Genetische Untersuchungen: Indikationen, Methoden

In den letzten Jahren ist ein Anstieg des Anteils erblicher Erkrankungen am Gesamtbild der Krankheiten zu beobachten. In diesem Zusammenhang nimmt die Rolle der genetischen Forschung in der praktischen Medizin zu. Ohne Kenntnisse der medizinischen Genetik ist eine wirksame Diagnose, Behandlung und Vorbeugung erblicher und angeborener Erkrankungen nicht möglich.

Eine erbliche Veranlagung ist wahrscheinlich bei fast allen Krankheiten vorhanden, ihr Ausmaß variiert jedoch erheblich. Betrachtet man die Rolle erblicher Faktoren bei der Entstehung verschiedener Krankheiten, lassen sich folgende Gruppen unterscheiden.

• Krankheiten, deren Ursprung vollständig durch genetische Faktoren bestimmt wird (Einfluss eines pathologischen Gens); zu dieser Gruppe gehören monogene Krankheiten, deren Vererbung den Grundregeln der Mendelschen Gesetze unterliegt (Mendelsche Krankheiten), und der Einfluss der äußeren Umgebung kann nur die Intensität bestimmter Manifestationen des pathologischen Prozesses (seiner Symptome) beeinflussen.
• Krankheiten, deren Auftreten hauptsächlich durch den Einfluss der äußeren Umgebung (Infektionen, Verletzungen usw.) bestimmt wird; die Vererbung kann nur einige quantitative Merkmale der Körperreaktion beeinflussen und die Merkmale des Verlaufs des pathologischen Prozesses bestimmen.
• Krankheiten, bei denen die Vererbung ein ursächlicher Faktor ist, für deren Manifestation jedoch bestimmte Umwelteinflüsse erforderlich sind, deren Vererbung nicht den Mendelschen Gesetzen folgt (nicht-Mendelsche Krankheiten); sie werden als multifaktoriell bezeichnet.

Erbkrankheiten

Die Entwicklung jedes Einzelnen ist das Ergebnis des Zusammenspiels genetischer und umweltbedingter Faktoren. Der Satz menschlicher Gene wird während der Befruchtung festgelegt und bestimmt dann zusammen mit Umweltfaktoren die Entwicklungsmerkmale. Die Gesamtheit der Gene eines Organismus wird als Genom bezeichnet. Das Genom als Ganzes ist relativ stabil, kann jedoch unter dem Einfluss sich ändernder Umweltbedingungen zu Veränderungen – Mutationen – führen.

Die Grundbausteine der Vererbung sind Gene (Abschnitte des DNA-Moleküls). Der Mechanismus der Erbinformationsübertragung basiert auf der Fähigkeit der DNA zur Selbstvervielfältigung (Replikation). DNA enthält einen genetischen Code (ein System zur Aufzeichnung von Informationen über die Position von Aminosäuren in Proteinen anhand der Nukleotidsequenz in DNA und Boten-RNA), der die Entwicklung und den Stoffwechsel von Zellen bestimmt. Gene befinden sich in Chromosomen, Strukturelementen des Zellkerns, die DNA enthalten. Der Ort, an dem ein Gen sitzt, wird als Locus bezeichnet. Monogene Erkrankungen sind monolokulär, polygene (multifaktorielle) Erkrankungen multilokulär.

Chromosomen (die unter dem Lichtmikroskop sichtbaren stäbchenförmigen Strukturen im Zellkern) bestehen aus vielen tausend Genen. Beim Menschen enthält jede somatische (nicht geschlechtsgebundene) Zelle 46 Chromosomen, die durch 23 Paare repräsentiert werden. Eines dieser Paare, die Geschlechtschromosomen (X und Y), bestimmt das Geschlecht des Individuums. In den Kernen somatischer Zellen haben Frauen zwei X-Chromosomen, während Männer ein X- und ein Y-Chromosom haben. Die Geschlechtschromosomen von Männern sind heterolog: Das X-Chromosom ist größer und enthält viele Gene, die sowohl für die Geschlechtsbestimmung als auch für andere Merkmale des Organismus verantwortlich sind; das Y-Chromosom ist kleiner, hat eine andere Form als das X-Chromosom und trägt hauptsächlich Gene, die das männliche Geschlecht bestimmen. Zellen enthalten 22 Paare von Autosomen. Die autosomalen Chromosomen des Menschen werden in 7 Gruppen unterteilt: A (1., 2., 3. Chromosomenpaar), B (4., 5. Paar), C (6., 7., 8., 9., 10., 11., 12. Paar sowie Chromosom X, ähnlich groß wie die Chromosomen 6 und 7), D (13., 14., 15. Paar), E (16., 17., 18. Paar), F (19., 20. Paar), G (21., 22. Paar und Chromosom Y).

Gene sind linear entlang der Chromosomen angeordnet, wobei jedes Gen einen genau definierten Platz (Locus) einnimmt. Gene, die homologe Loci besetzen, heißen allelisch. Jeder Mensch besitzt zwei Allele desselben Gens: eines auf jedem Chromosom jedes Paares, mit Ausnahme der meisten Gene auf den Chromosomen X und Y bei Männern. Wenn homologe Bereiche eines Chromosoms identische Allele enthalten, spricht man von Homozygotie; wenn sie unterschiedliche Allele desselben Gens enthalten, spricht man von Heterozygotie für ein bestimmtes Gen. Entfaltet ein Gen (Allel) seine Wirkung nur auf einem Chromosom, nennt man es dominant. Ein rezessives Gen entfaltet seine Wirkung nur, wenn es auf beiden Mitgliedern eines Chromosomenpaares vorhanden ist (oder auf dem einzelnen X-Chromosom bei Männern oder bei Frauen mit dem Genotyp X0). Ein Gen (und das zugehörige Merkmal) wird als X-chromosomal vererbt bezeichnet, wenn es auf dem X-Chromosom lokalisiert ist. Alle anderen Gene werden als autosomal vererbt bezeichnet.

Man unterscheidet zwischen dominanter und rezessiver Vererbung. Bei dominanter Vererbung manifestiert sich ein Merkmal sowohl im homozygoten als auch im heterozygoten Zustand. Bei rezessiver Vererbung treten phänotypische (eine Reihe äußerer und innerer Merkmale eines Organismus) Manifestationen nur im homozygoten Zustand auf, während sie bei Heterozygotie fehlen. Auch eine geschlechtsgebundene dominante oder rezessive Vererbung ist möglich; auf diese Weise werden Merkmale vererbt, die mit Genen in den Geschlechtschromosomen assoziiert sind.

Dominant vererbte Krankheiten betreffen in der Regel mehrere Generationen einer Familie. Bei rezessiver Vererbung kann ein latentes heterozygotes mutiertes Gen in einer Familie lange Zeit vorhanden sein, wodurch kranke Kinder von gesunden Eltern oder sogar in Familien geboren werden können, in denen die Krankheit seit mehreren Generationen nicht mehr auftritt.

Genmutationen liegen Erbkrankheiten zugrunde. Das Verständnis von Mutationen ist ohne ein modernes Verständnis des Begriffs „Genom“ unmöglich. Derzeit wird das Genom als multigenomische symbiotische Struktur betrachtet, die aus obligatorischen und fakultativen Elementen besteht. Grundlage der obligatorischen Elemente sind Strukturloci (Gene), deren Anzahl und Lage im Genom relativ konstant sind. Strukturgene machen etwa 10–15 % des Genoms aus. Der Begriff „Gen“ umfasst den transkribierten Bereich: Exons (die eigentliche kodierende Region) und Introns (eine nicht-kodierende Region, die Exons trennt); sowie flankierende Sequenzen – den Leader, der dem Genanfang vorangeht, und den nicht-translatierten Endbereich. Fakultative Elemente (85–90 % des gesamten Genoms) sind DNA, die keine Informationen über die Aminosäuresequenz von Proteinen enthält und nicht streng obligatorisch ist. Diese DNA kann an der Regulation der Genexpression beteiligt sein, strukturelle Funktionen erfüllen, die Genauigkeit homologer Paarung und Rekombination erhöhen und eine erfolgreiche DNA-Replikation fördern. Die Beteiligung fakultativer Elemente an der Vererbung von Merkmalen und der Entstehung mutationsbedingter Variabilität ist inzwischen nachgewiesen. Eine derart komplexe Genomstruktur bestimmt die Vielfalt der Genmutationen.

Im weitesten Sinne ist eine Mutation eine stabile, vererbte Veränderung der DNA. Mutationen können mit unter dem Mikroskop sichtbaren Veränderungen der Chromosomenstruktur einhergehen: Deletion – Verlust eines Chromosomenabschnitts; Duplikation – Verdoppelung eines Chromosomenabschnitts; Insertion (Inversion) – Bruch eines Chromosomenabschnitts, dessen Drehung um 180° und Anheftung an die Bruchstelle; Translokation – Abbrechen eines Chromosomenabschnitts und Anheften an einen anderen. Solche Mutationen haben die schädlichsten Auswirkungen. In anderen Fällen können Mutationen aus dem Austausch eines der Purin- oder Pyrimidinnukleotide eines einzelnen Gens bestehen (Punktmutationen). Zu solchen Mutationen zählen: Missense-Mutationen (Mutationen mit Bedeutungsänderung) – Austausch von Nukleotiden in Codons mit phänotypischen Erscheinungsformen; Nonsense-Mutationen (sinnlos) – Ersatz von Nukleotiden, die Terminationscodons bilden, wodurch die Synthese des vom Gen kodierten Proteins vorzeitig beendet wird; Spleißmutationen – Ersatz von Nukleotiden an der Verbindungsstelle von Exonen und Intronen, was zur Synthese verlängerter Proteinmoleküle führt.

Erst kürzlich wurde eine neue Klasse von Mutationen entdeckt – dynamische Mutationen oder Expansionsmutationen, die mit einer Instabilität der Anzahl von Trinukleotid-Repeats in funktionell bedeutsamen Genabschnitten einhergehen. Viele Trinukleotid-Repeats, die in transkribierten oder regulatorischen Genregionen lokalisiert sind, zeichnen sich durch eine hohe Populationsvariabilität aus, innerhalb derer phänotypische Störungen nicht beobachtet werden (d. h. die Krankheit entwickelt sich nicht). Die Krankheit entwickelt sich erst, wenn die Anzahl der Repeats in diesen Bereichen einen bestimmten kritischen Wert überschreitet. Solche Mutationen werden nicht gemäß dem Mendelschen Gesetz vererbt.

Erbkrankheiten sind also Erkrankungen, die durch Schäden am Zellgenom entstehen, die das gesamte Genom, einzelne Chromosomen betreffen und Chromosomenerkrankungen hervorrufen können, oder einzelne Gene betreffen und Ursache von Generkrankungen sein können.

Alle Erbkrankheiten werden üblicherweise in drei große Gruppen unterteilt:

• monogen;
• polygen oder multifaktoriell, wobei Mutationen mehrerer Gene und nicht-genetische Faktoren interagieren;
• Chromosomenanomalien oder Anomalien in der Struktur oder Anzahl der Chromosomen.

Krankheiten der ersten beiden Gruppen werden oft als genetisch bedingt bezeichnet, Krankheiten der dritten Gruppe als Chromosomenkrankheiten.

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ]

Klassifizierung von Erbkrankheiten

Chromosomal	Monogen	Multifaktoriell (polygen)
Anomalien in der Anzahl der Geschlechtschromosomen: - Shereshevsky-Turner-Syndrom; - Klinefelter-Syndrom; - Trisomie-X-Syndrom; - Syndrom 47, XYY -Autosomen: - Down-Syndrom; - Edwards-Syndrom; - Patau-Syndrom; - partielle Trisomie 22 Strukturelle Chromosomenanomalien: Cri-du-Chat-Syndrom; 4p-Deletionssyndrom; Mikrodeletionssyndrome benachbarter Gene	Autosomal-dominant: Marfan-Syndrom; Von-Willebrand-Krankheit; Minkowski-Shoffar-Anämie und andere Autosomal-rezessiv: - Phenylketonurie; - Galaktosämie; - Mukoviszidose usw. X-chromosomal-rezessiv: Hämophilie A und B; Duchenne-Myopathie; Und andere. X-chromosomal-dominant: - Vitamin-D-resistente Rachitis; - Braunfärbung Zahnschmelz usw.	ZNS: einige Formen von Epilepsie, Schizophrenie usw. Herz-Kreislauf-System: Rheuma, Bluthochdruck, Arteriosklerose usw. Haut: Neurodermitis, Schuppenflechte usw. Atmungssystem: Asthma bronchiale, allergische Alveolitis usw. Harnsystem: Urolithiasis, Enuresis usw. Verdauungssystem: Magengeschwür, unspezifische Colitis ulcerosa usw.

Chromosomenerkrankungen können sowohl durch quantitative Chromosomenanomalien (genomische Mutationen) als auch durch strukturelle Chromosomenanomalien (Chromosomenaberrationen) verursacht werden. Klinisch manifestieren sich fast alle Chromosomenerkrankungen als geistige Behinderungen und multiple angeborene Defekte, die oft mit dem Leben unvereinbar sind.

Monogene Erkrankungen entstehen durch Schäden an einzelnen Genen. Zu den monogenen Erkrankungen zählen die meisten erblichen Stoffwechselerkrankungen (Phenylketonurie, Galaktosämie, Mukopolysaccharidosen, Mukoviszidose, Adrenogenitales Syndrom, Glykogenosen usw.). Monogene Erkrankungen werden nach den Mendelschen Gesetzen vererbt und können je nach Vererbungsart in autosomal-dominante, autosomal-rezessive und X-chromosomale Erkrankungen unterteilt werden.

Multifaktorielle Erkrankungen sind polygen und ihre Entwicklung erfordert den Einfluss bestimmter Umweltfaktoren. Die allgemeinen Anzeichen multifaktorieller Erkrankungen sind wie folgt.

• Hohe Frequenz in der Bevölkerung.
• Ausgeprägter klinischer Polymorphismus.
• Ähnlichkeit der klinischen Manifestationen beim Probanden und nahen Verwandten.
• Alters- und Geschlechtsunterschiede.
• Früherer Beginn und eine gewisse Zunahme der klinischen Manifestationen bei nachfolgenden Generationen.
• Variable therapeutische Wirksamkeit von Arzneimitteln.
• Ähnlichkeit der klinischen und sonstigen Manifestationen der Krankheit bei nahen Verwandten und dem Probanden (der Heritabilitätskoeffizient für multifaktorielle Erkrankungen liegt über 50–60 %).
• Inkonsistenz der Vererbungsmuster mit den Mendelschen Gesetzen.

Für die klinische Praxis ist es wichtig, das Wesentliche des Begriffs „angeborene Fehlbildungen“ zu verstehen, der einzeln oder mehrfach, erblich oder sporadisch auftreten kann. Erbkrankheiten umfassen nicht jene angeborenen Krankheiten, die während kritischer Phasen der Embryogenese unter dem Einfluss ungünstiger Umweltfaktoren (physikalisch, chemisch, biologisch usw.) auftreten und nicht vererbt werden. Ein Beispiel für eine solche Pathologie können angeborene Herzfehler sein, die oft durch pathologische Effekte während der Herzbildungsphase (erstes Trimester der Schwangerschaft) verursacht werden, beispielsweise eine Virusinfektion, die das Gewebe des sich entwickelnden Herzens betrifft; fetales Alkoholsyndrom, Entwicklungsanomalien der Gliedmaßen, Ohrmuscheln, Nieren, des Verdauungstrakts usw. In solchen Fällen bilden genetische Faktoren lediglich eine erbliche Veranlagung oder erhöhte Anfälligkeit für die Auswirkungen bestimmter Umweltfaktoren. Laut WHO treten Entwicklungsanomalien bei 2,5 % aller Neugeborenen auf; 1,5 % davon sind auf die Einwirkung ungünstiger äußerer Faktoren während der Schwangerschaft zurückzuführen, der Rest ist überwiegend genetischer Natur. Die Unterscheidung zwischen erblichen und angeborenen Erkrankungen, die nicht vererbt werden, ist von großer praktischer Bedeutung für die Vorhersage des Nachwuchses in einer bestimmten Familie.

[ 5 ]

Methoden der Diagnostik von Erbkrankheiten

Derzeit verfügt die praktische Medizin über ein ganzes Arsenal diagnostischer Methoden, mit denen sich Erbkrankheiten mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit erkennen lassen. Die diagnostische Sensitivität und Spezifität dieser Methoden variiert – einige erlauben lediglich die Annahme einer Krankheit, während andere mit hoher Genauigkeit Mutationen erkennen, die der Krankheit zugrunde liegen oder die Merkmale ihres Verlaufs bestimmen.

[ 6 ], [ 7 ], [ 8 ], [ 9 ]

Zytogenetische Methoden

Zur Diagnose von Chromosomenerkrankungen werden zytogenetische Forschungsmethoden eingesetzt. Dazu gehören:

• Untersuchungen zum Geschlechtschromatin – Bestimmung von X- und Y-Chromatin;
• Karyotypisierung (Karyotyp ist der Chromosomensatz einer Zelle) – Bestimmung der Anzahl und Struktur der Chromosomen zum Zweck der Diagnose von Chromosomenerkrankungen (genomische Mutationen und Chromosomenaberrationen).

[ 10 ], [ 11 ], [ 12 ], [ 13 ]