Identifizierung und Charakterisierung genetischer Ursachen von Skelettdysplasien

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Suche nach krankheitsverursachenden Genen für verschiedene Skelettdysplasien und Bindegewebserkrankungen. Dabei stellen sich gerade die Skelettdysplasien als ausgesprochen heterogenes Krankheitsbild dar, an deren vielfältiger Ausprägung eine große Anzahl von Genen beteiligt ist, welche sich wiederum in unterschiedlichen Stoffwechselwegen auswirken. In dieser Arbeit wurden fünf Familien mit verschiedenen Skelettdysplasien untersucht. Methodik: In einer Familie mit Skelettdysplasie (Familie 1) unbekannter genetischer Ursache wurde eine genomweite Kopplungsanalyse durchgeführt. Für die Einengung der Krankheitsregion wurden weitere Familienglieder einbezogen und zusätzliche Mikrosatellitenmarker typisiert. Innerhalb der resultierenden Region wurden positionelle und funktionelle Kandidatengene sequenziert. Für funktionelle Nachweise der Mutation wurden Expressionsanalysen an verschieden Mausgeweben (Leber, Knochen, Haut, Herz, Aorta, Osteoklast und Osteoblast) durchgeführt. Danach wurden Lokalisation und Enzymaktivität in Fibroblasten von Patienten und gesunden Kontrollen durch die Immunfluoreszenzmarkierung bestimmt. Für Familien mit Skelettdysplasie (Familien 2-5) und eindeutiger klinischer Verdachtsdiagnose wurden die krankheitsrelevanten Gene (EXT1, LEMD3 und LBR) sequenziert. Ergebnisse: In Familie 1 konnte eine homozygote Mutation (c.830G>A, p.R277Q) im B3GAT3-Gen bei 5 Indexpatienten mit der Ausbildung eines komplexen Phänotyps mit Gelenkdislokationen und kongenitalem Herzdefekt in Verbindung gebracht werden. B3GAT3 kodiert eine beta-1,3-glucuronyltransferase 3, welche Glykosaminoglykane mit spezifischen Proteinen bei der Biosynthese von Proteoglykanen verknüpft. Desweiteren konnte im Exostosin-1 (EXT1) Gen eine bis dahin nicht in der Literatur beschriebene splice-site Mutation identifiziert werden, die in einer Familie (Familie 2) mit Osteopoikilosis und Exostose für die Ausprägung einer multiplen Exostose verantwortlich ist. EXT1, welches als Glycosyltransferase in der Heparansulfat-Biosynthese für eine Kettenverlängerung sorgt, ist ebenfalls in die Proteoglykansynthese involviert. Neben diesen Mutationen wurden Mutationen in der Sterolreduktase-Domäne des LBR-Gens (Lamin B Rezeptor) identifiziert, welche gewöhnlich Zellkernfunktionsstörungen verursachen. Hier wird der Cholesterinstoffwechsel gestört, was mit einer weiteren Skelettdysplasie (Familien 3-5), der letalen Form der Greenberg-Dysplasie, einhergeht. Schlussfolgerung: Mutationen in Genen der Proteoglykan-Synthese oder des Cholesterinstoffwechsels können nach unseren Daten Skelettdysplasien verursachen.

The current work attends to the search for disease-causing genes of several skeletal dysplasias and connective tissue diseases. At this, the skeletal dysplasias show themselves as an entirely heterogeneous syndrome. Many genes, which have an impact on different metabolic pathways, are involved in its diverse form. In this work five families with different skeletal dysplasias were examined. Methods: A genome-wide linkage analysis was performed in a family (family 1) with a skeletal dysplasias of unknown cause. More family members were integrated and additional microsatellite markers were used to narrow the disease region. Within the resulting region, positional and functional candidate genes were sequenced. For functional proofs of the mutation, expressional analyses were performed in different mice tissues (liver, bones, skin, heart, aorta, osteoclast and osteoblast). Afterwards the localization and enzyme activity in fibroblasts of patients were determined by the immunofluorescence staining. The disease relevant candidate genes EXT1, LEMD3 and LBR were sequenced in the families (families 2-5) with skeletal dysplasias and a clinical suspected diagnosis. Results: In five index patients of the first family, a homozygous mutation (c.830G>A, p.R277Q) in the B3GAT3 gene was associated with the development of a complex phenotype with joint dislocations and congenital heart defect. The B3GAT3 encodes a beta-1,3-glucoronyltranferase, which links glycosaminoglycans with specific proteins at the biosynthesis of proteoglycans. In addition, a previously not described splice-site mutation was identified in the Exostosin-1 gene (EXT1). This mutation is responsible for the development of a multiple exostosis in a family, which is affected by osteopoikilosis and exostosis (family 2). The EXT1, which causes a chain extension as a glycosyltransferase in the heparansulfate biosynthesis, is also involved in the proteoglycansynthesis. Furthermore mutations in the sterol reductase domain of the LBR gene (Lamin B receptor), which usually cause dysfunctions of the nucleus, were identified. In this case, another form of a skeletal dysplasia, the lethal form of the Greenberg-dysplasia, results from the disturbance of the cholesterine metabolism. Conclusion: By reference to our results, mutations in genes of the proteoglycan- synthesis or in the cholesterine metabolism can cause skeletal dysplasias.