Plazentamosaik und Uniparentale Disomie

:: Chorionzottenbiopsie ::

Bei der Chorionzottenbiopsie (CVS) wird mittels eines operativen Eingriffs Gewebe mit darin enthaltenen kindlichen Zellen entnommen. Die Biopsie wird zwischen der 10. und 12. Schwangerschaftswoche durchgeführt. Zu diesem Zeitpunkt ist das Amnion vom Chorion getrennt bzw. sind die beiden Schichten durch die dünne Dezidualschicht vom Cavum uteri separiert.

Aufgrund der Direktpräparation der CVS kann der Befund innerhalb von 3 Tagen fertiggestellt werden. Da die Zellen nicht durch Kultivierung zur Teilung gebracht werden, muss man mit den Mitosen Vorlieb nehmen, die in den Zotten vorhanden sind - und damit eine wesentlich schlechtere Chromosomenqualität. Strukturelle Aberrationen können nur bedingt festgestellt werden.

Aus diesem Grund wird die Direktpräparation der CVS durch eine Langzeitkultur abgesichert, deren Kulturdauer in etwa 10 Tage beträgt.

Auf Grund dieser unterschiedlichen Präparationsmethoden werden auch unterschiedliche Zelltypen erfasst. Bei der Direktpräparation werden Zytotrophoblasten untersucht, bei der Langzeitkultur hingegen die mesenchymale Zelllinie des Zottenstromas.

Das jeweilige Ergebnis (der Karyotyp) ist somit Zelllinienspezifisch, eine abnormale Zelllinie kann, aber muss nicht den Fetus repräsentieren. So kann bei Direktpräparation und Kultivierung derselben Probe ein unterschiedliches Ergebnis resultieren.

Ebenso kann das Phänomen des Plazentamosaiks auftreten: Die Plazenta zeigt in der CVS ein abnormales Ergebnis, das der Fetus nicht aufweist und in einer Amniocentese daher auch nicht bestätigt wird.

Index

:: Chorionzottenbiopsie
:: Plazentamosaik
:: Uniparentale Disomie
:: elternspezifische Prägung
:: Auswirkungen einer UPD
:: Diagnostik
:: Fluoreszenz in situ Hybridisierung
:: Methylierungstest
:: Mikrosatellitenanalyse
:: Quellenangabe
:: weiterführende Artikel


Begriffe

Zygote

befruchtete Eizelle, die einen diploiden Chromosomensatz enthält und aus der sich das Individuum der neuen Generation entwickelt

 

:: Plazentamosaik

Unter Mosaiken der Plazenta versteht man eine unterschiedliche Chromosomenausstattung von Zellen innerhalb der Plazenta bzw. zwischen Plazenta und Fetus.

Solche Mosaike werden in etwa 1-2% der Chorionzottenbiopsien der 9-12. SSW gefunden. Sie sind ein Resultat von Mutationen nach Bildung der Zygote, die entweder den äußeren Trophoblasten oder die innere Zellmasse der Morula oder den Epiblasten der Blastozyste betreffen.

Bei Diploidie des Fetus können innerhalb der Plazenta drei Typen von Mosaiken angetroffen werden:

Typ I – Aneuploidie im Zytotrophoblasten und Diploidie im Zottenstroma
Typ II – Aneuploidie im Zottenstroma und Diploidie im Zytotrophoblasten
Typ III – Aneuploidie in Zytotrophoblasten und Zottenstroma

Die Bedeutung der intraplazentaren Mosaike für die Entwicklung der Frucht ist bis heute nicht eindeutig geklärt. Bei einem Mosaik, Aneuploidie im Zytotrophoblasten und Zottenstroma, aber Diploidie im Fetus ist dieser häufig wachstumsretardiert.

Bei Trisomien oder Mosaike von Chromosomen, welche inkompatibel sind mit intrauteriner Überlebensfähigkeit, z.B. Trisomie 7 oder 15, und sowohl in Zytotrophoblasten als auch Zottenstroma auftreten, wird üblicherweise der CVS eine Amniocentese angeschlossen.
Auch wenn die Amniocentese nun ein normales Ergebnis zeigt, darf nicht automatisch angenommen werden, dass der Fetus normal und gesund ist, sondern dass das Risiko auf eine biparentale Weitergabe jenes Chromosoms besteht, das in der CVS dreifach aufgetreten ist.

Dieses Phänomen wird Uniparentale Disomie (UPD) genannt und ist ursprünglich ein Rettungsmechanismus der Natur, der „schief gegangen“ ist.

:: TOP ::

:: Uniparentale Disomie

Uniparentale Disomie (UPD)

Wenn bei bei einem Chromosomenpaar beide homologe Chromosomen von ein und demselben Elternteil stammen, nennt man dies Uniparentale Disomie.

ein Beispiel

mütterliche UPD 15 verursacht das Prader-Willi-Syndrom
väterliche UPD 15 verursacht das Angelman-Syndrom

Heterodisomie und Isodisomie

Uniparentale Heterodisomie - Verlust des singulären Homologen bei einer trisomen Zygote (Trisomy Rescue)

das bedeutet, ein Individuum trägt beide Kopien eines Chromosoms, das es von einem Elternteil erhalten hat (beide Chromosomen wurden weitergegeben)

Uniparentale Isodisomie - somatische Reduplikation des in der Zygote monosom vorliegenden Chromosoms (Monosomy Rescue)

das bedeutet das Vorhandensein von zwei Kopien von einem der beiden elterlichen Chromosomen (ein Chromosom wurde verdoppelt und zweimal weitergegeben)

Weil das Vorkommen von meiotischer Nondisjunction mit höherem mütterlichen Alter steigt, ist eine mütterliche UPD zumeist heterodisom, während bei der väterlichen UPD eine Isodisomie vorherrscht (keine Korrelation zum väterlichen Alter).

triploide Zygoten entstehen durch

· Dispermie = Befruchtung der Eizelle durch 2 Spermien
Folge: Triplodie, Vorhandensein zweier väterlicher Chromosomen desselben Typs und ein drittes mütterliches Chromosom

· Ausbleiben der Anaphase (Mitose) während der Oogenese oder der Spermatogenese
es entsteht eine Eizelle bzw. ein Spermium, die statt einem haploiden Chromosomensatz einen diploiden aufweisen (Eizelle 46,XX bzw. Spermium 46,XY)

:: TOP ::

Beispiel mütterliche UPD 15 (Prader-Willi-Syndrom)

Beide homologe Chromosomen 15 wurden von der Mutter geerbt und keines vom Vater.

Dies entsteht als Folge einer mütterlichen Nondisjunction der Chromosomen 15 in der Meiose. Die Befruchtung der disomen Eizelle (hier sind nun zwei statt nur einem Chromosom 15 vorhanden) erfolgt entweder durch ein für Chromosom 15 nullisomes Spermium (Spermium mit nur 22 Chromosomen, Chromosom 15 fehlt) oder ein normales Spermium (haploider Chromosomensatz).
Im letzteren Fall entsteht dabei eine triploide Zygote. Das väterliche Chromosom 15 aus der trisomen Zygote geht später in einer der frühen postzygotischen Teilungen verloren, zurück bleibt ein diploider (scheinbar unauffälliger) Chromosomensatz, der jedoch zwei mütterliche Chromosomen 15 aufweist und keines vom Vater.

Robertson'sche Translokation

Ein erhöhtes Risiko für das Auftreten einer UPD scheinen Träger reziproker oder Robertsonscher Translokationen zu haben. Auf UPD sollte auf jeden Fall getestet werden, wenn in der Pränataldiagnostik eine identisch scheinende, balancierte Translokation eines gesunden Elternteils bei einem auffälligen Kind gefunden wird.
Es muss beachtet werden, ob die Kriterien für den Phänotyp einer UPD für eines der Chromosomen, die in dem Rearragement involviert sind, erfüllt werden.

:: TOP ::

:: elternspezifische Prägung

Wie alle höheren Lebewesen besitzt der Mensch ein diploides somatisches Genom. Das Genom ist die Summe aller DNA-Sequenzen eines Individuums. Bei der Befruchtung werden ein väterliches und ein mütterliches Genom vereinigt und bilden damit einen neuen Organismus.

funktionelle Nichtäquivalenz der elterlichen Genome für die embryonale Entwicklung

Androgenetische Embryonen mit zwei männlichen Genomen sind im Wachstum stark retardiert, während Trophoblast und Dottersack relativ gut ausgebildet sind.
Dagegen entwickeln sich gynogenetische Embryonen mit zwei weiblichen Genomen relativ normal bis zur Schwangerschaftsmitte, haben aber kaum extraembryonales Gewebe.
In beiden Fällen kommt es zum vorzeitigen Absterben der Schwangerschaft.

Ursache ist die elternspezifische Prägung (Imprinting) von einigen Genen, die ausschließlich von den väterlichen beziehungsweise mütterlichen Chromosomen exprimiert werden. Eine normale Entwicklung und ein normaler Phänotyp erfordern deshalb nicht nur einen diploiden Chromosomensatz, sondern auch eine biparentale (väterliche und mütterliche) Vererbung.

Bei uniparentalen Disomien (UPD) stammen beide Chromosomen entweder von der Mutter oder vom Vater, zum Beispiel beide Chromosomen 15 von nur einem Elternteil, während alle übrigen Chromosomen in einer väterlichen und einer mütterlichen Kopie vorliegen.

:: TOP ::

Uniparentale Disomien kommen wahrscheinlich dadurch zustande, dass Embryonen, die aufgrund von Chromosomenfehlverteilungen in der mütterlichen oder väterlichen Meiose beispielsweise eine Trisomie 15 oder eine Monosomie 15 aufweisen, durch den zufälligen Verlust eines überzähligen Chromosoms 15 beziehungsweise eine Chromosomenduplikation in einer der ersten Teilungen nach der Befruchtung „gerettet“ werden.

Mit Ausnahme der Geschlechtschromosomen führt das Fehlen eines Chromosoms immer zum Schwangerschaftsverlust.

Trisomien sind nur für die Chromosomen 21 (Down-Syndrom), 13 (Pätau-Syndrom) und 18 (Edwards-Syndrom) sowie für die Geschlechtschromosomen überlebensfähig. Entsteht durch solche embryonalen „Rettungsversuche“ aus aneuploiden Zellen eine maternale oder paternale UPD 15, beobachtet man sehr unterschiedliche Krankheitsbilder.

:: Bild Entstehung UPD ::

DNA-Methylierung der elterlichen Genome

Die elternspezifische Prägung von Genen und Genomen findet in der väterlichen und mütterlichen Keimbahn statt. Während der Reifung der Geschlechtszellen erhalten die Chromosomen beider Elternteile verschiedene Kodierungen in Form von DNA-Methylierung, die kritisch für die Regulation der väterlichen und mütterlichen „Interessen“ bei der Entwicklung des Embryos in der nächsten Generation sind. Durch enzymatische Methylierung bestimmter Cytosinbasen wird die Chromatinstruktur und damit die Zugänglichkeit von Genen für die Transkriptionsmaschinerie gezielt beeinflusst.

VorkerneMitoseAbbildung: Elternspezifische Methylierungsreprogrammierung im frühen Embryo. Methylierte DNA-Sequenzen sind durch Immunfloureszenz mit einem Anti-5-Methyl-Cytosin-Antikörper grün markiert, demethylierte Sequenzen erscheinen durch die Gegenfärbung mit DAPI blau.

Mütterlicher Vorkern in der Zygote kurz nach der Befruchtung bzw. erste Mitose nach der Kernverschmelzung hochmethyliert und daher grün. Väterlicher Vorkern bzw. Chromosomen demethyliert und daher blau.

Durch Methylierung wird die "Lesbarkeit" der Gensequenz reversibel modifiziert. Dieses Phänomen wird als Epigenetik bezeichnet.
Durch das Setzen von Methylierungsmustern werden Gene oder ganze Genomabschnitte für die Zelle lesbar beziehungsweise unlesbar gemacht. Eine Leberzelle benötigt andere Informationen aus dem gesamten genetischen Repertoire (Genom) eines Organismus als eine Muskelzelle.
Die zelltypspezifische Methylierungskodierung ist in der Regel stabil und wird bei der Zellteilung an beide Tochterzellen weitergegeben ("vererbt"). Entwicklungs- und Differenzierungsprozesse sind aber nur möglich, wenn die dazu benötigten "geschützten" Gene durch Demethylierung wieder lesbar gemacht und nicht mehr relevante Gene durch Methylierung inaktiviert werden. Die Methylierungsmuster und damit das genetische Programm einer Zelle müssen also veränderbar sein.

:: TOP ::

:: Auswirkungen einer UPD

Bis heute (Stand 2001, Albert Schinzel) wurden UPDs für fast alle menschlichen Chromosomen beschrieben. Ausnahmen bilden eine maternale UPD 3, 5, 11, 12, 18 und 19, sowie eine paternale UPD 3, 4, 9, 12, 17, 18 und 19.

Nach bisherigem Wissen beeinflussen uniparentale Disomien von nur wenigen Chromosomen den Phänotyp. Dieses sind die maternale UPD für die Chromosomen 7, 14 und 15, sowie die paternale UPD für die Chromosomen 6, 11, 14 und 15.

Bekannte Beispiele für eine UPD mit klinischen Konsequenzen sind:

  • paternale UPD 6: transienter neonataler Diabetes mellitus
  • maternale UPD 15 (Prader-Willi Syndrom)
  • paternale UPD 15 (Angelman Syndrom)
  • maternale UPD 7 (Silver-Russell Syndrom)
  • paternale UPD 11 (Beckwith-Wiedemann Syndrom (BWS))
  • maternale UPD 14 führt zu intrauteriner und postnataler Wachstumsretardierung (Kleinwuchs, Hypotonie, überstreckbare Gelenke, Skoliose, geringe faciale Dysmorphien, milde Entwicklungsretardierung, frühzeitige Pubertät)
  • paternale UPD 14 verursacht eine variables Muster des MCA/MR Syndroms (stärkere Ausprägung als bei upd(14)mat sowie zusätzlich mentale Retardierung und skeletale Abnormalitäten, die zu Kleinwuchs führen)

Bei manchen Chromosomen, zum Beispiel 13, 21 und 22, scheinen UPD keine phänotypischen Auswirkungen zu haben. UPD, die sehr früh in der Schwangerschaft zum Abort führen oder nur mit relativ unspezifischen Merkmalen (zum Beispiel Wachstumsstörungen, Fertilitätsprobleme oder erhöhtes Krebsrisiko) einhergehen, sind allerdings nur sehr schwer nachzuweisen.

Andererseits zeigen nur einige Dutzend bis 100 der 30.000 bis 40.000 menschlichen Gene eine elternspezifische Aktivität. Da diese relativ wenigen Gene nicht zufällig im Genom verteilt, sondern in Gruppen angeordnet sind, müssen nicht auf allen Chromosomen geprägte Regionen vorhanden sein.

Generell ist eine UPD-Diagnostik sinnvoll bei:

  • Feten mit einer Robertsonschen Translokation oder
  • Feten mit einem Isochromosom für die Chromosomen 14 und 15 und Wachstumsverzögerung und/oder mentaler Retardierung
  • Feten mit chromosomalen Markern, die als Chromosom 6, 7, 11, 14 oder 15 identifiziert wurden
  • Auffälligkeiten im Ultraschall, die mit den Merkmalen bei UPD-Syndromen übereinstimmen
  • Feten mit einer Mosaik-Trisomie
  • Vorliegen eines Plazenta-Mosaiks
  • Neugeborene mit einem neonatalen Diabetes mellitus
  • Neugeborene mit Merkmalen eines Silver-Russell Syndroms
  • Neugeborene mit Verdacht auf BWS mit normalen Karyotyp und keiner über FISH nachgewiesenen Duplikation von 11p15.5

:: TOP ::

:: Diagnostik

Methode der Wahl ist die methylierungssensitive PCR, die in 95%-99% die Diagnose sichern kann.

Eine konventionelle Chromosomenanalyse sollte zum Ausschluß chromosomaler Veränderungen ebenfalls durchgeführt werden. Ein auffälliges Methylierungsmuster in der PCR kann zur Abschätzung des Wiederholungsrisikos weiter abgeklärt werden.

Deletionen können mittels Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) erkannt werden, eine maternale uniparentale Disomie durch Kopplungs-/Mikrosatellitenanalysen.

Zur Untersuchung wird EDTA-Blut oder DNA von Mutter, Vater und Kind/Fetus benötigt.

Methoden

Anhand der beiden Krankheitsbilder Prader-Willi-Syndrom (PWS) und Angelman-Syndrom (AS) wurde beim Menschen erstmalig nachgewiesen, dass es Gene gibt, die in Abhängigkeit von ihrer elterlichen Herkunft wirken (elternspezifische Prägung, auch genomic imprinting genannt).

Diese unterschiedliche Wirksamkeit ist auf die keimbahnspezifische Aktvierung bzw. Inaktivierung dieser Gene zurückzuführen.
Infolge der Prägung unterscheiden sich die väterliche und mütterliche Kopie dieses Bereichs in ihrer Chromatinstruktur, dem Methylierungsgrad (Gehalt an 5-Methylcytosin) der DNA und der Genexpression.
Solch ein für die jeweils paternal oder maternal geerbten DNA-Abschnitte charakteristisches Methylierungsmuster kann mit molekulargenetischen Techniken untersucht werden. Dieser sogenannte Methylierungstest weist das Fehlen väterlicher bzw. mütterlicher Allele nach, unabhängig vom Typ der vorliegenden Mutation und von der sonst notwendigen Untersuchung der elterlichen DNA.

PWS und AS werden durch den Funktionsverlust von Genen hervorgerufen, die nur auf dem einem der beiden elterlichen Chromosomen aktiv sind. Der Funktionsverlust kann hervorgerufen werden durch eine Deletion auf dem betreffenden elterlichen Chromosom 15 (Region 15q11.2q13), einer uniparentalen Disomie oder eines Imprintingfehlers (mütterliche Prägung des väterlichen Chromosoms oder umgekehrt).

Daher werden zur Diagnostik drei unterschiedliche Methoden eingesetzt.

:: TOP ::

:: Fluoreszenz-in situ-Hybridisierung (FISH)

FISH-Diagnostik zum Ausschluß einer Deletion

Für PWS und AS ist neben einer uniparentalen Disomie zu einem wesentlich größeren Anteil eine Mikrodeletion der Loci D15S10 und UBE3A innerhalb der Region 15q11.2q13 verantwortlich.
Diese Deletion ist mit einer Metaphase-FISH gut nachweisbar, ein normales Ergebnis schließt eine uniparentale Ursache für PWS oder AS jedoch nicht aus.

Die uniparentale Disomie ist mittels Metaphase-FISH-Analyse nicht nachweisbar.

:: Methylierungstest

Bei der Analyse wird die differentielle Methylierung untersucht. Hierfür eignet sich DNA aus EDTA-Blut, Chorionzotten und Amnionzellen des Probanden.

Das Verfahren basiert auf der Bisulfit-Modifikation der genomischen DNA der Patienten und anschließender Allel-spezifischer PCR. Die Bisulfit-Behandlung führt zur Konversion aller nicht-methylierter Cytosin-basen zu Uracil, während 5-Methyl-Cytosin-Basen unverändert bleiben.

Allele väterlichen Ursprungs unterliegen in diesem Bereich einer nahezu vollständigen Modifikation, während mütterliche Allele, bedingt durch den hohen Methylierungsgrad, nur einer teilweisen Konversion unterliegen. Die Primerpaare sind diesem unterschiedlichen Grad der Modifikation angepaßt und bedingen differenzierbare PCR-Produkte.

Bei einer Deletion, einer UPD oder einem Imprintingfehler fehlt entweder die mütterliche Bande oder die väterliche Bande.

:: TOP ::

:: Mikrosatellitenanalyse

Mikrosatellitenanalyse zum Nachweis einer uniparentalen Disomie

Für die Mikrosatellitenanalyse wird DNA des Probanden und der Eltern benötigt. Es werden Loci innerhalb des typischen Deletionsbereichs („interne Marker“) und Loci außerhalb des typischen Deletionsbereichs („externe Marker“) untersucht.

Bei Nachweis eines abnormalen Methylierungsmusters sollte mindestens ein interner Marker und ein externer Marker informativ sein. Fehlt bei internen Markern ein elterliches Allel, während bei externen Markern Allele beider Eltern nachweisbar sind, handelt es sich um eine Deletion.

Fehlt bei internen und bei externen Markern ein elterliches Allel, handelt es sich um eine UPD.

Bei einer UPD können isodisome und heterodisome Bereiche vorkommen. Sind bei internen und externen Markern Allele beider Eltern nachweisbar, handelt es sich bei Vorliegen eines abnormalen Methylierungsmusters um einen Imprintingfehler.

:: TOP ::

:: Quellenangabe

· Richtlinien und Stellungnahmen (BVmedgen) - Leitlinien für die molekulare und cytogenetische Diagnostik

Berufsverband Medizinische Genetik e.V.
Deutsche Gesellschaft für Humangenetik (2001
Leitlinien für die molekulare und cytogenetische Diagnostik bei Prader-Willi-Syndrom und Angelman-Syndrom
medgen 13: 71-73.

:: zum Artikel ::

· Geschlechterkonflikt im frühen Embryo: Elternspezifische Reprogrammierung des väterlichen und mütterlichen Erbguts nach der Befruchtung

Autor: Haaf, Thomas
Deutsches Ärzteblatt 100, Ausgabe 36 vom 05.09.2003, Seite A-2300
MEDIZIN

Fotos: © der Bilder liegt beim Deutschen Ärzteblatt

:: zum Artikel ::

:: TOP ::

:: weiterführende Artikel

:: Mikrodeletionen ::
:: Nachweismöglichkeiten bei PWS und AS ::