Erschienen in:
Open Access 01.06.2020 | Pädiatrie | Genetisches Alphabet
GNAS-assoziierte Erkrankungen
Erschienen in: Journal für Klinische Endokrinologie und Stoffwechsel | Ausgabe 2/2020
GNAS-Komplex
Der auf Chromosom 20q13.2-13.3 gelegene GNAS-Genlokus (Guanine nucleotide-binding protein, alpha-stimulating activity polypeptide 1) zeigt einen äußerst komplexen Aufbau, mit unterschiedlichen sich überlappenden Transkripten (eines davon „antisense“ – d. h. vom komplementären DNA-Strang) und mehreren Promotoren. Zudem stellt der GNAS-Komplex einen Imprinting-Lokus dar, der zwar primär biallele, aber ebenso rein maternale oder paternale Transkripte exprimieren kann. Das bekannteste Genprodukt ist das Gsα, das eine Untereinheit des Guanosintriphosphat-bindenden Proteins (G-Protein) darstellt und die Adenylatcyclase stimuliert. Letztere ist maßgeblich an der Regulierung der Aktivitäten endokriner Drüsen (z. B. Schilddrüse, Hypophyse, Gonaden, Nebenniere, etc.) wie auch an der Knochenentwicklung beteiligt, da ihr eine wichtige Rolle in einer Reihe von Signaltransuktionswegen transmembraner Rezeptoren zugeschrieben wird [1‐3].
Ebenso komplex wie der Genlokus ist auch das Mutationsspektrum von GNAS, das zu einer Reihe unterschiedlicher Erkrankungen führt (siehe Tab. 1).
Tab. 1
Mit GNAS-Mutationen assoziierter Phänotyp
Erkrankung | GNAS-Mutation | ORPHA | OMIM |
|---|---|---|---|
Pseudohypoparathyreoidismus Ia (PHP-Ia) | Keimbahn | 79443 | 103580 |
Pseudohypoparathyreoidismus Ib (PHP-Ib) | Keimbahn | 94089 | 603233 |
Pseudohypoparathyreoidismus Ic (PHP-Ic) | Keimbahn | 79444 | 612462 |
Primärer Pseudopseudohypoparathyreoidismus (PPHP) | Keimbahn | 79445 | 612463 |
Progressive ossäre Heteroplasie (POH) | Keimbahn | 2762 | 166350 |
Cushing-Syndrom durch makronoduläre Nebennierenhyperplasie | Somatisch | 189427 | 219080 |
Knochendysplasie, fibröse polyostotische | Somatisch | 93276 | – |
McCune-Albright-Syndrom | Somatisch | 562 | 174800 |
Mazabraud-Syndrom | Kandidatengen | 57782 | – |
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GNAS-Mutationen und Krankheitsspektrum
Die Gsα-Untereinheit des G‑Proteins, welche ubiquitär exprimiert wird, ist durch seine Rolle in Signaltransduktionswegen maßgeblich an der Wirkung vieler Hormone und endogener Moleküle beteiligt. Pathogene Varianten (Mutationen), die die Expression bzw. Aktivität von Gsα beeinträchtigen, führen zu seltenen angeborenen Erkrankungen, wobei unter dem Überbegriff Albrightʼsche hereditäre Osteodystrophie (AHO) eine Reihe verschiedener Subtypen von Pseudohypoparathyreoidismus (PHP) wie auch Pseudopseudohypoparathyreoidismus zusammengefasst werden.
Prinzipiell kann betreffend pathogener Varianten wie folgt unterschieden werden:
Eine Keimbahnmutation tritt erstmals als Fehler bei Reifeteilung und DNA-Replikation in den weiblichen oder männlichen Keimzellen auf. Sie wird bei der Befruchtung an die Zygote und in Folge bei sämtlichen Zellteilungen an alle Zellen weitergegeben. Daher sind Keimbahnmutationen in allen Körperzellen konstitutiv nachweisbar und auch vererbbar. Sind diese Varianten mit einer Funktionseinschränkung verbunden, werden sie als pathogene Varianten einer erblichen Erkrankung eingestuft, die prä- und postnatal detektiert werden können.
Somatische Mutationen entstehen in teilungsaktiven Zellen der unterschiedlichsten Gewebe und sind auf diese beschränkt, sodass sie auch nur in den betroffenen Zellen im entsprechenden Gewebe nachweisbar sind. Häufig sind sie die Ursache für (sogenannte sporadische) Tumoren in bestimmten Geweben (bestimmter Organe) im Gegensatz zu erblichen Tumorsyndromen, bei denen durch das Vorliegen einer Keimbahnmutation auf einem Allel eine Prädisposition für einen Tumor besteht (Two-hit-Hypothese – vergleiche MEN1).
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Postzygotische Mutationen treten erstmals in der Zygote oder in den ersten Teilungsstadien auf und werden in der Folge lediglich auf bestimmte Keimblätter verteilt, wodurch ein sogenanntes genetisches Mosaik entsteht [4]. Dies bedeutet, dass, obwohl die Zellen von der identen befruchteten Eizelle stammen, bestimmte Genotypen bzw. Genvarianten lediglich in bestimmten Zellen (Geweben) und nicht in allen Körperzellen vorliegen und nachgewiesen werden können.
Das mutationsbedingte Krankheitsspektrum von GNAS ist aus Tab. 1 abzulesen, wobei GNAS-Keimbahnmutationen zu verschiedenen Formen des Pseudohypoparathyreoidismus führen, während somatische Mutationen für das McCune-Albright-Syndrom verantwortlich gemacht werden.
Aufgrund der Komplexität des oben beschriebenen Genlokus wurden erst in letzter Zeit signifikante Fortschritte betreffend der klinischen Auswirkungen erzielt. Dadurch wurde eine bessere Differenzialdiagnose betreffend andere fibroossäre Skelettläsionen oft erst möglich. Rezente Forschungsergebnisse legen die Vermutung nahe, dass pathogene Varianten des GNAS-Komplexes auch noch bei weiteren ähnlichen Erkrankungen eine Rolle spielen könnten.
Unter dem Überbegriff des Pseudohypoparathyreoidismus mit Albright’scher hereditärer Osteodystrophie (AHO) finden sich PHP-1-Subtypen wie auch andere unten aufgelistete seltene Krankheitsbilder.
Pathophysiologie und klinische Symptomatik
Pseudohypoparathyreoidismus Typ-1a und PHP-1c sind durch eine Hormonresistenz (Parathormon, aber auch andere Hormone und Neurotransmitter) gekennzeichnet, ebenso durch eine AHO und eine Brachydaktylie Typ E. Die Subtypen 1a und 1c zeigen einen sehr ähnlichen Phänotyp (siehe Tab. 2), unterscheiden sich aber betreffend ihrer Gsα-Aktivität, die bei PHP-1a vermindert ist. PHP-1a/c, PPHP und POH werden durch inaktivierende Loss-of-function-Mutationen (pathogene Varianten) hervorgerufen [5], worauf später noch näher eingegangen wird.
Tab. 2
Klinische Symptomatik und Vererbung [8]
Klinik | Charakteristika | Expression | Gendefekt | ||
|---|---|---|---|---|---|
Endokrine | Klinisch | Andere | M(aternal) P(aternal) | ||
PHP-Ia | Multihormonresistenz | AHO Adipositas | Kognitive Einschränkungen | M | GNAS Exons 1–12; heterozygot |
PHP-Ic | Multihormonresistenz | AHO | Kognitive Einschränkungen | M | GNAS Exon 13; heterozygot |
PHP-Ib | PTH- und partielle TSH-Resistenz | Intrauterines Wachstum ↑ Brachydaktylie | Methylierungsverlust Exon A/B | M | Imprintingdefekt: Deletionen STX16 oder regulatorische Elemente des GNAS-Komplexes |
– | – | Methylierungsdefekt – multiple DMRs (sporadisch) | – | Paternale 20q-Disomie od. unbekannter epigenetischer Defekt (sporadisch) | |
PPHP | Keine | AHO; Intrauterines Wachstum ↓ | – | P | Heterozygot GNAS |
POH | Keine | Progressive heterotope Ossifikation | – | P | Heterozygot GNAS |
OC | None | Heterotope Ossifikation – Dermis und Subkutis | – | P | Heterozygot GNAS |
Da Ossifikationsstörungen (POH) jedoch mit der Vererbung durch das paternale Allel assoziiert sind, wird abgeleitet, dass progressive Osteoblastendifferenzierung und die Proliferation der Zellen im Bindegewebe spezifisch vom väterlichen Allel beeinflusst werden [6, 7].
PHP-1b wird maternal vererbt (siehe Tab. 2) und ist durch eine PTH-Resistenz charakterisiert, bei manchen PatientInnen liegt aber auch eine partielle Thyreoidea stimulierendes Hormon(TSH)-Resistenz und eine Brachydaktylie vor.
Osteoma cutis ist eine seltene Erkrankung mit auf Knochenbildung in der Haut und Subkutis beruhenden Tumoren.
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POH überschneidet sich mit einer Reihe verwandter genetischer Störungen einschließlich Albright’scher hereditärer Osteodystrophie, Pseudohypoparathyreoidismus und primären kutanen Osteomen, die ebenfalls mit einer oberflächlichen heterotopen Ossifikation und inaktivierenden Varianten des GNAS-Gens einhergehen. Klinisch kann die POH jedoch abgegrenzt werden, da sie im fortgeschrittenen Stadium auch subkutanes und tiefes Bindegewebe einschließlich Muskeln und Faszien betrifft.
Das McCune-Albright Syndrom (MAS) wird durch aktivierende GNAS-Varianten (postzygotischer bzw. somatischer Natur) verursacht, die in einer verminderten intrinsischen GTPase-Aktivität münden und so zu einer Überstimulation der entsprechenden Gewebe führen.
So kommt es zu erhöhter osteogener Bindung der Stromazellen, verminderter Differenzierung in Osteoblasten, wodurch fibröse dysplatische Läsionen entstehen, die frühe osteoblastische Marker (z. B. alkalische Phosphatase) exprimieren. Ebenso treten die Hautläsionen als Ergebnis einer erhöhten Gsα-Signalübertragung auf, die normalerweise über das melanozytenstimulierende Hormon die Melaninproduktion vermittelt.
Klinisch zeichnet sich das MAS durch die klassische Trias der polyostotischen fibrösen Dysplasie (FD), der Café-au-lait-Hautpigmentierung und der peripheren vorzeitigen Pubertät aus. Zusätzlich können Hyperthyreose, Cushing-Syndrom und Hypophysen-Gigantismus/Akromegalie Teil der klinischen Präsentation sein, wenn mutierte Zellen in Schilddrüsen‑, Nebennieren- und/oder Hypophysengewebe vorhanden sind.
Die meist zwischen dem 5. und 15. Lebensjahr beginnende Ossifikationsstörung betrifft vor allem die langen Röhrenknochen (Auftreibungen, Deformierungen) und den Schädel. Neben Kleinwuchs, kurzem Hals, rundem Gesicht und gedrungenem Körperbau mit Adipositas zeigen sich die charakteristischen großflächigen Café-au-lait-Flecken (im Gegensatz zur Neurofibromatose Typ 1 [NF1] landkartenförmig unregelmäßig begrenzt) oft an Gesäß, Oberschenkeln und Rücken wie auch subkutane Verkalkungen. Die Hautläsionen zeigen typischerweise eine asymmetrische Verteilung entlang der Blaschko-Linien und überschreiten nicht die Mittellinie.
Ebenso werden Zeichen der chronischen Hypokalzämie (Tetanien), intrakranielle Verkalkungen, Zahnschmelzanomalien, Brachydaktylie oder auch eine psychomotorische Retardierung beobachtet.
Das Mazabraud-Syndrom ist charakterisiert durch das vergesellschaftete Auftreten der fibrösen Knochendysplasie (poly-, aber auch monoostotisch) mit intramuskulären Myxomen (Tumoren aus embryonalem Schleimgewebe) im jüngeren Lebensalter während der Wachstumsphasen und kann sich sowohl asymptomatisch als auch mit Schmerzen, Frakturen oder Skelettdeformitäten präsentieren. Im Erwachsenenalter imponieren multifokale intramuskuläre Myxome als schmerzlose Weichteilmassen – am häufigsten in den unteren Extremitäten.
Genetische Diagnostik
GNAS-Allel-spezifische Vererbung – Imprinting
Das auf Chromosom 20q13.32 gelegene Gen GNAS complex locus (OMIM 139320) ist ein Imprinting-Lokus. Imprinting ist ein epigenetisches Phänomen, das dazu führt, dass bei bestimmten Genen das Allel eines Elternteils durch eine spezifische Methylierung inaktiviert ist und das Gen daher von diesem Allel nicht exprimiert wird. Der GNAS-Komplex umfasst die Haupttranskripte Gsα, XLAS, NESP55 und A/B, von denen lediglich Gsα nicht imprintet ist.
- Gsα, das bekanntestes Genprodukt, wird biallellisch exprimiert und fungiert als Modulator verschiedener Signaltransduktionsprozesse.
- XLAS (large G‑protein XL-α) ist eine große Variante von Gsα, das ausschließlich vom paternalenGNAS-Allel primär in neuroendokrinem Gewebe und im Nervensystem exprimiert wird.
- NESP55 (Neuroendokrines sekretorisches Protein-55) wird exklusiv vom maternalen Allel exprimiert und kodiert ein Chromogranin-like Neuroendokrines sekretorisches Protein.
- A/B wird ubiquitär, aber ausschließlich vom paternalenGNAS-Allel exprimiert.
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Genetische Diagnostik – Methodik und Vererbung
Pseudohypoparathyreoidismus des Typs 1a, 1b und 1c, Pseudo-pseudohypoparathyreoidismus, Progressive Ossäre Heteroplasie und Osteoma cutis
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werden durch inaktivierende GNAS-Varianten verursacht. Der Vererbungsmodus ist autosomal dominant (außer bei sporadischen 1b-Fällen – siehe Tab. 2). Autosomal dominante Vererbung von Keimbahnmutationen bedeutet, dass für Nachkommen der Träger der pathogenen Variante ein 50-prozentiges Risiko besteht, ebenfalls Träger dieser Variante zu sein. Im Falle imprinteter Gene hängt der Phänotyp jedoch vom Geschlecht des Überträgers ab.
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38 % der erkrankten Patienten haben einen betroffenen Elternteil, 38 % haben die pathogene GNAS-Variante de novo, und bei den restlichen 20–25 % ist die Ursache unbekannt [9].
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Ist das väterliche GNAS-Allel von der inaktivierenden pathogenen Variante betroffen, so kommt es zur Albright’schen hereditären Osteodystrophie ohne Hormonresistenz (Pseudopseudohypoparathyreoidismus, PPHP) mit Kleinwuchs und verkürzten Metakarpalen IV und V.
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Liegt die inaktivierende Mutation auf dem mütterlich vererbten Allel, so ist die AHO mit Hormonresistenz (Pseudohypoparathyreoidismus Typ 1a) assoziiert. Neben der Knochenbeteiligung liegt eine PTH-Resistenz (Hypokalzämie) und manchmal auch eine Teil-Resistenz gegenüber TSH und den Gonadotropinen vor.
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Dem Pseudohypoparathyreoidismus Typ 1b liegen Methylierungsdefekte des GNAS-Lokus (assoziiert mit renaler PTH-Resistenz, aber oft ohne skelettale Auffälligkeiten) zugrunde. Aus genetischer Sicht sind zwei verschiedene Szenarien möglich – einerseits sind A/B- und STX16 (Syntaxin)-Gen bzw. regulatorische Bereiche von einem Methylierungsverlust betroffen, andererseits liegen Veränderungen in einer Reihe unterschiedlicher Methylierungsregionen (DMR – differentially methylated regions) vor [10]. Eine seltene Variante des Typ 1b ist die paternale uniparentale Disomie des Chromosoms 20, die bedeutet, dass anstatt eines maternalen und eines paternalen Allels zwei väterliche Allele vorliegen.
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Die häufigsten pathogenen GNAS-Varianten sind Frameshift‑, Nonsense- oder Splicing-Mutationen, die zu keiner oder fehlerhafter Proteinbildung führen. Obwohl einzelne Hotspots (z. B. 4‑bp-Deletion in Exon 7) beschrieben wurden, ist der Großteil der detektierten pathogenen Varianten über das ganze Gen verteilt. Für einige pathogene Varianten wurde auch eine Assoziation mit stärker ausgeprägter ektoper Ossifikation berichtet [11].
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Aufgrund der oben angeführten unterschiedlichen zugrundeliegenden molekulargenetischen Defekte ist die Entscheidung, welche Strategie zur Detektion der pathogenen Varianten gewählt wird, schwierig und verlangt ein profundes Kennen des komplexen genetischen Hintergrunds GNAS-assozierter Erkrankungen.
Optional können sowohl eine GNAS-Einzelgenanalyse (PCR-basierte Sequenzierung und MLPA), eine Methylierungsanalyse [12] oder ein Multigen-Panel, insbesondere wenn eine Differentialdiagnose mit anderen Erkrankungen (z. B. NF1) von Relevanz ist, angedacht werden. Wie schon in vorhergehenden Beiträgen des Genetischen Alphabets angeführt, ist die Entscheidung für Multigen-Panels bzw. Exom- oder Genom-Sequencing auch mit einer durchaus herausfordernden humangenetischen Beratung vor und nach der genetischen Analyse verbunden und muss entsprechend vorbereitet sein.
McCune-Albright-Syndrom (MAS)/Fibröse Dysplasie (FD)
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Während das MAS eine Prävalenz von 1–9/1.000.000 hat, wird geschätzt, dass die FD für 7 % aller benignen Knochentumoren verantwortlich zeichnet. Beide Geschlechter sind gleich häufig von MAS/FD betroffen. In vielen PatientInnen erfolgt die Diagnose von Fibröser Dysplasie (FD) bzw. MAS phänotypisch, basierend auf dem Vorhandensein von zwei oder mehr typischen klinischen Symptomen.
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Bei unklarer oder schwach ausgeprägter Symptomatik ist ein Gentest hilfreich.
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Aktivierende pathogene Varianten, die im McCune-Albright-Syndrom resultieren, sind üblicherweise Missense-Mutationen, hauptsächlich in Exon 8 (p.(Arg201His); p.(Arg201Cys)) und seltener in Exon 9 (p.(Gln227Leu)). Sie betreffen zwei Aminosäurereste, die katalytisch für die GTPase-Aktivität relevant sind.
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Bei FD und MAS muss, wie schon oben erwähnt, zur Bestätigung der Diagnose nach aktivierenden somatischen GNAS-Varianten gesucht werden, wobei die Nachweisbarkeit auch von der Ausprägung des Mosaiks und der analytischen Sensitivität der Methodik abhängt. Die vielversprechendste Vorgangsweise ist, eine vom betroffenen Gewebe entnommene Probe auf die oben angeführten pathogenen Varianten zu testen – häufig verwendet werden PCR-basierte Sequenzierung oder TaqMan-Assays oder auch NGS (Next Generation Sequencing). Große Deletionen werden kaum beobachtet, andere pathogene Varianten als die oben beschriebenen werden selten detektiert und müssen häufig als Varianten unbekannter Signifikanz (VUS) klassifiziert werden.
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Da beim MAS keine GNAS-Keimbahnmutation vorliegt, besteht für Nachkommen und Geschwister der PatientInnen kein erhöhtes Risiko (mit der Normalbevölkerung verglichen), an MAS zu erkranken. Eine pränatale Diagnostik ist daher nicht angezeigt.
Genetische Diagnostik – Veranlassung und Beratung
Bevor eine humangenetische Analyse durch zuständige, einschlägige FachärztInnen veranlasst und im Labor durchgeführt wird, ist die Patientin/der Patient entsprechend aufzuklären und zu beraten. Diese Beratung muss dokumentiert werden, und die PatientIn/der Patient hat der Analyse schriftlich zuzustimmen. Das Ergebnis der genetischen Analyse muss in schriftlicher Form mitgeteilt und mit einer genetischen Beratung abgeschlossen werden. Die PatientInnen können die Durchführung der Analyse bzw. die Mitteilung des Ergebnisses zu jedem Zeitpunkt und ohne Angabe von Gründen widerrufen.
Einhaltung ethischer Richtlinien
Interessenkonflikt
A. Baumgartner und S. Baumgartner-Parzer geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht.
Für diesen Beitrag wurden von den Autoren keine Studien an Menschen oder Tieren durchgeführt. Für die aufgeführten Studien gelten die jeweils dort angegebenen ethischen Richtlinien.
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