AG Prof. Reutter

Das Spektrum seltener Krankheiten, an dem unsere Arbeitsgruppe forscht, umfasst angeborene Chylothoraces, angeborene intestinale Atresien (z.B. Ösophagus- oder Duodenalatresien) sowie die schwersten Formen des urorektalen Fehlbildungsspektrums (anorektale Malformationen (ARM) und der Blasenekstrophie-Epispadie Komplex (BEEK)). Bei einigen dieser angeborenen Erkrankungen können durch frühzeitige Diagnostik und Interventionen schwere Folgeschäden verhindert und die postpartale Mortalität verringert werden.

Bei einem angeborenen Chylothorax kommt es zu einer Ansammlung von Chylus-Flüssigkeit im Brustkorb. Chylus ist Lymphflüssigkeit, die aus dem Verdauungstrakt stammt und in Lymphgefäßen transportiert wird. Sie enthält wichtige aus der Nahrung resorbierte Stoffe, die nur in Chylomikronen gelöst über die Lymphe in unseren Körper aufgenommen werden können. Durch die Ansammlung des Chylus im Brustkorb wird auf der einen Seite die Entwicklung der Lunge gehemmt, auf der anderen Seite kommt es zu Gedeihstörungen und zur Immunschwäche. Um dennoch eine einigermaßen normale Entwicklung der Lunge zu ermöglichen, sind bereits vorgeburtliche Interventionen am Fetus notwendig. So kann zum Beispiel durch intrauterine Drainagen die Chylusflüssigkeit aus dem Thorax des Feten in die Amnionhöhle abgeleitet werden.

Die Ösophagusatresie gehört zu den intestinalen Atresien und beschreibt eine Fehlbildung der Speiseröhre, wobei die Kontinuität der Speiseröhre unterbrochen ist. Diese Kontinuitätsunterbrechung kann unterschiedlich lang sein und wird oftmals mit einer Fistelbildung zur Luftröhre begleitet. Diese Art der Fehlbildung ist gehäuft mit weiteren Fehlbildungen, z.B. Fehlbildungen des Herzens oder der Nieren, assoziiert. Aufgrund der guten neonatalen Versorgung konnte die Sterblichkeit der Ösophagusatresie jedoch bereits stark reduziert werden.

Anorektale Malformationen (ARM) beschreiben verschiedene Fehlbildungen des Enddarms. Sie treten bei circa 1:5000 Lebendgeburten auf und kommen gehäuft bei männlichen Neugeborenen vor. Zum Spektrum der anorektalen Malformationen gehören beispielsweise die Analatresie oder die Analstenose. Bei der Analatresie fehlt der Anus komplett, bei der Analstenose ist der Analkanal verengt. Eine ARM kann sowohl isoliert (nicht-syndromal), als auch syndromal, das heißt als Teil eines genetisch bedingten Krankheitsbildes auftreten. Eine Häufung der syndromalen ARMs findet sich beim Down-Syndrom und im Rahmen der VATER/VACTERL-Assoziation.

Der Blasenekstrophie-Epispadie-Komplex (BEEK) umfasst verschiedene Fehlbildungen des Urogenitaltraktes und kann in verschiedene Ausbildungsgrade untergliedert werden: von der isolierte Epispadie über die klassische Blasenextrophie bis hin zur kloakalen Ekstrophie als schwerste Manifestation. Bei der BEEK können abhängig vom Schweregrad Harnwege, Beckenboden, Bauchwand, Wirbelsäule (in Form von Neuralrohrdefekten) und der Anus betroffen sein. Die Prävalenz des Blasenekstrophie-Epispadie-Komplexes liegt bei 1:10.000 und betrifft gehäuft männliche Neugeborene. 98,5% der Patienten werden als nicht-syndromal eingeordnet. Die Versorgung nach Geburt ist primär chirurgisch.

Mit Hilfe von molekulargenetischen Untersuchungen wollen wir den ursächlichen genetischen Faktoren der oben genannten seltenen Krankheiten auf den Grund gehen. Dabei gehen wir auf die Suche nach sowohl hoch penetranten (monogen vererbten) Varianten, die mit einem hohen Krankheitsrisiko verbunden sind und sich stark auf die Krankheitsentwicklung auswirken, als auch nach Varianten mit geringer Penetranz, die lediglich für die Fehlbildung disponieren (multifaktoriell bedingte Erkrankungen).  Für die Detektion dieser Varianten unterschiedlicher Penetranz verwenden wir unterschiedliche Methoden. Für einen Großteil der von uns beforschten Fehlbildungen stehen uns außerdem die weltweit größten Patientenkollektive zur Verfügung.

Identifizierung hochpenetranter Varianten

Zur Identifizierung hochpenetranter Varianten verwenden wir daher zum einen hochauflösende SNP-Arrays mit dem Ziel ursächliche Kopienzahlveränderungen (Verlust oder Zugewinn an genetischem Material) zu identifizieren, sowie das sog. „Next Generation Sequencing (NGS)“ um kleinere Varianten, z.B. Punktmutationen zu identifizieren. Kopienzahlvarianten (CNVs) können dazu beitragen, neue Kandidatengene für seltene Krankheiten zu identifizieren, indem die DNA von Personen mit einer bestimmten Krankheit mit der DNA nicht betroffener Personen verglichen wird. CNVs können zu einem Gewinn oder Verlust von einer oder mehreren Kopien eines bestimmten Gens oder Chromosomenabschnitts führen. Diese Veränderungen der Kopienzahl können sich auf die Genexpression und -funktion auswirken und möglicherweise zur Entwicklung einer Krankheit führen. Durch den Vergleich der CNVs von betroffenen Individuen mit CNVs von Individuen aus einer gesunden Kontrollkohorte können spezifische CNVs identifiziert werden, die bei Individuen mit der Krankheit häufiger vorkommen. Von diesen CNVs überlagerte Gene können dann als potenzielle Kandidatengene für die Krankheit in Betracht gezogen und weiter untersucht werden. Auch das Next Generation Sequencing (NGS) wird bei der Suche nach Varianten mit hoher Penetranz eingesetzt. Hierbei wird das gesamte Genom eines Patienten sequenziert und mit einem Referenzgenom verglichen. Mit dieser Methode kann nach verschiedenen Arten genetischer Variation gesucht werden, wie z.B. Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs), Insertionen, Deletionen, Kopienzahlvarianten (CNVs) oder Strukturvarianten (SVs). Sobald Varianten mittels NGS oder CNV-Analysen identifiziert wurden, validieren wir diese mit Hilfe zusätzlicher Methoden (z.B. PCR-basierten Techniken). In diesem Validierungsprozess bestätigen wir das Vorhandensein der Varianten und können nachfolgend ihre Auswirkungen auf die Krankheitsentwicklung bewerten.

Identifizierung genetischer Varianten mit geringer Penetranz

Zur Identifizierung disponierender genetischer Varianten mit geringer Penetranz führen wir genomweite Assoziationsuntersuchungen (GWAS) an umfangreichen Patientenkollektiven durch.  Die GWAS, ist eine Methode, die in der Genetik eingesetzt wird, um Zusammenhänge zwischen genetischen Variationen in Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs) und Merkmalen oder Krankheiten zu ermitteln. Dabei werden große Mengen genetischer Daten von vielen Personen analysiert, um SNPs zu identifizieren, die bei Personen mit einem bestimmten Merkmal oder einer bestimmten Krankheit häufiger auftreten als bei Personen ohne dieses Merkmal. Der große Stichprobenumfang bei GWAS trägt dazu bei, schwache Assoziationen zwischen den SNPs und dem Merkmal oder der Krankheit aufzudecken, die in kleineren Studien möglicherweise nicht entdeckt werden würden.

Sobald ein potenzielles krankheitsverursachendes Gen identifiziert und validiert wurde, können weitere Versuche durchgeführt werden, um die spezifische Rolle dieses Gens bei der Entstehung der Krankheit zu untersuchen. Dazu nutzen wir momentan vor allem das Zebrafischmodell. Das Zebrafischmodell hat in der Genetikforschung zunehmend an Bedeutung gewonnen. Da es sich bei angeborenen Fehlbildungen meist um komplexe Anlagestörungen handelt und die Komplexität der Entwicklung von Fehlbildungen ganzer Organsysteme nicht in einer einfachen Zellkultur abgebildet werden kann, bietet sich der Zebrafisch als Modellorganismus für Untersuchungen der identifizierten Kandidatengene an. Die Verwendung von Zebrafischmodellen hat gegenüber herkömmlichen Tiermodellen (wie zum Beispiel Mausmodellen) in der Genforschung mehrere Vorteile. Zum einen entwickeln sich Zebrafischembryonen nach der Laichablage außerhalb des Mutterorganismus, was eine nicht invasive Beobachtung sämtlicher Entwicklungsvorgänge ermöglicht. Die Transparenz von Zebrafischembryonen lässt außerdem eine Echtzeit-Visualisierung der Genexpression und der Organentwicklung zu, was ein detaillierteres Verständnis der Rolle spezifischer Gene in der Entwicklung ermöglicht. Zudem haben Zebrafische eine hohe Reproduktionsrate, so dass es möglich ist, groß angelegte genetische Untersuchungen durchzuführen, um zusätzliche krankheitsverursachende Gene zu identifizieren. Dies ist bei Mausmodellen nicht möglich, da die Anzahl der Nachkommen begrenzt ist und die Zucht länger dauert. Außerdem haben Zebrafische eine kurze Generationszeit, so dass die Forscher in relativ kurzer Zeit mehrere Generationen von Kreuzungen durchführen können. Dies ermöglicht die schnelle Identifizierung neuer krankheitsverursachender Mutationen und die Untersuchung ihrer Auswirkungen auf die Genexpression und Organentwicklung.

Unsere Forschungsarbeiten tragen damit zu einem besseren Verständnis der biologischen Mechanismen normaler und gestörter embryonaler Entwicklung der menschlichen Organsysteme bei. Die Identifizierung hochpenetranter ursächlicher Varianten eröffnet zudem neue diagnostische Möglichkeiten und erlaubt eine genaue Einschätzung des Wiederholungsrisikos für die betroffenen Familien.

• ELAN Exome and zebrafish analyses on VATER/VACTERL (2022 – 2023)
• DFG Identification and characterization of genetic causes of congenital chylothoraces (GZ: RE 1723/10-1) (2023-2026)

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/?term=heiko+reutter