Genetik und Diagnose lysosomaler Speicherkrankheiten

Alle LSDs mit Ausnahme von zwei, Fabry-Krankheit und MPS Typ II (Hunter-Krankheit), werden autosomal-rezessiv vererbt. Fabry- und Hunter-Krankheiten werden als X-chromosomal-rezessive Merkmale vererbt. Die meisten Mutationen, die einzelne LSDs verursachen, führen zu Veränderungen einzelner Aminosäuren in der Polypeptidkette des Enzyms, was zu fehlender oder defekter Funktion führt. Die Gene, die für die meisten lysosomalen Proteine kodieren, wurden kloniert, und es gibt keine offensichtliche Ansammlung dieser Gene im Genom. In einigen Fällen wurden auch nichtfunktionelle Pseudogene beschrieben, die in ein nichtfunktionelles Protein transkribiert oder übersetzt werden können oder nicht. Obwohl es kein Clustering der lysosomalen Gene gibt, zeigen die meisten ein koordiniertes Transkriptionsverhalten und werden durch TFEB reguliert.4,17 Im LSDs wird TFEB häufig vom Zytoplasma zum Zellkern transloziert, um die Expression anderer lysosomaler Proteine zu „aktivieren“ und die lysosomale Biogenese zu verbessern. Dies ist ein Mechanismus, durch den Zellen versuchen, lysosomale Dysfunktion zu kompensieren. Da jedoch die neu gebildeten Lysosomen bei diesen Krankheiten den gleichen primären Stoffwechseldefekt behalten, kann dies zu einer Verstärkung der Krankheitspathologie führen.

Die mutierten Proteine bei LSD-Patienten können stabil sein und an Lysosomen abgegeben werden (wenn auch mit reduzierter katalytischer Funktion) oder instabil sein, wenn nur teilweise oder nicht an Lysosomen abgegeben wird. Die Wirkungen der einzelnen Mutationen können je nach normalem Expressionsmuster der Enzyme auch zell- und gewebespezifisch sein. Im Allgemeinen entwickeln heterozygote „Träger“ einzelner Mutationen in einem lysosomalen Gen keine klinischen Symptome der Störung, außer bei den X-chromosomalen Störungen. Zum Beispiel können bei der Fabry-Krankheit X-Inaktivierungsmuster zu Zellclustern ohne Enzymaktivität führen, und weibliche Individuen, die eine α-Galactosidase A-Mutation tragen, können eine krankheitsbedingte Pathologie entwickeln.18 Darüber hinaus ist bekannt, dass ein lysosomales Gen, SMPD1, das für saure Sphingomyelinase (ASM) kodiert, „väterlich geprägt“ ist (d.h., vorzugsweise vom mütterlichen Chromosom exprimiert), was darauf hindeutet, dass NPD-Individuen vom Typ A und B, die „schwere“ SMPD1-Mutationen auf dem mütterlichen Chromosom erben, stärker betroffen sein können als diejenigen, die die gleichen Mutationen vom väterlichen Chromosom erben.19 Dies deutet auch darauf hin, dass einige NPD-Träger vom Typ A und B mit maternal abgeleiteten Mutationen klinische oder Labormanifestationen der Störung aufweisen könnten, und es gibt mindestens einen Bericht, der sehr niedrige Serum-Lipoproteinspiegel mit hoher Dichte bei solchen Trägerpersonen dokumentiert.20

Diagnostische Assays für Patienten mit Verdacht auf LSDs beruhen im Allgemeinen auf der Messung spezifischer enzymatischer Aktivitäten in isolierten Leukozyten, kultivierten Fibroblasten oder transformierten Lymphoblasten. Bei einigen Erkrankungen stehen auch Trägeridentifikation und Pränataldiagnostik zur Verfügung. Da der Nachweis der einzelnen Enzymaktivitäten jedoch oft komplex ist (z.B., verwendet unnatürliche Substrate, Detergenzien und andere spezifische Testbedingungen) wird empfohlen, die enzymatische Bestätigung von Verdachtsfällen in spezialisierten Labors durchzuführen, die mit diesen Methoden vertraut sind. Da es sich bei den meisten LSDs-Leukozyten und Hautfibroblasten nicht um klinisch relevante Zelltypen handelt, sind diese Testmethoden bestenfalls indirekte Maßnahmen für die Funktion des defekten lysosomalen Proteins an den pathologischen Stellen. Aus diesem Grund ist die Vorhersage des klinischen Ergebnisses aus diesen In-vitro-Messungen im Allgemeinen nicht zuverlässig.21 Beispielsweise weisen Zellen von Patienten mit der infantilen, neurologischen Form der ASM-defizienten NPD (Typ A) und der später einsetzenden, nicht-neurologischen Form (Typ B) häufig ähnliche enzymatische Restaktivitäten auf, obwohl ihr klinischer Verlauf deutlich unterschiedlich ist. Dies spiegelt wahrscheinlich die Funktion der einzelnen mutierten ASM-Polypeptide im Gehirn wider. Zahlreiche andere Beispiele existieren auch für andere LSDs, eine einzigartige Herausforderung für die Vorhersage phänotypischer Ergebnisse bei neu diagnostizierten Patienten.

Wie bereits erwähnt, wurden für die meisten einzelnen LSDs viele genetische Anomalien identifiziert. Für die meisten Krankheiten wurden multiple Mutationen gefunden, und die meisten davon sind einzigartig (d. H. Privat) für einzelne Familien. Für einige LSDs gibt es jedoch spezifische Populationen, die wiederkehrende Mutationen aufweisen können, die durch Nebenwirkungen und / oder Blutsverwandtschaft verursacht werden, was die Verwendung von DNA-basierten Screening-Methoden zum Nachweis des LSD erleichtert. Dies wurde am effektivsten in die klinische Anwendung in der aschkenasischen jüdischen Bevölkerung übersetzt, in der eine relativ kleine Anzahl von Mutationen für mehrere LSDs verantwortlich ist.22 Dies hat zur Einrichtung eines DNA-basierten „Jewish Genetic Disease“ -Screening-Panels und zur populationsbasierten Identifizierung von Trägerpersonen für dieselbe Störung geführt. Solche Personen werden zur genetischen Beratung überwiesen, um die Familienplanung und die Auswahl des Schwangerschaftsergebnisses zu unterstützen. Die Durchführung eines solchen Screenings hat zu einer dramatischen Verringerung der Inzidenz einiger Krankheiten in dieser Population geführt (z. B. infantile Tay-Sachs-Krankheit) und wird wahrscheinlich auch zur Prävention anderer Erkrankungen führen. Die rasche Entwicklung kostengünstiger Sequenzierungsmethoden mit hohem Durchsatz wird wahrscheinlich auch andere Populationen und Erkrankungen für diese DNA-basierten Screening-Ansätze öffnen.23 Es ist jedoch wichtig anzumerken, dass die funktionellen Konsequenzen der meisten DNA-Anomalien auf die Proteinfunktion nicht bestätigt wurden, und daher sollten DNA-basierte Methoden allein nicht verwendet werden, um klinische Ergebnisse bei Patienten vorherzusagen, es sei denn, die biochemischen Konsequenzen dieser Anomalien sind vollständig etabliert. Im Allgemeinen sollte die Bestätigung eines LSD-Verdachts sowohl durch enzymatische als auch durch DNA-basierte Studien erfolgen, und nur in seltenen Fällen sind diese Labortests nützlich, um klinische Ergebnisse vorherzusagen.