reduktase (MTHFR) Gen reduziert die Aktivität von MTHFR und die Synthese von 5-Methyltetrahydrofolat (5-Methyl-THF), welches für die Remethylierung von Homocystein zu Methionin gebraucht wird.

Aus der unvollständigen Synthese von 5-Methyl-THF und Methionin resultiert ein Fehlen von Methionin und S-Adenosylmethionin (SAM). Es kommt zu einer Akkumulation von Homocystein und S-Adenosylhomocystein (SAH). Eine Reduktion von SAM: SAH bewirkt eine geringere Effizienz der DNA (Cytosin-5)-Methyltransferase und ist mit der DNA Hypomethylieung assoziiert.
d TMP: Desoxythymidin Monophosphat; d UMP: Desoxyuridin Monophosphat

Der Polymorphismus ist weit verbreitet. Etwa 40% der europäischen Bevölkerung sind homozygot für den Wildtyp (C677), 45% heterozygot (C677 und T677) und 15% tragen homozygot die Sequenzvariante (T677) [Bowen et al. 1998]. Der homozygot veränderte Genotyp des MTHFR Gens stellt unter anderem einen Risikofaktor für Herzkranzgefäßerkrankungen und venöse Thrombosen dar [Haviv et al. 2002].

Da einige Autoren einen Zusammenhang dieses Polymorphismus’ mit einem erhöhten maternalen Risiko für das Down Syndrom fanden [Hobbs et al. 2000], [James et al. 1999] wurde er auch in dieser Studie untersucht.

1.4.6 Umweltfaktoren

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In welchem Ausmaß die Non-disjunction-Rate beim Menschen auch durch exogene oder endogene Umweltfaktoren beeinflusst ist, bleibt umstritten. In unterschiedlichen Untersuchungsansätzen wurde die Häufigkeit der Trisomie 21 mit saisonalen endokrinologischen Veränderungen in Verbindung gebracht. Ebenso wurden Faktoren, die eine späte Befruchtung der ovulierten Eizelle fördern, in diesem Zusammenhang diskutiert, wie der seltenere Geschlechtsverkehr bei älteren Ehepaaren oder bei jungen, nicht verheirateten Mädchen in bestimmten religiösen Gruppen. Auch die Schilddrüse könnte direkt oder indirekt mit der Eireifung und der Chromosomensegregation in Beziehung stehen, weil das gehäufte Auftreten von Schilddrüsenautoantikörpern bzw. Schilddrüsenerkrankungen von Müttern mit Down Syndrom Kindern dafür spricht, wobei diese Korrelation nicht in allen Studien bestätigt wurde [Sperling 1998].

Eine Exposition gegenüber ionisierenden Strahlen, wie Röntgenstrahlen vor der Schwangerschaft, wurde als potentielles Risiko für Nachkommen mit Trisomie 21 sehr ausführlich erörtert. Denn in der Tat sind die positiven Befunde in dieser Hinsicht wesentlich zahlreicher als die negativen [Sperling et al. 1994b]. Das Kapitel 1.5 „Vorarbeiten des Instituts für Humangenetik“ geht detaillierter darauf ein. In zwei großen epidemiologischen Studien aus Gegenden erhöhter natürlicher Strahlenbelastung wurde übereinstimmend ein signifikant häufigeres Auftreten von Trisomie 21 gefunden. Die betroffenen Personen in Kerala (Südindien) [Kochupupillai et al. 1976] und dem Yangjiang-Gebiet (China) [High Background Radiation Research Group, 1980] sind einer erhöhten natürlichen Strahlenbelastung durch thoriumhaltigen Monazitsand ausgesetzt. Diese Ergebnisse sprechen dafür, dass schon sehr geringe Strahlendosen einen nachteiligen Effekt ausüben könnten.

In ähnlicher Weise wurde in Ungarn ein Zusammenhang zwischen der unbeabsichtigten Aufnahme von kontaminierten Fischen durch Trichlorphon, einer Chemikalie gegen Fischparasiten, zum Zeitpunkt der Konzeption und einer Häufung von Trisomie 21-Fällen demonstriert [Czeizel et al. 1993].

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Tab. 2 : Angenommene Risikofaktoren für meiotisches Non-disjunction beim Menschen

Erhöhtes mütterliches Alter

Begrenzter Vorrat an Oozyten

Zwei Treffer Modell : Häufigkeit und Verteilung der Crossing-over

Gestörter Ablauf der Reifeteilungen

Defekt bei der Ausbildung der Spindel

Defekt bei der Checkpoint Kontrolle

Genetisch bedingte Risikofaktoren

Defekt im Folatmetaboslismus

Vorliegen des Apolipoprotein ε 4 Allels

Vorliegen des Polymorphismus im Presenilin-1 Gen

Heterozygotie für das Bloom Syndrom

Gestörte Funktion der Mitochondrien

Konsanguinität der Eltern (Homozygotie für rezessives Gen)

Chromosomale Risikofaktoren

Größe der Chromosomen

Vorhandensein doppelter NORs

Veränderung in der Menge alphoider DNA

Aberrante Struktur des Centromers

Vorzeitige Trennung der Centromere

Peristatische Risikofaktoren

Strahlenexposition

Einnahme oraler Kontrazeptiva

Medikamente zur Verbesserung der Fertilität

Vorliegen von Schilddrüsen Antikörpern

Alkohol Abusus

Nikotin Abusus

Virusinfektionen zum Zeitpunkt der Konzeption

Aufnahme von Metriphonat zum Zeitpunkt der Konzeption

Andere Faktoren

Häufigkeit des Geschlechtverkehrs

Saisonale Schwankungen endokrinologischer Faktoren

Aus der ungewöhnlich hohen Zahl von Zygoten mit Aneuploidien beim Menschen lässt sich folgern, dass die Meiose ein sehr fehleranfälliger Prozess ist, der daher vermutlich relativ leicht beeinflusst werden kann. Die Erforschung kausaler Zusammenhänge ist möglicherweise bisher wenig erfolgreich gewesen, weil es sich um ein multifaktorielles Geschehen handeln könnte.

Vermutlich müssen mehrere Faktoren zusammenwirken. Einerseits sind es die prädisponierenden Faktoren, die z.B. die Häufigkeit und Verteilung von Crossing-over Ereignissen oder anderer meiose-spezifischer Prozesse beeinflussen.

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Zusätzlich könnten eventuell endogene oder exogene Einflüsse in einer bestimmten kritischen Phase, unmittelbar vor den beiden Reifeteilungen, einwirken. Nur epidemiologische Studien können über diesen Zusammenhang Aufschluss geben.

Bedeutsam hierbei ist, dass der Zeitpunkt der Fehlverteilung sehr präzise angegeben werden kann, da er direkt vor oder nach der Befruchtung liegt. Die vorangehende Tabelle 2 (erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit) gibt eine zusammenfassende Übersicht der Faktoren, die in Beziehung mit Non-disjunction beim Menschen diskutiert wurden.

1.5 Vorarbeiten des Instituts für Humangenetik

Bis zum Fall der Mauer 1989 war das Institut für Humangenetik allein für die genetische Beratung und zytogenetischen Diagnostik der West-Berliner Bevölkerung zuständig. Die wichtigsten publizierten Ergebnisse zur Trisomie 21 [Sperling et al 1992], [Sperling et al 1994a], [Sperling et al 1994b] sollen hier kurz zusammengefasst werden.

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In der Zeit von 1980 bis 1989 wurden unter 190.073 Neugeborenen Berlins insgesamt 226 Fälle mit freier Trisomie 21 entdeckt und 101 im Rahmen der vorgeburtlichen Diagnostik. Berücksichtigt man, dass es zwischen dem Zeitraum der pränatalen Diagnostik und der Geburt bei etwa 30% der Feten zu einem Abort kommt, wären ohne die pränatale Diagnostik insgesamt 297 Fälle unter den Neugeborenen erwartet worden. Damit ergibt sich eine Prävalenz der Trisomie 21 in Berlin von 1 auf 640 Lebendgeborenen. Obwohl eine ständige Zunahme der vorgeburtlichen Diagnostik zu verzeichnen war, nahm die Häufigkeit der Trisomie 21 nicht ab, sondern eher zu. Der Unterschied ist jedoch statistisch nicht signifikant.

Die höchsten Werte wurden 1987 gefunden, und beruhen allein auf einem Häufigkeitsmaximum von 12 Fällen im Monat Januar (10 unter Neugeborenen, 2 nach vorgeburtlicher Diagnostik im 1.Trimenon). Eine Zeitreihenanalyse ergab, dass dieser Unterschied hoch signifikant ist. Ein derart distinkter zeitlicher Effekt lässt eine exogene Ursache vermuten. Genau 9 Monate zuvor war es zu der Reaktorkatastrophe in Tschernobyl gekommen und die ersten radioaktiven Wolken hatten Berlin überquert.

8 der 12 Fälle mit Trisomie 21 wurden während dieser kritischen Zeit gezeugt, sodass ein Zusammenhang zwischen der Strahlenbelastung und der Trisomie 21 nicht von vornherein ausgeschlossen werden konnte, da die Mehrzahl der Trisomie 21 Fälle auf eine Fehlverteilung bei der Eizellbildung zurückgeht, die unmittelbar vor der Konzeption erfolgt.

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Durch eine unabhängige Stichprobe, der in der Bundesrepublik vorgeburtlich diagnostizierten Fälle, konnte eine Überprüfung der Resultate vorgenommen werden. Bei der Auswertung von etwa 30.000 zytogenetischen Untersuchungen ergaben sich für diesen Monat keine solch herausragenden Werte. Die wöchentliche Aufschlüsselung wies allerdings darauf hin, dass der höchste Wert trisomer Feten jene Fälle betraf, die in der am stärksten strahlenbelasteten Zeit und in dem am stärksten exponierten Gebiet gezeugt wurden. Dadurch konnte die in Berlin gemachte Beobachtung im Prinzip bestätigt werden [Sperling et al 1991].

Als mutmaßliche Erklärung für einen derart zeitlich begrenzten Strahleneffekt kommt die Inkorporation von aerosolgebundenem Jod-131 in Frage. Dieses stellte eines der häufigsten Radionuklide des „Tschernobyl-fall-outs“ dar. Jod-131 besitzt eine physikalische Halbwertszeit von nur 8 Tagen und eine biologische, die noch darunter liegt. Die Aufnahme von Jod-131 durch die Schilddrüse während der beiden kritischen Wochen in Berlin entsprach einer Strahlendosis von etwa 120 mrem, also der normalerweise pro Jahr anfallenden externen Strahlenbelastung.

Unter der Annahme eines kausalen Zusammenhangs ist die Schlussfolgerung daraus, dass die maternalen Reifeteilungen offensichtlich einen besonders störanfälligen Prozess darstellen und dass daher neben ionisierenden Strahlen sicher auch eine Reihe anderer Noxen einen Einfluss auf die Trisomie 21 Rate haben können. Dies wurde von ungarischen Genetikern für Trichlorfon, einer Chemikalie gegen Fischparasiten angenommen, wobei vom Berliner Institut für Humangenetik die molekularbiologischen Untersuchungen zur Abklärungen der elterlichen Herkunft des zusätzlichen Chromosoms 21 durchgeführt wurden [Czeizel et al. 1993].

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Für den Nachweis derartiger Noxen sind Fall-Kontroll-Studien geeignet, wobei der Erfassung von Expositionen zum Konzeptionstermin besondere Bedeutung zukommt. Wir haben in Berlin hierzu eine Machbarkeitsstudie durchgeführt, die auf der Befragung von 50 Müttern von Trisomie 21 Kindern und 272 Kontrollpersonen beruhte. Sie war so angelegt, dass die Absicherung der Odds Ratio von 2,5 bei einer Expositionsrate gegenüber dem Risikofaktor für die Kontrollen von 20-25% (a=0,05, b=0,2) möglich ist [Pelz und Sperling 2002]. Der hierfür eingesetzte Fragebogen liegt auch der vorliegenden Studie zugrunde.

1.6 Ziel und Vorgehensweise der Studie

1.6.1  Begründung der eigenen Methoden

Für die Ermittlung eines kausalen Zusammenhangs zwischen einer Exposition und der Entstehung eines bestimmten seltenen Ereignisses, wie der Geburt eines Kindes mit Trisomie 21, kommt unter den Gesichtspunkten der Effektivität und der Ökonomie nur eine Fall-Kontroll-Studie in Frage. Diese muss auf einer genügend großen Fallzahl basieren und klar definierte Expositionsgrößen und –zeitpunkte verwenden. Als Konsequenz aus unseren eigenen oben genannten Untersuchungen muss dabei besonderer Wert auf die Ermittlung einer potentiellen Exposition zum Zeitpunkt der Konzeption gelegt werden.

1.6.2 Warum eignet sich der Oman für diese Studie?

Die omanische Population bietet in vielerlei Hinsicht günstige Voraussetzungen für genetische Fall-Kontroll-Studien. Die Familien sind sehr kinderreich, und auf Grund der guten Versorgungslage der letzten Jahrzehnte überleben auch viele von ihnen. Gleichzeitig handelt es sich um ein überwiegend moslemisches Land, in dem Verhütungsmethoden, Pränataldiagnostik und Schwangerschaftsabbrüche unüblich sind. Zudem bieten die weitgehend monogamen Ehen weniger Zweifel an den tatsächlichen Vaterschaftsverhältnissen, als zum Beispiel in Europa. Zudem war die Bereitschaft der Familien hoch, an dieser Studie teilzunehmen.

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Mit Frau Dr. Anna Rajab, als der einzigen Person im Oman, die für die klinisch-genetische Diagnostik und die zytogenetische Diagnostik zuständig ist, bot sich eine Zusammenarbeit an. Zur Vorbereitung der Studie hat Dr. Rajab sämtliche Fälle mit Trisomie 21 zusammengestellt und den Kontakt zu den betreuenden Ärzten aufgenommen.

1.6.3 Struktur und Aufbau des Forschungsvorhabens

Der 6-wöchige Forschungsaufenthalt von Prof. Dr. Neitzel und Herrn Abdelkrim Marnich wurde im Januar und Februar 2004 durchgeführt. Sie suchten in dieser Zeit die in Abbildung 2 verzeichneten Regionen mit betroffenen Familien auf. Die teilnehmenden Familien wurden über die Studienbedingungen aufgeklärt und die Fragebögen ausgefüllt. Die Interviews fanden auf Arabisch statt, die Antworten wurden aber auf Englisch zu Auswertungszwecken dokumentiert. Parallel wurden Mundschleimhautproben bzw. Blutproben von den Eltern und ihrem betroffenen Kind entnommen und mittels Kurier nach Berlin gesendet.

Abb. 3 : Karte des Omans; rechts sind die Anzahl und Regionen der Familien, die aufgesucht wurden, verzeichnet.

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Bei der Auswertung musste die Altersverteilung der Mütter im Oman ermittelt werden. Außerdem sollten aus dem Fragebogen weitere besondere biografische Einflüsse ausgewertet werden. Aus den Mundschleimhautproben sollte mit einem Satz von 22 Mikrosatelliten-Markern, die das Chromosom vollständig abdecken, die DNA extrahiert werden. Des Weiteren sollte die Zahl und Verteilung der Crossing-over Ereignisse ermittelt werden. Zudem sollte die elterliche Herkunft des überzähligen Chromosoms und Art der Non-disjunction aufgeklärt werden.

Für die Durchführung der Studie lag ein positives Ethikkommissionsvotum der Charité und des Ministry of Health aus dem Oman vor.

1.6.4 Beschreibung der Arbeitshypothese

Im Jahr 2001 konnte Dr. Rajab unter den 48.000 Neugeborenen des Omans
(Omans Bevölkerung beträgt ca. 1,7 Mio. Einwohner) 67 Kinder mit einer Freien Trisomie 21 diagnostizieren. Nach ihren Angaben dürfte die Erfassungsrate bei etwa 80 bis 90% liegen. Die tatsächliche Zahl der Fälle mit dem Down Syndrom läge danach bei ca. 1:600 Neugeborenen. Im Oman weist die Trisomie 21 demnach eine ungewöhnlich hohe Prävalenz auf, besonders die große Anzahl familiärer Fälle mit freier Trisomie.

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Die Frage stellt sich daher, ob es im Oman prädisponierende genetische Faktoren für die Trisomie 21 gibt und eventuell exogene Risikofaktoren. Nach dem (subjektiven) Eindruck von Frau Dr. Rajab hat in den letzten Jahren das Down Syndrom unter den Neugeborenen deutlich zugenommen. Im Hinblick auf die aktuelle Arbeit von [Lamb et al.2005], soll nach spezifischen Rekombinationsmustern gesucht werden, nachdem die Altersverteilung der Mütter ermittelt ist. Die innerfamiliäre Vererbung des MTHFR T-Allels der lebendgeborenen Down Syndrom Kinder und ihrer Eltern soll untersucht werden, um die These des Überlebensvorteils [Hobbs et al. 2002] zu bestätigen. Die DNA einer speziellen konsanguinen Familie wird mit Mikrosatelliten, die das ganze Chromosom 21 abdecken, molekulargenetisch untersucht. Bei allen anderen Familien wurden 6-7 Mikrosatelliten-Marker verwendet, die das Chromosom 21 über die Länge abdecken.


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15.11.2006