Am 4. Dezember besuchte ich die Klinik für besondere Kinder im Herzen von Pennsylvania Dutch Country, wo ein winziges Team mehr als 2000 Patienten mit einer Vielzahl von Erbkrankheiten betreut. Im Beitrag von letzter Woche wurde eine Familie beschrieben, in der 5 von 6 Kindern ein Anfallsleiden haben, das auch autistische Züge aufweist. Die Untersuchung dieses Syndroms in den letzten 15 Jahren veranschaulicht sehr schön die Entwicklung der Methoden zur Entdeckung von Genen, bevor die Sequenzierung uns in ein neues technologisches Zeitalter katapultierte. (Achtung: Jargon voraus.)
VERBINDUNG VON PHÄNOTYP ZU GENOTYP
Um das Gen zu identifizieren, das hinter einer noch nicht diagnostizierten Erkrankung eines Kindes steckt, vergleichen Forscher heute die Exom-Sequenzen (proteincodierender Teil des Genoms) der Eltern und möglicherweise der Geschwister, um die ursächlichen Genvarianten (Allele) zu identifizieren. Das geht schnell.
In der Vor-Genom-Ära folgten die Forscher einem indirekten Weg, um vom Phänotyp zum Genotyp zu gelangen:
– Feststellung, dass die Symptome „familiär gehäuft auftreten“
– Feststellung, dass die Krankheit bei eineiigen Zwillingen häufiger vorkommt als bei zweieiigen Zwillingen und bei Geschwistern von Patienten häufiger als in der Allgemeinbevölkerung.
– Identifizierung abnormaler Chromosomen bei Menschen mit der Krankheit.
– Verwendung von genomweiten Assoziationsstudien (GWAS) zur Identifizierung von Mustern genetischer Variationen (an Gruppen von Einzelbasen, den so genannten Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs)), die auf eine krankheitsverursachende Variante hindeuten könnten.
– Identifizierung des Gens und Herstellung eines Mausmodells zur Erprobung von Behandlungen.
Als die Amischen in den frühen 1700er Jahren die Schweiz verließen, um religiöser Verfolgung zu entgehen, und sich in Pennsylvania niederließen, brachten sie einen Teil des europäischen Genpools mit. Die Fortpflanzung untereinander verstärkte die Mutationen und führte zu „Läufen der Autozygotie“ in ihren Genomen – Abschnitte von Chromosomen, die auf beiden Kopien die gleichen DNA-Sequenzen aufweisen. Läufe von Autozygotie zeigen an, dass zwei Verwandte eine Reihe von Genvarianten von einem gemeinsamen Vorfahren geerbt haben, wie z. B. Cousins zweiten Grades von einem Urgroßelternteil. Diese Allele, die als „identisch durch Abstammung“ (IDB) bezeichnet werden, sind ein leistungsfähiges Instrument für die Entdeckung von Genen, wenn sie ausschließlich bei Personen auftreten, die dieselbe Krankheit haben.
Die Verbindung zu den Amis
Der Junge, den ich in der Klinik kennengelernt habe, und vier seiner fünf Geschwister haben das Syndrom der kortikalen Dysplasie und fokalen Epilepsie (CDFE). Es entsteht durch eine einzige fehlende DNA-Base in einem Gen namens CNTNAP2.
Wie viele Geschichten über die Entdeckung von Genen begann auch die Entdeckung, dass Mutationen in CNTNAP2 für eine Reihe von Gehirnkrankheiten verantwortlich sind – Autismus, Krampfanfälle, Schizophrenie, Tourette-Syndrom und Sprachstörungen – mit verschiedenen Fäden. Konzentrieren wir uns auf den Zusammenhang mit Autismus.
Selbst die ältesten genetischen Techniken zeigen eine vererbte Komponente bei Autismus. Bei eineiigen Zwillingen ist die Wahrscheinlichkeit, dass beide betroffen sind, viel größer als bei zweieiigen Zwillingen; Geschwister eines Kindes mit Autismus haben ein 75-mal höheres Risiko als die Allgemeinbevölkerung.
Im Jahr 1998 identifizierte das International Molecular Genetic Study of Autism Consortium mit Hilfe von GWAS sechs Regionen im Genom, die mit Menschen mit Autismus in Verbindung stehen – der Spitzenreiter befand sich auf dem langen Arm des siebtgrößten Chromosoms, oder „7q.“
Im Jahr 1999 wiesen Forscher auf CASPR2 hin, eine Art von Protein, das als Neurexin bezeichnet wird und, wenn es anormal ist, die Weiterleitung eines Nervenimpulses unterbricht. Neurexine bilden zusammen mit anderen Proteinen, den so genannten Neuroliginen, die Synapsen, die sich bilden, wenn ein kleines Kind beginnt, die Welt zu erkunden, und die das Gedächtnis zum Lernen konsolidieren.
Im Jahr 2003 wurde über Chromosomenumlagerungen berichtet, die das Gen, das für CASPR2 kodiert, CNTNAP2, bei Menschen mit Tourette-Syndrom stören, und im Jahr 2007 bei Menschen, die an geistiger Behinderung, Entwicklungsverzögerung, Sprachstörungen und Hyperaktivität, aber nicht am Tourette-Syndrom leiden. Diese unterschiedlichen Bedingungen sind nicht überraschend – die Auswirkungen variieren, je nachdem, wo im Gehirn der Neurexinspiegel unausgewogen ist.
Im Jahr 2006 brachten Forscher der Clinic For Special Children und des Translational Genomics Research Institute eine Mutation in CNTNAP2 mit dem CDFE-Syndrom bei eng verwandten amischen Kindern in Verbindung. Die Anfälle beginnen etwa in dem Alter, in dem autistische Merkmale auftreten – mit 14 bis 20 Monaten.
Bevor die Anfälle beginnen, sind die Symptome des CDFE-Syndroms subtil: leichte motorische Verzögerungen, schlechte tiefe Sehnenreflexe und ein etwas zu großer Kopf. Die Kinder haben Schwierigkeiten, sich zu konzentrieren, Menschen zu imitieren und Bewegungen zu planen, z. B. Krabbeln, Kreuzen und Gehen. Die Anfälle sind häufig und schwerwiegend, und ihr Auftreten läutet das Abklingen der sprachlichen, kognitiven und sozialen Fähigkeiten ein. Nach einigen Jahren hören die Anfälle auf, aber der Intellekt bleibt in der Kindheit stecken, und die Person benötigt lebenslange Pflege.
Kevin Strauss, MD, Erik Puffenberger, PhD, und Holmes Morton, MD, von der Klinik und ihre Kollegen verwendeten 100.000-SNP-Mikroarray-Geräte, um die DNA von vier Kindern mit CDFE-Syndrom aus drei amischen Familien zu analysieren. Sie fanden eine 7,1 Millionen Basen lange autozygote Region in dem verdächtigen Bereich auf 7q. (Heutzutage erkennen Algorithmen Autozygotie in Exom-Sequenzen sehr schnell.)
Die 7,1 Millionen Basen umfassen 83 Gene, aber nur wenige machten Sinn. Das Team sequenzierte zunächst ein Gen namens CENTG3, von dem bekannt ist, dass es andere Gehirnstörungen verursacht. Aber die kranken Kinder hatten keine Mutationen in diesem Gen.
Dann fand Dr. Puffenberger, der Genetiker des Teams, eine Abkürzung: Er bemerkte einen SNP in der Mitte von CENTG3, der bei zwei Kindern heterozygot war (zwei verschiedene Varianten) und nicht homozygot (dieselbe Variante in beiden Chromosomenkopien), was das Ende der Region der identischen Abstammung markiert. „Ein Rekombinationsereignis in der Mitte des Gens ermöglichte es Eric, einen Großteil des Gens loszuwerden und die Mutation zu finden. Das ist ein perfektes Beispiel für ‚der Zufall begünstigt den vorbereiteten Verstand'“, sagte Dr. Morton. Durch diese Entdeckung wurde die interessierende Region auf 7q auf 3,8 Millionen Basen reduziert.
Das zweite Kandidatengen, CNTNAP2, erstreckt sich über die interessierende Region. Jedem Kind fehlte auf beiden Kopien von Chromosom 7 eine einzige Base, und beide Elternteile hatten die gleiche Mutation, allerdings nur in einer Kopie. Sie sind Träger. Das war das erste Mendelsche Gesetz bei der Arbeit.
Das Team hatte sein Gen gefunden. Dann untersuchten sie die Gemeinschaft weiter, und unter 105 gesunden Amish-Personen waren vier Träger. Neun von 18 Patienten aus 7 Familien, die partielle Anfälle, aber keine spezifische Diagnose hatten, hatten das CDFE-Syndrom.
Die Anfälle waren rätselhaft. „Eine Mutation kann verschiedene Arten von Anfällen verursachen. Vier Kinder in einer Familie reagieren unterschiedlich. Einige sind stark behindert, andere nicht“, sagte Dr. Morton. Drei Kinder wurden operiert, um die Anfälle zu lindern, aber die Erleichterung war nicht von Dauer. Die Operationen lieferten jedoch Proben von Hirngewebe, die es den Forschern ermöglichten, besser zu beschreiben, was falsch lief.
Die Verbindungen in den anfallsgefährdeten Gehirnen sind ein Chaos. Die Grenzen zwischen grauer und weißer Substanz verschwimmen, und einige Teile der Großhirnrinde sind verdickt. Die Neuronen selbst sind nicht ganz in Ordnung. Sie sind zu rund, zu dicht gepackt, mit gestörten Dendritenbäumen. Punkte auf den Neuronen deuten auf zu viele Kerne von Glia hin, den Stützzellen, die den größten Teil des Nervensystems ausmachen. Der Forschungsbericht von 2006 wurde poetisch und beschrieb die Amygdala, den Sitz der Emotionen, in den Gehirnen der Epileptiker als „exzentrische mikroskopische Inseln teilweise ausgereifter neuronaler Vorläufer in engen Clustern“, die von Amok laufenden Glia umhüllt sind.
Das Porträt des amischen Epilepsiegehirns machte Sinn im Lichte der Arbeiten über das Neurexin-Protein CASPR2 (was für Contactin-associated protein-like 2 steht). Das Neurexin bildet ein Gerüst an den Ranvier-Knoten. Die Knoten sind die freiliegenden Stellen auf einem Axon zwischen Kissen aus Myelin, dem isolierenden Material, das eigentlich aus den Zellmembranen von Glia besteht, die um das Neuron gewickelt sind wie ein Pflaster um einen Finger. Die Nervenimpulse durchqueren die Knoten und senden Nachrichten schnell genug, um das Leben zu erhalten.
Die CASPR2-Proteine der Amish-Kinder sind verkümmert. Sie durchqueren die Zellmembranen der Neuronen nicht so, wie sie sollten, und tauchen in das Zytoplasma ein, so dass nahe gelegene Kaliumkanäle zusammenbrechen. Diese Kanäle ermöglichen es normalerweise, dass Kaliumionen aus den Nervenzellen herausströmen, wenn ein Impuls weitergegeben wird, und setzen ihn zurück. Ohne das Neurexin-Gerüst kann sich das Neuron also nicht selbst zurücksetzen. Die Übertragung kommt zum Stillstand. Und irgendwie kommt es dann zu Krampfanfällen. Ich glaube nicht, dass bekannt ist, ob die Anfälle die autistischen Merkmale auslösen oder ob sie direkt entstehen – weitere genetische Studien sollten das zeigen.
EIN MUSE-MODELL
Daniel Geschwind, MD, PhD und Professor für Neurologie an der David Geffen School of Medicine an der UCLA, arbeitete an Autismusgenen und las den Artikel 2006 im New England Journal of Medicine. „Er rief an und sagte: ‚Sie haben mein Gen gefunden! Es begann eine nette Zusammenarbeit, und er stellte eine Maus mit der Amish-Mutation her“, sagte Dr. Morton. Bei den Mäusen wurde das CNTNAP2-Gen ausgeschaltet, und wie Menschen haben sie Anfälle und autistische Züge.
„Normalerweise läuft eine Maus im Käfig herum, normalerweise ist sie gesellig und plappert. Diese Mäuse waren weder das eine noch das andere“, erklärte Dr. Morton. Die Mäuse zeigten auch sich wiederholende Verhaltensweisen und hatten Anfälle.
Die Gehirne der mutierten Mäuse zeigten ein abnormales Konnektivitätsmuster, das an die früheren histologischen Arbeiten erinnert. „Der vordere Teil des Gehirns spricht hauptsächlich mit sich selbst. Es kommuniziert nicht so viel mit anderen Teilen des Gehirns und hat keine weitreichenden Verbindungen zum hinteren Teil des Gehirns“, sagte Dr. Geschwind. Die Gruppe hatte ähnliche Anomalien in den Gehirnen von Kindern mit Autismus nachgewiesen.
Die auffallende Ähnlichkeit zwischen den amischen Kindern und den Mäusen bietet ein Testfeld für Medikamente. Risperidon, das zur Behandlung repetitiver Verhaltensweisen bei Kindern verschrieben wird, hatte bei den Mäusen die gleiche Wirkung und verbesserte zudem ihre Fähigkeit zum Nestbau. Aber das Medikament hilft den Kindern nicht, soziale Kontakte zu knüpfen.
Ein offensichtlicher Kandidat für ein Medikament zur Verbesserung der sozialen Fähigkeiten ist das „Liebeshormon“ Oxytocin. Es ist in denselben Gehirnneuronen reichlich vorhanden, die auch reich an CASPR2-Protein sind. Könnte zu wenig Oxytocin autistische Züge hervorrufen? Die Ergebnisse der Supplementierung von Oxytocin sind vielversprechend, sowohl bei Mäusen als auch bei Kindern.
Dr. Geschwind und Mitarbeiter fanden heraus, dass ein Nasenspray mit Oxytocin die sozialen Defizite bei Mäusen „dramatisch verbessert“. Da nicht-autistische Mäuse nicht darauf reagierten, scheint das Hormon tatsächlich ein Defizit auszugleichen.
Amische Bauern geben Kühen bereits Oxytocin, um ihre Gebärmuttermuskeln zu kontrahieren, und ich erinnere mich, dass ich es bekam, um eine ins Stocken geratene Geburt wieder in Gang zu bringen. Aber versuchen Sie das nicht zu Hause. Derzeit laufen mehrere klinische Studien zu Oxytocin oder zu Medikamenten, die seine Aktivität im Gehirn erhöhen, um die Sozialisierung von Kindern mit Autismus zu verbessern.
Autism Speaks finanzierte 2010 die erste klinische Studie mit Oxytocin, und das NIH sponsert eine größere laufende Studie mit Oxytocin-Nasenspray. Soweit ich weiß, wurden die Patienten jedoch auf der Grundlage klinischer Diagnosen gemäß DSM-IV aufgenommen – und nicht auf der Grundlage des spezifischeren Kriteriums des Genotyps.
Obwohl die Idee, Oxytocin zur Verbesserung der sozialen Symptome bei Autismus auszuprobieren, nicht voraussetzte, dass die zugrunde liegende Mutation bekannt war, können solche Informationen die Schlussfolgerungen präziser machen, indem sie den Mechanismus berücksichtigen – was zur Entwicklung anderer Behandlungen führen kann. In einem anderen Beitrag werde ich darauf eingehen, wie die genetische Präzision es Dr. Morton ermöglichte, Heilmittel für bestimmte angeborene Stoffwechselstörungen zu entwickeln, die bei den Amischen viel häufiger vorkommen, aber dennoch auf den Neugeborenen-Screens aller Menschen auftauchen.