Angesichts der verschiedenartigen DNA-Läsionen – Einzel- und Doppelstrangbrüche, fehlerhafte Basen – muss es mehr als nur einen Caretaker-Reparaturmechanismus geben. Im Laufe der Evolution hat sich deshalb ein ausgefeiltes, verwobenes Netz an Reparatursystemen entwickelt, das fast alle Schäden beseitigen kann. Besondere Bedeutung kommt dabei der Erkennung und Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen (DSB) zu, da sie die für die Zelle potentiell gefährlichste Form der DNA-Schädigung darstellen. Ein einziger unreparierter Doppelstrangbruch kann bereits zum Tod der Zelle führen [Blocher und Pohlit, 1982].

Die Besonderheit der DSB liegt darin, dass sie nicht nur durch exogene Noxen, allen voran die ionisierende Strahlung, verursacht werden, sondern auch als notwendige Zwischenprodukte physiologischer Vorgänge entstehen. Hierzu zählen die genetische Rekombination während der Meiose und die V(D)J-Rekombination der Immunglobulin- und T-Zell-Rezeptorgene während der B- und T-Zell-Reifung. Eine weitere Quelle von DNA-Doppelstrangbrüchen stellt die DNA-Replikation selbst dar. Trifft die Replikationsgabel während der Replikation auf ein Hindernis, z. B. eine DNA-Interstrangvernetzung oder einen Einzelstrangbruch, können als Folge Doppelstrangbrüche entstehen.

Das häufige Vorkommen einerseits und die große Gefahr, die DSB für die Zelle darstellen, andererseits, haben zur Entwicklung effektiver DSB-Reparaturmechanismen in eukaryotischen Zellen geführt. Zwei Hauptwege sind dabei bekannt; die homologe Rekombination (HR) und die Verknüpfung freier DNA-Enden (non-homologous end joining, NHEJ). Beide Mechanismen spielen auch bei physiologischen Prozessen wie der V(D)J-Rekombination und der Keimzellbildung eine wichtige Rolle [Ivanov, et al., 1992; Lieber, 1999].

Bei der HR wird ein homologer Chromosomenabschnitt – in der Regel die Schwesterchromatide – als Matrize für die Reparatur verwendet. Dies erklärt, warum dieser Prozess der S- und der G2-Phase des Zellzyklus vorbehalten ist, denn in diesen Phasen befindet sich die neu synthetisierte, identische Erbinformation in unmittelbarer Nähe. Das Prinzip der HR beruht zunächst auf der Prozession des DSB zu einem Einzelstrang mit 3'-Überhang mittels einer Nuklease. Die entstandenen 3'-Enden lagern sich an die intakte homologe Doppelhelix an und eine DNA-Polymerase kopiert die korrekte Basenabfolge. Zuletzt wird die Überkreuz-Struktur ('Holliday-Junction') durch eine Resolvase wieder aufgelöst. Diesen Reparaturmechanismus findet man vorwiegend bei niederen Eukaryonten wie der Hefe [Rattray und Symington, 1995].

Im Gegensatz zur HR benötigt das NHEJ keinen homologen Partner, wodurch es zellzyklusunabhängig durchgeführt werden kann [Takata, et al., 1998]. Es beruht auf der Prozessierung und nachfolgenden schlichten Verknüpfung der durch den DSB entstandenen freien DNA-Enden. Generell ist dieser Mechanismus ungenauer als die HR, da kleine Deletionen in Kauf genommen werden müssen. Da allerdings nur ca. 2% des menschlichen Genoms kodierende Funktion besitzt, werden diese Mikrodeletionen im Allgemeinen gut toleriert. Das NHEJ findet auch bei den Umbauten der Immunglobulingene statt und stellt in Säugetieren den Hauptreparaturweg für Doppelstrangbrüche dar.

Um Zeit für die DNA-Reparatur zu gewinnen, muss die Zelle nach einer DNA-Schädigung den Generationszyklus kurzfristig stoppen. Dies ist Aufgabe der Gatekeeper. Fiele diese Kontrolle weg, wären unkoordiniertes Zellwachstum und die Weitergabe potentiell krebserzeugender Mutationen an Tochterzellen die Folge.

In der G1-Phase ist die Zelle besonders stoffwechselaktiv und vollbringt die für sie typischen Leistungen und Funktionen. Der Chromosomensatz liegt in diploider Form vor. Ein Teil der Zellen verliert in der G1-Phase die Fähigkeit, sich auch weiterhin mitotisch zu teilen; diese Zellen gehen in die G0-Phase über und scheiden aus dem Generationszyklus aus (vgl. Abb. 2). In der S-Phase wird die genetische Information für die Zellteilung verdoppelt. In der sich anschließenden G2-Phase bereitet sich die Zelle auf die darauf folgende Mitose vor, indem sie energiereiche Substanzen in das Zytoplasma einlagert. Im Verlauf der Mitose wird das zuvor identisch replizierte Genom gleichmäßig auf die beiden entstehenden Tochterzellkerne verteilt.

Ein komplexes Netzwerk verschiedener interagierender Faktoren ist an der Kontrolle des Zellzyklus beteiligt. Vermutlich beinhaltet es mindestens drei Kontrollpunkte (Checkpoints), an denen die Zelle den fehlerfreien Ablauf der Zellteilung überprüft und ggf. – z. B. im Falle vorhandener Doppelstrangbrüche – den Eintritt in die nächste Phase verzögert, um zunächst den Schaden zu beseitigen (vgl. Abb. 2). Während der G1/S- und der Intra-S-Checkpoint die Replikation geschädigter DNA verzögern oder gar verhindern, sorgt der G2/M-Checkpoint dafür, dass veränderte Informationen nicht an die Tochterzellen weitergegeben werden.

Abb. 2: Die Phasen des Zellzyklus. Der Übergang von einer Phase in die folgende wird an mindestens drei Checkpoints kontrolliert.

Ist eine vorliegende DNA-Schädigung zu ausgedehnt, als dass die Mechanismen des Zellzyklusarrests und der DNA-Reparatur noch greifen könnten, wird in der Zelle der programmierte Zelltod, die Apoptose, eingeleitet. Hierbei handelt es sich um einen komplex regulierten, in der Evolution hoch konservierten Vorgang, der für den Erhalt der genomischen Stabilität der Zelle und die Prävention der Tumorentstehung unabdingbar ist. Er befähigt den Organismus, einzelne Zellen planmäßig zu eliminieren. Zahlreiche interne und externe Faktoren können das Apoptoseprogramm auslösen [Collatz, 2001]. Hierzu gehören z. B. der Entzug von Wachstumsfaktoren oder die Wirkung von TNFα und Glukokortikoiden. Ionisierende Strahlung und Zytostatika wirken über die Induktion von DNA-Schäden pro-apoptotisch.

Lichtmikroskopisch erkennt man apoptotische Zellen an charakteristischen morphologischen Veränderungen wie Bläschenbildung der Plasmamembran (membrane blebbing) und Abschnürung kleiner Vesikel (Apoptosekörperchen), Zellschrumpfung und Vakuolisierung des Zytoplasmas sowie Chromatinverdichtung und den Zerfall des Zellkerns in basophile Körper (vgl. Abb. 3). Die Zellüberreste werden rasch von Nachbarzellen oder Makrophagen aufgenommen; es kommt nicht zur Entzündungsreaktion oder Antikörperbildung. Während bei diesem Vorgang die Ultrastruktur der Zellorganellen und der Zellmembran erhalten bleiben, wird die DNA systematisch durch Endo- und Exonukleasen abgebaut [Wyllie, 1980]. Die dabei entstehenden charakteristischen DNA-Bruchstücke von ca. 180bp können angefärbt dem Apoptosenachweis dienen.

Abb. 3: Morphologischer Verlauf der Apoptose [Abb. modifiziert nacho.V., 2004, Roche Applied Science].

Im Gegensatz zur Apoptose zeichnet sich die Nekrose durch eine anfängliche Zellschwellung und den späteren Verlust der Zellmembranintegrität aus. Durch den Austritt lytischer Enzyme und Botenstoffe führt dies zur Entzündungsreaktion im umgebenden Gewebe (vgl. Abb. 4).

Abb. 4: Morphologischer Verlauf der Nekrose [Abb. modifiziert nacho.V., 2004, Roche Applied Science].

Aus biochemischer Sicht gelten zwei Wege zur Induktion der Apoptose als gesichert: der Todesrezeptorweg (death receptor pathway) und der mitochondriale Weg (vgl. Abb. 5). Beide münden in die Aktivierung cysteinabhängiger, aspartatspezifischer Proteasen, so genannter Caspasen. Sie sind die zentralen Effektorenzyme der Apoptose, die die Zelle zerlegen [Thornberry und Lazebnik, 1998]. Bis heute sind 15 verschiedene Caspasen in Säugetierzellen identifiziert worden [Joza, et al., 2002].

Beim Todesrezeptorweg binden Liganden an auf der Zelloberfläche liegende Rezeptoren (z. B. CD95/Fas, TNF1-Rezeptor, Death Receptor 3) [Hengartner, 2000; Nagata und Golstein, 1995]. Die Rezeptoren aggregieren und bilden den so genannten Death Inducing Signalling Complex (DISC) [Ashkenazi und Dixit, 1998], der über den Adapter FADD (FAS-associated death domain protein) die Caspasen 8 und 3 aktiviert.

Der mitochondriale Weg wird überwiegend durch intrazelluläre Stimuli wie DNA-Schäden, Glukokortikoide oder Störungen im Redoxgleichgewicht ausgelöst. Eine zentrale Rolle spielt hier der Tumorsuppressor p53, dessen Gehalt in der Zelle innerhalb von Minuten nach einer DNA-Schädigung ansteigt [Vogelstein, et al., 2000; Zhan, et al., 1993]. p53 führt unter anderem zur Aktivierung von Proteinen der bcl-2-Familie und der BAX-Subfamilie, die sich daraufhin an die äußere Mitochondrienmembran heften und zur Freisetzung von Cytochrom C führen [Adams und Cory, 1998]. Dies bewirkt die Ausbildung des so genannten Apoptosoms – einem Komplex aus Cytochrom C, Apaf-1 und Caspase 9 [Cain, et al., 1999] – der wiederum die Caspase 3 aktiviert, dem gemeinsamen Endmolekül beider Apoptosewege. Abbildung 5 zeigt den Ablauf beider Wege im Überblick.

Apaf 1: Apoptotic protease activating factor, Chk2: Checkpoint-Kinase 2, CytC: Cytochrom C, FADD: Fas-associated death domain protein, FasL: Fas-Ligand, Nur77: Nuclear Hormone Receptor TR53. Abb. 5: Zwei Wege der Apoptoseinduktion sind bekannt: Beim Todesrezeptorweg (extrazellulär) wird der Oberflächenrezeptor Fas durch Bindung entsprechender Liganden (FasL) aktiviert. Dies führt zur Ausbildung eines membrangebundenen Death Inducing Signalling Complex (DISC), bestehend aus FADD, Fas und Procaspase 8. Der DISC aktiviert 'Downstream'-Caspasen, die die Zelle zerlegen. Der mitochondriale Weg wird durch intrazelluläre Stimuli wie z. B. DNA-Schädigung ausgelöst und p53-abhängig oder -unabhängig an die Mitochondrien übermittelt. Über Freisetzung von CytC kommt es zur Ausbildung des Apoptosoms, das wiederum die Procaspase 3, das gemeinsame Endmolekül beider Apoptosewege, aktiviert [Abb. modifiziert nachHengartner, 2000].

Auch p53-unabhängige Apoptose ist beschrieben worden [Han, et al., 1995; Seki, et al., 1994]. So können Nur77 [Li, et al., 2000], Caspase 2 [Tinel und Tschopp, 2004], p73 [Melino, et al., 2004] oder Chk2 [Yang, et al., 2002] auch ohne das Mitwirken von p53 das Apoptoseprogramm auslösen (vgl. Abb. 5).

Die Apoptose unterliegt einer strengen und komplexen Kontrolle durch Gatekeeper-Gene. Ungleichgewichte im Netzwerk pro- und antiapoptotischer Faktoren haben fatale Folgen für die Zelle. So wurden Erkrankungen wie Parkinson, Rheuma, Aids oder Herzerkrankungen bereits in Zusammenhang mit übermäßiger Apoptose gestellt. Demgegenüber spielt derVerlust der Apoptoseinduktion eine wichtige Rolle in der Krebsentstehung [Igney und Krammer, 2002].

Auch wenn zahlreiche an der Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen, der Zellzykluskontrolle und der Apoptoseregulation beteiligte Gene bereits identifiziert wurden, ist man von einem eigentlichen Verständnis, wann welcher 'pathway' in der Zelle eingeschlagen wird, weit entfernt. Dies hängt nicht zuletzt damit zusammen, dass einzelne Gene in mehrere Schritte involviert sein und sehr komplexe Rückkopplungsmechanismen vorliegen können. Es sollte daher anstelle von 'pathways' besser von einem Netzwerk der Genwirkung gesprochen werden. Ein derartiges, evolutionär entstandenes Netzwerk zeichnet sich auch durch seine Pufferwirkung aus: Der Ausfall eines Gens kann von anderen kompensiert werden.

Die Ausprägung des Nijmegen-Breakage-Syndroms ist sehr variabel [The International Nijmegen-Breakage-Syndrome Study Group,The_International_Nijmegen-Breakage-Syndrome_Study_Group, 2000]. Zu den Hauptmerkmalen der Erkrankung zählen die schwere Mikrozephalie, kombiniert mit Entwicklungs-verzögerung, Immundefizienz und einem erhöhten Krebsrisiko [Seemanova, et al., 1985]. Lebensbegrenzend sind die meist schon im Jugendalter auftretenden malignen Lymphome, angeführt von der Gruppe der Non-Hodgkin-Lymphome.

Phänotypisch zeigen NBS-Patienten eine charakteristische kraniofaziale Dysmorphie. Parallel zur Mikrozephalie entwickelt sich ein prominentes Mittelgesicht mit langer Nase und breitem Philtrum. Weiterhin fallen dünnes Haar, eine fliehende Stirn, Mikrogenie sowie tiefsitzende Ohrmuscheln auf.

Abb. 6: Geschwisterpaar mit Nijmegen-Breakage-Syndrom. Das Bild wurde freundlicherweise von Prof. Dr. E. Seemanova (Prag) zur Verfügung gestellt.

75% der Patienten zeigen bereits bei der Geburt eine Mikrozephalie, die sich bei 25% erst innerhalb der ersten Lebensmonate manifestiert. Im kranialen MRT finden sich verkleinerte Frontallappen kombiniert mit einer Einengung der lateralen Ventrikel [Bekiesinska-Figatowska, et al., 2000; Van de Kaa, et al., 1994]. Als Ursache der Mikrozephalie werden ein reduziertes Gehirnwachstum und die vorzeitige Fusion der Schädelknochen diskutiert. Die geistige Entwicklung ist bei 35% der Patienten normal, bei 45% zeigt sich ein IQ im unteren Normbereich, 20% zeigen eine mäßige Retardierung.

Eines der Hauptmerkmale des NBS ist der Minderwuchs. Während Geburtsgewicht und -länge noch im Normbereich liegen, fällt die Körpergröße im Laufe der Entwicklung unter die 10. Perzentile. Im Alter von zwei Jahren liegt in der Regel bereits ein manifester Kleinwuchs vor. Das Körpergewicht verhält sich dabei proportional zur Körperlänge [Chrzanowska, et al., 1995].

Abb. 7: Kopfumfang und Längenwachstum zweier männlicher NBS-Patienten. Abbildung der Daten mit freundlicher Genehmigung von Prof. Dr. E. Seemanova (Prag).

An Hautmanifestationen sind Vitiligo, Café-au-lait-Flecken sowiesklerale Tele-angiektasien beschrieben.

Immunologisch finden sich eine gestörte humorale und zelluläre Immunität. Allerdings variiert auch hier die Ausprägung stark. So sind etwa 10% der Patienten hinsichtlich des Immunglobulinstatus unauffällig [Gregorek, et al., 2002; Weemaes, et al., 1994]. Die Mehrheit der Patienten weist jedoch einen selektiven oder kombinierten IgG- und IgA-Mangel auf [van Engelen, et al., 2001]. Bis zu einem Drittel der Fälle imponieren mit einer Agammaglobulinämie. Die zelluläre Immunität ist bei mehr als 90% der Patienten eingeschränkt. Dies zeigt sich in einer milden bis mäßigen Lymphopenie, niedrigen CD3+- und CD4+-Helferzellspiegeln und einer reduzierten CD4+/CD8+ Suppressorzell-ratio. In vitro ist die T-Lymphozytenproliferation nach Mutagenbehandlung ebenfalls gestört [Weemaes, et al., 1994]. Klinisch kommt es zu rezidivierenden Infektionen der oberen und unteren Atemwege. Harnwegs- und gastrointestinale Infekte treten gehäuft auf.

Das Risiko, an Krebs zu erkranken, ist bei NBS-Patienten stark erhöht [Seemanova, et al., 1985]. Etwa 40% der Patienten entwickeln bereits bis zum 20. Lebensjahr eine bösartige Neubildung, wobei Lymphome an erster Stelle stehen. 18 von 48 registrierten polnischen Patienten erkrankten schon vor dem 15. Lebensjahr an einem malignen Lymphom. Auffällig ist zudem die für das Kindesalter unübliche Verteilung der Lymphome: Non-Hodgkin-Lymphome (NHL), hier insbesondere das ‘diffuse large B-cell-lymphoma’ (DLBL), treten unverhältnismäßig häufig auf [Seidemann, et al., 2000]. Ebenso das periphere T-Zell-Lymphom (AILD) – hier liegt das durchschnittliche Erkrankungsalter in der Bevölkerung bei 61 Jahren – findet sich gehäuft unter NBS-Patienten. Lediglich vier NBS-Patienten sind bisher an für das Kindesalter typischen Neoplasien – der akuten lymphoblastischen Leukämie (ALL) und dem Medulloblastom – erkrankt. Lange umstritten war die Frage, ob auch NBS-Heterozygote ein erhöhtes Krebsrisiko besitzen. Nach aktuellem Forschungsstand ist damit zu rechnen [Steffen, et al., 2004].

Auf zytogenetischer Ebene zeigt sich beim NBS eine erhöhte spontane Brüchigkeit der Chromosomen. Typisch sind dabei Rearrangements unter Beteiligung der Chromosomen 7 und 14, wobei die Bruchpunkte sich besonders häufig im Bereich der Immunglobulin- und T-Zellrezeptorgene befinden [Chrzanowska, et al., 1995; van der Burgt, et al., 1996].

NBS-Patienten zeigen eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber ionisierender Strahlung, deren therapeutische Anwendung für die Patienten lebensbedrohlich sein kann [Distel, et al., 2003]. Auf zellulärer Ebene zeigt sich die Radiosensitivität durch eine im Vergleich mit Kontrollzellen mindestens doppelt so hohe Sterberate primärer und transformierter NBS-Patientenzellen nach Bestrahlung [van der Burgt, et al., 1996]. Zudem ist die Rate an Chromosomenaberrationen in NBS-Zellen nach Bestrahlung verglichen mit Kontrollzellen drastisch erhöht, wobei es sich meist um Schäden vom Chromatid-Typ handelt [Antoccia, et al., 1997; Antoccia, et al., 1999; Taalman, et al., 1983].