Genotype–Laterality Associations in DNAAF11-Related Primary Ciliary Dyskinesia: Functional Characterization of the p.Ile100Thr Variant

Im menschlichen Körper säumen mikroskopisch kleine, haarähnliche Strukturen namens Cilien die Atemwege und kehren Schleim sowie Staub weg, um die Lungen frei zu halten. Dieselben winzigen Härchen spielen auch sehr früh im Leben eine entscheidende Rolle, wenn sich ein Embryo gerade erst zu bilden beginnt. In diesem Stadium erzeugen Cilien an einer bestimmten Stelle einen sanften, gerichteten Fluss, der dem sich entwickelnden Körper mitteilt, welche Seite links und welche rechts ist. Wenn diese Cilien nicht korrekt funktionieren, können zwei Hauptprobleme auftreten: Die Atemwege werden anfällig für chronische Infektionen und Schäden, und die inneren Organe können am falschen Ort des Körpers landen, ein Zustand, der als Situs inversus totalis bekannt ist. Diese Sammlung von Symptomen wird als primäre ziliäre Dyskinesie bezeichnet. Während Wissenschaftler bereits Dutzende von Genen identifiziert haben, die diese Störung verursachen können, bleibt die genaue Auswirkung vieler spezifischer genetischer Veränderungen unklar, was Ärzte und Familien ohne ein vollständiges Bild dessen zurücklässt, was eine bestimmte Mutation für die Gesundheit eines Patienten bedeutet.

Ein Forscherteam des Shanghai General Hospital konzentrierte sich kürzlich auf eine solche genetische Veränderung, um zu sehen, ob sie tatsächlich die Krankheit verursacht und wie sie die Entwicklung des Körpers beeinflusst. Sie untersuchten eine Frau in ihren Dreißigern, die seit über zwanzig Jahren mit einem chronischen Husten und Bronchiektasen lebt, einer Erkrankung, bei der die Atemwege dauerhaft erweitert und geschädigt sind. Ungewöhnlicherweise hatte sie auch Situs inversus totalis, was bedeutet, dass ihr Herz und andere wichtige Organe auf der gegenüberliegenden Seite ihrer Brust und ihres Abdomens gespiegelt waren. Durch die Untersuchung ihrer DNA und der ihrer Eltern fanden die Forscher heraus, dass sie zwei Kopien einer spezifischen Veränderung in einem Gen namens DNAAF11 geerbt hatte. Dieses Gen liefert die Anweisungen für die Herstellung eines Proteins, das beim Zusammenbau der Motorteile der Cilien hilft. Die Eltern der Frau trugen jeweils eine Kopie der Veränderung in sich, waren aber gesund, was dem Muster einer rezessiven genetischen Störung entspricht, bei der zwei Kopien erforderlich sind, um eine Erkrankung zu verursachen.

Um zu verstehen, was diese spezifische Veränderung, bekannt als p.Ile100Thr, tatsächlich bewirkt, wechselten die Wissenschaftler vom Patienten ins Labor. Sie erstellten zwei Versionen des DNAAF11-Gens: eine, die der gesunden menschlichen Version entsprach, und eine, die die Mutation der Patientin trug. Sie fügten diese Gene in menschliche Zellen ein, die in einer Schale gezüchtet wurden, und beobachteten, wie sich die Zellen verhielten. Die Ergebnisse zeigten, dass die Zellen mit dem mutierten Gen zwar die korrekte Menge an genetischen Anweisungen, also mRNA, produzierten, aber signifikant weniger des fertigen Proteins herstellten. Es ist, als ob die Fabrik die Baupläne erhielte, aber Schwierigkeiten hätte, die eigentlichen Maschinen zu bauen. Dieser Rückgang des Proteinspiegels deutet darauf hin, dass die Mutation die Stabilität des Proteins oder dessen Handhabung durch die Zelle stört, was verhindern würde, dass sich die Cilien korrekt zusammenbauen. Die Forscher verwendeten auch Computermodelle, um die Form des Proteins zu untersuchen. Sie fanden heraus, dass die Mutation einen Baustein an einer bestimmten Stelle gegen einen anderen austauscht, wodurch neue chemische Bindungen entstehen, die wahrscheinlich die Struktur des Proteins verändern und es weniger stabil machen.

Das Team blickte dann über diesen einzelnen Patienten hinaus, um zu sehen, ob diese gleiche genetische Veränderung auch bei anderen auftrat und was sie für sie bedeutete. Sie überprüften die Krankenakten von dreiundsechzig Patienten weltweit, die Mutationen im DNAAF11-Gen aufwiesen. Von den einundfünfzig Patienten, für die sie Informationen über die Platzierung der Organe hatten, wiesen neunundzwanzig eine Form von Lateralitätsdefekt auf, wie etwa gespiegelte Organe oder eine gemischte Anordnung. Die spezifische Mutation, die die Forscher untersuchten, wurde insgesamt bei drei verschiedenen Patienten gefunden: der Frau aus Shanghai, einem italienischen Patienten und einem weiteren Patienten aus China. Alle drei hatten respiratorische Symptome und Probleme mit der Organplatzierung. Die Studie zeigte jedoch auch, dass andere Patienten mit derselben Mutation nicht notwendigerweise exakt dieselben Symptome hatten, und einige Menschen mit unterschiedlichen Mutationen zeigten ähnliche Ergebnisse. Dies deutet darauf hin, dass die Mutation zwar schädlich ist, aber nicht zwangsläufig ein einziges spezifisches Ergebnis für jede Person garantiert, die sie trägt.

Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass die p.Ile100Thr-Mutation wahrscheinlich eine Ursache für primäre ziliäre Dyskinesie ist, gestützt durch die Tatsache, dass sie die Menge des funktionellen Proteins in Zellen reduziert und bei Patienten mit den klassischen Krankheitssymptomen auftritt. Sie betonten jedoch, dass die Verbindung zwischen dieser spezifischen genetischen Veränderung und dem exakten Muster der Organplatzierung nicht absolut ist. Die unter den Patienten beobachtete Variation deutet darauf hin, dass auch andere Faktoren, vielleicht andere Gene oder Umwelteinflüsse, ebenfalls eine Rolle dabei spielen, ob ein Individuum einen Situs inversus oder eine andere Anordnung der Organe entwickelt. Während die Studie starke Beweise liefert, dass diese Mutation schädlich ist, verdeutlicht sie auch die Komplexität der Krankheit und zeigt, dass selbst wenn derselbe genetische Fehler auftritt, die Reaktion des Körpers variieren kann. Weitere Arbeiten unter Verwendung von Zellen, die natürlich Cilien wachsen lassen, werden notwendig sein, um vollständig zu verstehen, wie diese Mutation die Arbeit der winzigen Härchen verhindert und um das volle Spektrum der Auswirkungen auf die menschliche Entwicklung zu klären.