Genetische Untersuchungen der Selenoproteinbiosynthese bei Kindern mit unbehandelbarer Epilepsie

Abstract

Das Spurenelement Selen wird als 21. natürliche Aminosäure Selenocystein kotranslational in Selenoproteine eingebaut. Die Rolle der meisten Selenoproteine ist bisher nur unzureichend bekannt und Gegenstand aktueller Forschung. Mehr als die Hälfte des Plasma-Selengehaltes tritt an Selenoprotein P gebunden auf. Nach derzeitigem Wissensstand wurde diesem Protein eine Transportfunktion für Selen zugesprochen. Untersuchungen bei Mäusen mit genetischer Inaktivierung von Selenoprotein P in unserem Labor deuten auf eine bisher unbekannte Rolle von Selenoproteinen im Gehirn hin. Weitere Studien bei transgenen Mäusen mit spezifischer Inaktivierung der Biosynthese von Selenoproteinen in Nervenzellen sprechen außerdem für Aufgaben von Selenoproteinen bei der Gehirnentwicklung. Ob Mutationen in Selenoproteinen oder Störungen der Selenoproteinexpression einen pathogenetischen Mechanismus für neurodegenerative Erkrankungen beim Menschen darstellen, konnte bisher nicht geklärt werden. Eine Gruppe von neun Kindern mit angeborener, therapieresistenter Epilepsie ohne erkennbare Ursache, jedoch mit erniedrigten Selenwerten im Blut, zeigte eine erhebliche Besserung der Symptomatik unter adäquater Selensubstitution. Unter der Hypothese, dass ein Defekt in der Selenoproteinbiosynthese für diese neuronalen Ausfälle verantwortlich sein könnte, war es Ziel der vorliegenden Arbeit, die Gene dieser Patienten für Selenoprotein P sowie für vier weitere essentielle Faktoren des Selenocystein- Metabolismus auf Mutationen hin zu untersuchen. Es handelte sich dabei um den Selenocystein-spezifischen Elongationsfaktor EFSec, die in die Selenocystein- Insertion involvierten Proteine SBP2 und RPL30, sowie die am Abbau von Selenocystein beteiligte ß-Lyase Scly. Neben einigen stillen Basentauschen in kodierenden Regionen und heterozygoten Polymorphismen in untranslatierten Bereichen der untersuchten Gene wurden auch mehrere bereits veröffentlichte Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs) bei einem Teil der Probanden nachgewiesen. Trotz erheblicher Allelfrequenz dieser Varianten in der Allgemeinbevölkerung kann eine Relevanz in Verbindung mit weiteren Mutationen im Rahmen einer Compound Heterozygotie ebensowenig wie der Einfluss auf die Proteinexpression durch veränderte Genregulation ausgeschlossen werden. Im Gen für EFSEC wurde ein bisher unpublizierter Aminosäureaustausch entdeckt. Seine Bedeutung für den Phänotyp des betroffenen Patienten sollte Gegenstand weiterführender Untersuchungen sein. Schließlich konnte bei zwei der Patienten eine Deletion von vier Basenpaaren im 3'-untranslatierten Bereich von Selenoprotein P nachgewiesen werden. Im Gegensatz zu Kontrollen, welche dieselbe Deletion aufwiesen, besaßen diese Patienten im gleichen Gen weitere Polymorphismen, bei denen es sich um bekannte SNPs handelt. Da bei einer Kombination solcher Veränderungen - auch hier im Sinne einer Compound Heterozygotie - Folgen für den Phänotyp denkbar sind, sollten weitere Experimente ihre Relevanz für die Erkrankung der beschriebenen Patienten klären.

The trace element selenium is being co-translationally incorporated into selenoproteins as the 21st amino acid selenocysteine. The roles of most of these proteins are still under study. More than half of the plasma selenuim content is bound in selenoprotein P. The wealth of data suggests a selenium transport role for selenoprotein P. Studies on the targeted deletion of the selenoprotein P gene in mice pointed to a hitherto unexpected function of selenoproteins in brain. Further investigations on trangenic mice with neuron- specific inactivation of selenoprotein biosynthesis support a role for selenoproteins in brain development. It is still unclear whether mutations in selenoproteins or disturbed selenoprotein expression represents a pathogenetic mechanism in human neurodegenerative disease. A group of children suffering from inborn intractable seizures without any known cause, but with low plasma selenium levels, showed a significant clinical improvement when supplemented adequately with selenium. Therefore, we hypothesized that a disruption in the biosynthesis of selenoproteins could be responsible for the neuronal disfunction observed in these patients. It was the purpose of this study to analyze their genes for selenoprotein P as well as those for four other essential cofactors in selenocysteine metabolism: the selenocysteine-specific elongation factor EFSec; SBP2 and RPL30, proteins involved into the selenocysteine insertion into the peptide chain; and the ß-lyase Scly, catalyzing the decomposition of selenocysteine. Apart from some synonymous base exchanges in the translated parts and some heterozygous polymorphisms in the untranslated regions of the studied genes, several already published single nucleotide polymorphisms (SNPs) have been found in some of the patients. In spite of their high allelic frequency in the general population, neither a relevance due to compound heterozygocity nor an influence on protein expression by a modified gene regulation can be fully excluded. Within the gene for EFSec, a novel amino acid exchange has been discovered. Its importance for the phenotype of the respective patient should be elucidated in further studies. Finally, a four-basepair-deletion in the 3'-untranslated region of the selenoprotein P gene has been found in two of the patients. Unlike the controls who showed the same deletion, these patients also had some other polymorphisms, known SNPs, on the same gene. As the combination of such modifications - once again in the sense of compound heterozygocity - can result in a different phenotype, future experiments should clarify their importance for the disease of the reported patients.