Analyse der CpG-Methylierung des PAX8-Gens bei Patienten mit Schilddrüsendysgenesie

Abstract

Die primäre konnatale Hypothyreose ist der häufigste angeborene Defekt des endokrinen Systems und tritt mit einer Inzidenz von 1:3-4000 Neugeborenen auf. Aus ätiologischer Sicht bilden die Schilddrüsendysgenesien wie Athyreose, Hypoplasie, Ektopie und Hemithyroidea die größte Gruppe der konnatalen Hypothyreosen. Diese lassen sich auf einen frühen Entwicklungsdefekt zurückführen und treten überwiegend sporadisch auf. Bei monozygoten Zwillingen erkrankt in der Mehrzahl der Fälle nur ein Zwilling an konnataler Hypothyreose. In Mausmodellen konnten vier Kandidatengene, die in der frühen Entwicklung der Schilddrüse eine Rolle spielen, identifiziert werden: Pax8, FOXE-1, Nkx2.1 und Hex1. Mutationen in diesen Genen konnten beim Menschen jedoch nur wenige Fälle der konnatalen Hypothyreose klären. Diese Arbeit hat die Hypothese eines epigenetischen Fehlers als möglichen postzygotischen Mechanismus als Erklärung für das sporadische Vorkommen der konnatalen Hypothyreose sowie der Diskordanz monozygoter Zwillinge verfolgt. Untersucht wurde die DNA-Methylierung bei Patienten mit konnataler Hypothyreose sowie bei 5 diskordanten Zwillingspaaren im PAX8-Gen als dem bisher einzig bekannten Transkriptionsfaktor, bei dem Mutationen zu einer isolierten konnatalen Hypothyreose führen können. Dabei wurde die Hypothese verfolgt, ob Veränderungenin der DNA-Methylierung vergleichbar einer PAX8-Funktionsverlust- Mutation zu der Entstehung einer konnatalen Hypothyreose führen können. Im Bereich des PAX8-Gens wurden beim Menschen drei CpG-Inseln identifiziert, von denen zwei aufgrund ihrer Position als putativer Enhancer oder Promotor angesehen werden können und sich im Mausgenom in vergleichbarer Weise darstellen ließen. Zunächst wurde das Methylierungsmuster anhand von Blutleukozyten-DNA der drei CpG-Inseln gesunder Probanden sowie im Gewebevergleich (Schilddrüse, Wangenschleimhaut) mittels Bisulfitbehandlung ermittelt. Dabei zeigten sich in allen untersuchten Bereichen fest etablierte Methylierungsmuster, die sich sowohl zwischen verschiedenen Individuen als auch in verschiedenen Geweben des gleichen Individuums nicht unterschieden. Lediglich im putativen Promotorbereich zeigte sich eine schilddrüsenspezifische Hypomethylierung. Im Anschluss wurden die Methylierungsmuster bei Patienten mit konnataler Hypothyreose sowie bei diskordanten Zwillingen anhand von Blutleukozyten-DNA untersucht. Dabei zeigten sich keinerlei Abweichungen gegenüber den Methylierungsmustern gesunder Probanden. Auch in der Gruppe der diskordanten Zwillinge mit konnataler Hypothyreose ließen sich in allen untersuchten Fragmenten keine Unterschiede zwischen erkrankten Zwillingen, gesunden Zwillingen und Kontrollpersonen nachweisen. Die Möglichkeit einer schilddrüsenspezifischen Hypermethylierung im 5´-Bereich des putativen Promotors ließ sich nicht ausschließen, da von den Patienten ausschließlich Blutleukozyten-DNA zur Verfügung stand.

Primary congenital hypothyroidism is the most common congenital disorder of the endocrine system affecting 1 in 3000-4000 newborns. Congenital hypothyroidism is most commonly caused by defects in thyroid development leading to thyroid dysgenesis including thyroid aplasia, thyroid hypoplasia, thyroid ectopy or hemithyroidea. Most cases in literature are sporadic. The majority of monozygotic twins reported with thyroid dysgenesis have been discordant. Transcription factors associated in the early development of the thyroid gland are Pax8, FOXE-1, Nkx2.1 and Hex1. So far identified genetic defects explain only a small proportion of cases of congenital hypothyroidism. The hypothesis of this study was that an epigenetic disorder as a postzygotic mechanism might be the cause for the sporadic incidence of congenital hypothyroidism and for the discordance in monozygotic twins. Therefore, the DNA methylation in the PAX8 gene was analyzed of patients with congenital hypothyroidism and of five discordant twins with congenital hypothyroidism. PAX8 is the only known transcription factor in which a mutation can lead to isolated congenital hypothyroidism. It was investigated if alterations in the DNA methylation might result in a congenital hypothyroidism comparable to a loss-of-function mutation of PAX8. There have been three CpG-islands identified in the PAX8-gene of which two because of their position could be considered as a putative enhancer or promoter and which have been found in a similar way in the mouse Pax8. In a first step the methylation pattern of the three CpG-islands of healthy controls were characterized in DNA of peripheral leucocytes, in thyroid tissue and in buccal mucosa by a bisulfit technique. In all investigated areas highly conserved methylation pattern were found which were not different between individuals nor between different tissues. Only in the putative promotor area a thyroid specific hypomethylation was found. In a second step the methylation pattern of patients with congenital hypothyroidism and of discordant twins was investigated in DNA of peripheral leucocytes. No alterations in comparison to healthy controls were found. Also, in the group of discordant twins with congenital hypothyroidism no differences were investigated between affected twins, healthy twins and healthy controls. Since only DNA of peripheral leucocytes was available from the patients the possibility of a thyroid specific hypermethylation in the 5’-area of the putative promotor could not be excluded as a pathophysiologic mechanism.