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3  ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK

In den letzten fünf Jahren ist es uns gelungen, drei neue genetische Krankheitsbilder aus dem Kreis der pädiatrischen Endokrinologie klinisch zu beschreiben und deren genetische Grundlage aufzuklären. Hierbei waren vor allem die klinischen Erscheinungsbilder ungewöhnlicher Patienten, die neben bekannten hormonellen Ausfällen durch assoziierte Defekte auffielen, für die gezielte Suche nach genetischen Defekten ausschlaggebend. In allen drei Fällen konnten die assoziierten Symptome durch den primären genetischen Defekt molekular geklärt werden. Mittlerweile ist bei weiteren Patienten ein Mutationsnachweis gelungen und der zuerst von uns beschriebene Phänotyp konnte jeweils bestätigt werden.

Neben der Bedeutung für die Grundlagenwissenschaft, stellte die Aufklärung der drei Gendefekte einen echten Nutzen für die betroffenen Familien dar, da sie bis dahin über viele Jahre im Ungewissen über das nicht beschriebene Krankheitsbild ihrer Kinder gelebt hatten und sich aus der Beschreibung der molekularen Pathophysiologie erste neue Therapieoptionen ergeben könnten.

POMC Gendefekt

Die klinische Trias einer schweren frühmanifesten Adipositas, eines sekundären Hypocortisolismus und roter Haare war Anlaß zur Identifikation der ersten Mutationen im POMC Gen. Diese besondere Symptom-Trias spiegelt die drei Hauptfunktionen der POMC Genprodukte in der hypothalamischen Gewichtsregulation, der hypophysären Regulation der Cortisolsekretion und der Beeinflussung der Pigmentierung der Haare und der Haut wieder. Nachdem die Funktion des POMC Spaltprodukts ACTH für die Corisolsekretion aus der Nebennierenrinde und des POMC Spaltprodukts MSH für die Pigmentbildung in der Haut seit Jahrzehnten bekannt war, gelang erst 1996 der Nachweis, dass MSH-Peptide eine zentrale Rolle in der hypothalamischen Körpergewichtsregulation der Nager spielen. Entsprechend dieser neuen Befunde gelang uns 1997 der Mutationsnachweis im POMC Gen von zwei Kindern die bereits mehrere Jahre in der pädiatrischen endokrinologischen Sprechstunde mit einem ACTH Mangel betreut worden waren und bei denen eine schwere Adipositas vorlag. Darüber hinaus fiel auf, daß beide Kinder rothaarig waren. Mit dem Nachweis, daß bei POMC Gendefekt eine schwere frühmanifeste Adipositas resultiert, konnte die Bedeutung der hypothalamischen Funktion des POMC Gens in der gewichtsregulierenden [Seite 28↓]Leptinantwort, die kurz zuvor bei Nagern entdeckt worden war, für den Menschen bestätigt werden. Mittlerweile konnten wir in einer europäischen Kooperation drei weitere Kinder mit der gleichen klinischen Trias diagnostizieren und bei allen dreien fanden sich Mutationen des POMC Gens. Kürzlich gelang uns ein weiterer Mutationsnachweis bei einer konsanguinen türkischen Familie (unpublizierte Daten, Zusammenarbeit mit Dr. Akkurt, Kinderklinik Eppendorf, Hamburg). Hier zeigte sich, daß die rote Haarpigmentierung nur transient auftreten kann und sich im Verlauf der ersten Lebensjahre die Haarfarbe ins Braune änderte.

Nachfolgend wurden von anderen Arbeitsgruppen Mutationen im Rezeptor der hypothalamischen POMC Peptide, dem MC4-Rezeptor, bei Patienten mit schwerer frühmanifester Adipositas beschrieben (Yeo et al.1998, Vaisse et al. 1998). Diese Arbeiten konnten die zentrale Rolle des POMCs in der neuro-endokrinen Regulation des Körpergewichts bestätigen. Obwohl monogene Defekte nur bei sehr wenigen Kindern mit Adipositas gefunden werden –maximal 3-5% der stark übergewichtigen Kinder weisen einen MC4R Gendefekt auf (Farouqui et al. 2003)- konnte dennoch anhand der genetischen Defekte eine wesentliche Aussage zur Physiologie der Gewichtsregulation des Menschen geleistet werden. Einen besonders interessanten Aspekt stellt hierbei die Tatsache dar, daß sich insbesondere für den MC4-Rezeptor eine sehr deutliche Dosiswirkung zeigen ließ, da die meisten der bisher identifizierten Mutationsträger heterozygot sind und somit wahrscheinlich schon die Reduktion der verfügbaren MC4-Rezeptormoleküle auf die Hälfte des normalen Niveaus zu einer erheblichen Gewichtszunahme führen kann. Diese Dosisabhängigkeit konnten wir in unserer neuesten Arbeit auch für die heterozygoten POMC Mutationsträger, wenn auch in geringerem Ausmaß, nachweisen. Somit scheint ein sehr genaues Austarieren der Regulation der Genexpression dieser hypothalamischen „Schalter“ der Gewichtsregulation des Menschen einen zentralen Steuerungsmechanismus der individuellen Festlegung des Gewichtsollwertes („Set-points“) darzustellen.

Ob diese Erkenntnisse bei der Suche nach pharmakologischen Strategien zur Behandlung der normalen-endemischen Adipositas hilfreich sein werden, ist noch offen. Nach der Entdeckung des Leptins bestand für kurze Zeit die Hoffnung, daß mit der Gabe von rekombinantem Leptin ein großer Teil der übergewichtigen Patienten behandelt werden könnte. Es zeigte sich aber rasch, daß die meisten adipösen Menschen bereits sehr hohe endogene Leptinspiegel aufweisen und daß somit eine Leptinresistenz bei schwerer Adipositas vorzuliegen scheint. Entsprechend verliefen [Seite 29↓]Behandlungsversuche mit Leptin auch sehr enttäuschend (Lee et al. 2002). Daher werden nun große Hoffnungen in eine mögliche Therapieform mit POMC-MSH ähnlichen Substanzen gesetzt, die über die Aktivierung des MC4-Rezeptors zu einer Gewichtsabnahme schwer übergewichtiger Patienten führen könnten. Leider läßt sich die hypothalamische Konzentration der POMC Peptide nicht messen, so dass die entscheidende Frage, ob die nachgewiesene Leptinresistenz auf einen hypothalamischen Mangel an POMC oder auf eine Resistenz des MC4-Rezeptors zurückgeführt werden kann, nicht zu beantworten ist. Ein relativer Mangel der POMC Bildung bei schwer übergewichtigen Patienten würde eine pharmakologische Therapie mittels MC4-Rezepor Agonisten rechtfertigen. Darüber hinaus hat sich leider gezeigt, daß die kurzfristige Gabe der bisher bekannten stark MC4-Rezeptor aktivierenden Substanzen eine sexuelle Stimulation im Sinne rasch auftretender Erektionen bewirkt (Wessels et al. 2000). Diese „Nebenwirkung“, die mittlerweile als neue Indikation der POMC Peptide erprobt wird, läßt eine langfristige Gabe von diesen Substanzen als Behandlungsoption bei Adipositas als sehr unpraktikable erscheinen. Leider erschwert diese neue Entdeckung der sexuellen Stimulation den Einsatz der bisher verfügbaren hochpotenten MC4-Rezeptoragonisten für die Behandlung der schwersten Adipositas bei den von uns beschriebenen POMC defizienten Patienten.

Für unsere Arbeitsgruppe haben sich aus diesen ersten molekularen Arbeiten zur Genetik der Gewichtsregulation weitere Projekte ergeben. Studien zur Regulation der hypothalamischen POMC Genexpression führen wir zur Zeit in Kollaboration mit der Arbeitsgruppe von Malcolm Low, Vollum Institut Portland, Oregon durch. Detaillierte Struktur-Funktions-Untersuchungen von neu beschriebenen MC4-Rezeptor Mutationen, sowie die Charakterisierung der ersten Funktionsverlustmutation des beta-MSH Peptids des POMC sind Gegenstand eines DFG-SFB Teilprojekts (577-B3) und werden in Kollaboration mit Prof. Gudermann, Universität Marburg und Dr. Tschoep, Universität Cincinnati, USA durchgeführt.

Letztlich ist es das gemeinsame Ziel dieser Arbeiten, die molekulare Grundlage des Verlusts an adäquater Körpergewichtsregulation im Verlauf der zur Zeit stattfindenden Adipositasendemie zu verstehen, und gegebenenfalls eine gezielte pharmakologische Therapie entwickeln zu können.

[Seite 30↓]LHX3 Gendefekt

Die Klonierung des Wachstumshormongens vor 25 Jahren und dessen kommerzielle Verwertung in Form der Herstellung und Vertreibung von rekombinantem menschlichen Wachstumshormon stellt den Beginn der pädiatrisch-molekularen Endokrinologie dar. Dementsprechend gelangen die ersten Nachweise von Gendefekten des Endokrinums im Bereich der Wachstumshormonsynthese und Wirkung. Auch auf dem jüngsten Gebiet der molekularen pädiatrischen Endokrinologie, der genetischen Entwicklungsdefekte endokriner Organe, war das Wachstumshormon ausschlaggebend, da erstmals 1992 der Nachweis einer Mutation in einem Transkriptionsfaktorgen -dem PIT1 Gen- bei Patienten mit Wachstumshormonmangel und Hypoplasie der Hypophyse gelang.

Mittlerweile sind eine große Zahl von Transkriptionsfaktor-Genen bekannt, die in der frühen Embryogenese der Hypophyse eine zentrale Rolle spielen. Neben PIT-1 Genmutationen wurden bisher Mutationen vor allem im sogenannten PROP1 Gen gefunden. Bei diesen Patienten finden sich neben dem Wachstumshormonmangel weitere, zum Teil variable Hypophysenhormonausfälle, die ausschließlich die Adenohypophyse betreffen.

In internationalen Kooperationen werden zur Zeit Mutationen in weiteren Transkriptionsfaktorgenen bei Patienten mit kombiniertem Hypophysenausfall und Dysgenesie der Hypophyse gesucht.

Die ersten Mutationen im sogenannten LHX3 Transkriptionsfaktor-Gen, das in den sehr frühen Stadien der embryonalen Hypophysenreifung exprämiert wird, konnten bei Kindern beschrieben werden, die in der pädiatrischen Endokrinologie der Charite mit einem kombinierten Hypophysenausfall seit vielen Jahren betreut werden. Wegweisend für die Identifikation der ersten LHX3 Gendefekte war das besondere Hormonausfallsmuster mit erhaltener ACTH-Sekretion bei sonst komplettem Adenohypophysenausfall. Diese Konstellation mit noch erhaltener ACTH Sekretion entsprach den Befunden des LHX3-knockout Mausmodells bei dem als einzige hypophysäre Zellinie kortikotrope Zellen gefunden wurden. Dieses Muster lag bei drei betroffenen Kindern einer konsanguinen Familie sowie bei einem Jungen konsanguiner Eltern zusammen mit einer Hypoplasie der Hypophyse vor. Darüber hinaus zeigten die betroffenen Kinder eine besondere Auffälligkeit der Halsregion mit einer gedrungen wirkenden Haltung bei hochgezogener Schulterpartie und einer eingeschränkten Halsrotation (90° statt der normalerweise möglichen 180°). Dieses klinische Bild war zunächst in der ersten Familie mit den drei betroffenen Kindern aufgefallen und nach [Seite 31↓]Erhalt des ersten Mutationsnachweis in dieser Familie konnte in der weiteren klinischen Betreuung von Kindern mit kombiniertem Hypophysenausfall der zweite Patient auf Grund der gleichen charakteristischen zervikalen Auffälligkeit identifiziert werden.

Eine genauere Darstellung der Halsregion mittels Röntgen und MRT ergab keine auffälligen morphologischen Befunde der Halswirbelsäule oder der autochtonen Nackenmuskulatur. Demnach scheint es sich bei der sehr auffälligen Halsbewegungsstörung um eine rein funktionelle und nicht morphologische Veränderung zu handeln. In neueren Arbeiten zur Funktion des LHX3 Gens der Maus zeigte sich vor kurzem, dass der LHX3 Transkriptionsfaktor neben der Entwicklung der Hypophyse ebenfalls die Entwicklung der Motorneurone des frühen Spinalmarks zu regulieren scheint (Thaler et al. 2002). Auf Grund dieser neuesten Arbeiten könnte man folgern, daß die eingeschränkte zervikale Beweglichkeit der LHX3 defizienten Patienten in einer gestörten Reifung der zervikalen Motorneurone begründet sein könnte. Unsere Beobachtung, daß unter intensiver physiotherapeutischer Behandlung eine deutliche Besserung der cervikalen Beweglichkeit zu erzielen ist, spricht ebenfalls gegen eine primär morphologische Störung und für einen funktionelle, neurologischen Defekt.

In einer sehr breit angelegten weltweiten Mutationssuche, in die bereits mehr als 300 Patienten mit kombiniertem, angeborenem Hypophysenausfall eingeschlossen wurden, konnte bei ca. 15% der Patienten eine PIT1 oder PROP1 Genmutation nachgewiesen werden. Kürzlich wurde berichtet, daß in dieser Untersuchung erstmals auch drei Patienten mit LHX3 Genmutation identifiziert werden konnten, die alle den gleichen Hormonausfall und die gleiche zervikale Auffälligkeit aufweisen (42. Annual meeting, ESPE, 2003, Poster 1-137 Pfäffle et al).

Somit kann man zusammenfassen, daß mit der klinischen Beschreibung und dem positiven Mutationsnachweis im LHX3 Gen ein neues syndromales Krankheitsbild mit kombiniertem Hypophysenausfall und eingeschränkter zervikaler Beweglichkeit erstmals beschrieben werden konnte und daß dieser besondere Phänotyp kürzlich anhand drei neuer Fälle durch eine andere Arbeitsgruppe bestätigt wurde.

[Seite 32↓]NKX2.1 Gendefekt

Die angeborene Hypothyreose stellt die häufigste und am besten behandelbare angeborene Störung des Hormonsystems des Menschen dar, ist aber gleichzeitig auch die molekular am wenigsten Verstandene.

Bei mehr als 80% der Fälle liegt eine Fehlbildung der Schilddrüse vor, so daß man bei diesen Schilddrüsendysgenesien von einer embryonalen Reifungsstörung der Schilddrüse ausgehen kann. Auf Grund von verschiedenen Mausmodellen sind fünf mögliche Kandidatengene der Schilddrüsendysgenesie ins Zentrum der Pathogeneseforschung der Schilddrüsendysgenesien gerückt. Hierzu zählt der TSH-Rezeptor über den das fetale und postnatale Wachstum der Schilddrüse reguliert wird und vier Transkriptionsfaktorgene die in der frühen Organogenese der Schilddrüse expremiert werden (PAX8, TTF2, NKX2.1 und Hex) und bei deren gezielter Inaktivierung bei den betroffenen Mäusen eine schwere Schilddrüsendysgenesie resultierte.

Entsprechend dieser Vorgaben wurden in den homologen menschlichen Genen Mutationen bei Patienten mit Schilddrüsendysgensien gesucht. Zunächst gelang dies für das TSH-Rezeptorgen. Unsere Arbeitsgruppe konnte den ersten Patienten mit kombiniert-heterozygoter Funktionsverlustmutation des TSH-Rezeptorgens bei leichter Hypoplasie der Schilddrüse beschreiben. Seither sind Mutationen des TSH-Rezeptors nur in ganz wenigen Fällen gefunden worden.

Zusammen mit der Italienischen Arbeitsgruppe von Prof. DiLauro, Neapel konnten wir die ersten Mutationen im PAX8 Gen beschreiben, die heterozygot vorliegen und bei Funktionsverlust des Genprodukts im Sinne einer Haploinsuffiziens zu verschieden ausgeprägter Schilddrüsendysgenesie bei Patienten mit angeborener Hypothyreose führen können. Kürzlich konnten wir bei zwei der mittlerweile acht identifizierten Berliner Patienten mit PAX8 Mutation eine assoziierte Nierenfehlbildung nachweisen, was im Einklang mit der Expression des PAX8 Gens in der Nierenanlage steht (unpublizierte Daten). Wie weitere Arbeiten anderer Arbeitsgruppen zeigen, liegt auch der PAX8 Gendefekt nur bei sehr wenigen Patienten vor (Lilain et al. 2001).

Dieses Grundthema der Schilddrüsendysgenesie mit assoziierter Fehlbildung, das bei den bisher identifizierten Transkriptionsfaktordefekten der Schilddrüse auffiel, liegt auch bei dem von uns kürzlich beschriebenen Krankheitsbild des NKX2.1 Gendefekts vor. Das NKX2.1 Gen wird in der sich entwickelnden Schilddrüse, aber auch in der Lungenknospe und in Kernen des embryonalen und fetalen Vorderhirns expremiert. [Seite 33↓]Bei gezielter Inaktivierung resultiert in der knock-out-Maus eine Schilddrüsen­dysgensie, eine Lungenagenesie und eine Fehlbildung der Basalganglien. Entsprechend dieses Mausphänotyps konnten wir Patienten mit einer Schilddrüsendysgenesie mit assoziierter Basalganglienstörung im Sinne einer Choreoathetose und zum Teil mit pulmonaler Symptomatik wie eine neonatale Anpassungsstörung oder gehäufte starke pulmonale Infektionen identifizieren. Bei zwei Eltern dieser Patienten die keine offensichtliche Bewegungsstörung aufwiesen und nicht hypothyreot waren, konnte die gleiche NKX2.1-Mutation nachgewiesen werden die zuvor bei ihren Kindern diagnostiziert worden war. Eine gezielte neurologische Untersuchung bzw. eine gezielte Anamnese ergaben bei diesen Patienten den Hinweis, daß in der Kindheit choreoathetotische Bewegungsstörungen vorgelegen hatten, von denen leichte Residuen noch zu diagnostizieren waren. Diese neuesten Erkenntnisse unserer Arbeitsgruppe stehen im Einklang mit den Ergebnissen einer holländischen Arbeitsgruppe, die mit unserer Unterstützung bei vier familiären Fällen von dominant vererbter nicht-progredienter Chorea ohne Hypothyreose heterozygote Funktionsverlustmutationen nachweisen konnten. Fasst man diese Ergebnisse zusammen, so ergibt sich das Bild einer zuvor noch nicht beschriebenen Erkrankung, die bei allen Betroffenen mit einer Bewegungsstörung einhergeht und in unterschiedlicher Ausprägung mit einer Schilddrüsenfunktionsstörung assoziiert sein kann; nur in den wenigsten Fällen traten auch pulmonale Probleme auf. Hierbei ist hervorzuheben, daß die Bewegungsstörung nicht progredient verläuft, sondern im Gegenteil nach der Pubertät eine Besserungstendenz aufweist.

Auf Grund dieser neuen Erkenntnisse kann unter anderem erklärt werden, warum sich trotz einer adequaten und früh einsetzenden Behandlung einer angeborenenen Hypothyreose dennoch neurologische Defizite ergeben. Dies ist im Sinne der Beratung der betroffenen Eltern mit der Möglichkeit einer Pathogenesegestützten Einschätzung der Entwicklungsmöglichkeit ihrer Kinder ein wesentlicher klinischer Fortschritt. Auch ist das Wissen über die Möglichkeit der Hypothyreose-unabhängigen Störung des ZNS bei Patienten mit angeborener Hypothyreose mit Transkriptionsfaktordefekten ein wesentlicher Aspekt bei der Bewertung von Qualitätsssicherungsmaßnahmen der angeborenen Hypothyreosebehandlung.

Neben diesen klinischen Aspekten ergeben sich durch die Beschreibung der besonderen Form der monogenen Choreoathetose der NKX2.1 Mutationsträger vielfältige weitere Fragestellungen bezüglich der Regulation und Funktion des NKX2.1 Gens die über die Pathogeneseforschung der Hypothyreose hinausreichen. Um diesen Fragen unter anderem weiter nachzugehen, haben wir eine enge Kooperation mit der [Seite 34↓]Arbeitsgruppe von Dr. Rohr (Institut für Entwicklungsbiologie, Universität Köln) aufgebaut, die sich mit der NKX2.1 Genfunktion in der Embryogenese des Zebrafisches beschäftigt. Aus dem Speziesvergleich und Dank der Möglichkeit verschiedene Varianten des menschlichen Gens in einem transgenen Zebrafischansatz testen zu können, hoffen wir in Zukunft mehr über die Rolle des NKX2.1 Gens zu erfahren.


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13.09.2004