Die Spinale Muskelatrophie mit Atemnot Typ 1 (SMARD1) ist eine genetisch bedingte neuromuskuläre Erkrankung Neugeborener, die durch eine Degeneration der a-Motoneuronen hervorgerufen wird. SMARD1-Patienten zeigen eine distal betonte Muskelatrophie mit einer infolge einer Zwerchfelllähmúng auftretenden Ateminsuffizienz, wodurch sich das klinische Bild deutlich von der klassischen Spinalen Muskelatrophie Typ I (SMA1) unterscheidet. In Vorarbeiten der Arbeitsgruppe wurde nachgewiesen, dass SMARD1 durch Mutationen im Immunoglobulin µ-binding protein 2 (IGHMBP2)-Gen verursacht wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurden nun die klinische und genetische Heterogenität von SMARD und SMARD1, Genotyp-Phänotyp-Beziehungen bei SMARD1-Patienten und die enzymatische Aktivität von Wt-IGHMBP2 und verschiedenen SMARD1-Mutanten untersucht.
In einem Patientenkollektiv (n=70) mit Spinaler Muskelatrophie mit Atemnot (SMARD) konnte ich 15 neue SMARD1-Patienten (21%) mit 10 bisher noch nicht beschriebenen IGHMBP2-Mutationen diagnostizieren. Der relative niedrige Anteil der SMARD1-Patienten in diesem Kollektiv legt nahe, dass die SMARD auch genetisch heterogen ist. Diesem Gedanken folgend konnte ich unter den anderen, als non-SMARD1-Patienten bezeichneten Betroffenen, zwei distinkte Gruppen mit in sich kohärenten Symptomenmustern durch hierarchische Clusteranalyse identifizieren und beschreiben. Wahrscheinlich liegen den verschiedenen Symptomenkomplexen unterschiedliche genetische Ursachen zugrunde.
Bei zwei weiteren Patienten konnte ich genomische Rearrangements im IGHMBP2-Locus nachweisen, die durch verschiedene Prozesse entstanden sind und bei der standardisierten Sequenzierung der Exone und der exon-flankierenden Bereiche des IGHMBP2-Gens Mutationen übersehen wurden.
Erstmalig konnte ich klinische Heterogenität bei der SMARD1 zeigen. Bei zwei SMARD1-Patienten, deren Krankheitsverlauf sich von der charakteristischen infantilen Manifestation der Atemnot durch eine späte, juvenile Manifestation der Atemnot unterschied, habe ich Mutationen im IGHMBP2-Gen identifiziert. Weitergehende Untersuchungen zur Genotyp-Phänotyp-Relation schließen die Möglichkeit nicht aus, dass die restliche IGHMBP2-Enzymaktivität einen protektiven Effekt ausüben kann, sofern ausreichende Mengen vorhanden sind.
Da bei SMARD1-Patienten Missense-Mutationen nur in dem Teil des IGHMBP2-Gens gefunden werden, der für die Helikasedomäne des Proteins kodiert wurde die enzymatische Aktivität des IGHMBP2 in vitro charakterisiert und der Effekt von SMARD1-Mutationen bestimmt. Diese Untersuchungen haben ergaben, dass IGHMBP2 eine strikt ATP-abhängige 5 -3 RNA/DNA-Helikase ist, während fast alle der überprüften SMARD1-bezogenen IGHMBP2-Varianten einen deutlichen Verlust der RNA/DNA-Helikase-Aktivität aufweisen. Dies macht deutlich, dass SMARD1 durch eine Dysregulation des zellulären RNA/DNA-Metabolismus in Motoneuronen verursacht wird. Hypothesen zu der betroffenen zellulären Funktion von IGHMBP2 in der SMARD1 und Modelle für den Pathomechanismus, der zur selektiven Degeneration der a-Motoneuronen führt, werden diskutiert.
Spinal muscular atrophy with respiratory distress type 1 (SMARD1) is a hereditary neuromuscular disease in infants which is characterized by the degeneration of anterior horn cells. SMARD1 patients present with a distally marked muscular atrophy and respiratory distress due to the paralysis of the diaphragm. These clinical key features distinguish SMARD1 from the classical spinal muscular atrophy type I (SMA1). Previous studies have shown that SMARD1 results from mutations in the gene coding for Immunoglobulin µ-binding protein 2 (IGHMBP2). In this work, I investigated the clinical and genetic heterogeneity of SMARD and SMARD1 as well as the genotype-phenotype relationships in SMARD1 patients and the enzymatic activities of Wt-IGHMBP2 and various SMARD1-related mutants.
15 new SMARD1 cases (21%) with 10 novel IGHMBP2 mutations were identified in a cohort of infants affected by spinal muscular atrophy with respiratory distress (SMARD). The relatively small part of SMARD1 patients within the analyzed patient group suggests that SMARD is genetically heterogeneous. Thus, I could determine two distinct groups of non-SMARD1 patients with different symptom patterns by means of hierarchical cluster analysis. I assume that mutations in different genes may be responsible for the clinical picture of both patient groups.
In two further patients I could identify two genomic rearrangements at the IGHMBP2 gene locus which have arisen from different pathogenic processes and may be missed by the mere and standardized sequencing of exons and exon- flanking regions.
Furthermore, two SMARD1 patients with IGHMBP2 gene mutations who presented with a highly uncharacteristic juvenile onset of respiratory distress could be described for the first time. This finding demonstrates clinical variability in SMARD1. The subsequent investigation of genotype-phenotype relationships provided evidence that residual IGHMBP2 activity might exert a protective effect if present in sufficient amounts.
Based on the observation that IGHMBP2 missense mutations were only affecting the helicase domain of the IGHMBP2 protein I characterized the enzymatic activity of Wt-IGHMBP2 and various mutants in vitro. Indeed, Wt-IGHMBP2 exhibited a strictly ATP-dependent 5 -3 RNA/DNA helicase activity while most of the SMARD1-related IGHMBP2 mutant proteins displayed no unwinding activity. This finding suggests that SMARD1 results from a dysregulation of the cellular RNA/DNA metabolism in motor neurons. Hypotheses about the affected cellular functions of IGHMBP2 and possible pathomechanisms leading to the specific degeneration of motor neurons are discussed.
