Alternierende Hemiplegie des Kindesalters als neue ... · Alternierende Hemiplegie des Kindesalters...
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Ins$tut für Neurogene$k neurogenetics- luebeck.de Alternierende Hemiplegie des Kindesalters als neue Manifesta4on im Zusammenhang mit Muta4onen des Adenylatcyclase-5-Gens Christoph Max 1 , Ana Westenberger 1 , Norbert Brüggemann 1,2 , Aloysius Domingo 1,3 , Karen Grütz 1 , Heike Pawlack 1 , Anne Weissbach 1 , Andrea A. Kühn 4 , Juliane Spiegler 5 , Anthony E. Lang 6 , Jürgen Sperner 7 , Victor S.C. Fung 8 , Jens Schallner 9 , Gabriele Gillessen-Kaesbach 10 , Alexander Münchau 1 , Chris4ne Klein 1 . 1 Ins$tut für Neurogene$k, Universität zu Lübeck. 2 Klinik für Neurologie, Universität zu Lübeck. 3 Graduierten Schule, Universität zu Lübeck. 4 Klinik für Neurologie, Charité, Humboldt-Universität, Campus Virchow-Klinikum, Berlin. 5 Klinik für Kinder- und Jugendmedizin des Universitätsklinikums Schleswig-Holstein. 6 Division of Neurology, Department of Medicine, University of Toronto, and the Edmond J. Safra Program in Parkinson’s Disease, Toronto Western Hospital, Toronto, Ontario, Canada. 7 Schwerpunktpraxis Neuropädiatrie, Lübeck. 8 Movement Disorders Unit, Neurology Department, Westmead Hospital & Sydney Medical School, Sydney, Australia. 9 Klinik für Neuropädiatrie, Medizinische Fakultät Carl Gustav Carus, Technische Univers$tät Dresden. 10 Ins$tut für Humangene$k, Universität zu Lübeck. Einleitung Die Molekulargene$k als Teilbereich der Gene$k beschäbigt sich unter anderem mit Veränderungen (Muta$onen) des menschlichen Erbguts (der DNA), welche Krankheiten verursachen oder deren Entstehung begüns$gen. Die Neurogene$k konzentriert sich dabei auf Erkrankungen des Nervensystems und damit verbundene Bewegungsstörungen. Abb. 3: Klinische Manifesta4onen. links: Während einer Agacke paroxysmaler Schwäche ist bei diesem Pa$enten eine komplege Lähmung der linken Körperhälbe zu beobachten. rechts: Bei diesem Pa$enten zeigt sich beim Malen eine ausgeprägte, handlungsinduzierte Kieferöffnungsdystonie. Hintergrund Was ist ADCY5? Die Adenylatcyclase-5 (AC5) ist das fünbe Mitglied einer zehnköpfigen Enzymfamilie und katalysiert als membranständiges Protein die Bildung von zyklischem Adenosinmonophosphat (cAMP) aus Adenosintriphosphat (ATP) (s. Abb 1). Das Molekül cAMP wiederum ist als second messenger an vielen Signalwegen der Zelle beteiligt (s. Abb. 2). Kodiert wird das AC5-Enzym vom Adenylatcylase-5-Gen (ADCY5), welches wir in diesem Projekt untersucht haben. Zusammenfassung & Ausblick • Die zwei betroffenen Pa$enten haben – möglicherweise aufgrund der Nähe beider Muta$onen auf dem DNA-Abschnig – ein ähnliches klinisches Erscheinungsbild, das AHC-ähnliche Symptome beinhaltet. • Demnach umfasst das Phänotypenspektrum von ADCY5-Muta$onen zusätzlich zu paroxysmaler Dyskinesie und persis$erender Hyperkinesie auch die hier beschriebene paroxysmale Schwäche. • In Anbetracht dieses neuen Phänotyps im Zusammenhang mit ADCY5- Muta$onen sollte bei Pa$enten mit AHC unklarer Ursache eine molekulargene$sche Analyse von ADCY5 in Betracht gezogen werden. • Den gene$schen Studien werden nun funk$onelle Untersuchen folgen, um herauszufinden, wie die Muta$onen über Genexpressionen und auf Protein- und Zellebene zur beschriebenen Krankheit führen. Nur so können eines Tages Therapieop$onen für Betroffene entwickelt werden. Methoden • In einer Gruppe von 108 Pa$enten, die von einer hyperkine$schen Bewegungsstörung ungeklärter Ursache betroffen sind, wurden alle 21 kodierenden Exons des ADCY5- Gens einschließlich Intron/Exon-Grenzen mithilfe der Sanger- Methode sequenziert. • Alle kodierenden, nicht-synonymen Varianten, die daraus hervorgingen, wurden anschließend einer computer- gestützten in-silico Analyse unterzogen. • Darüber hinaus verändern beide Muta$onen die selbe funk$onell wich$ge cyto- plasma$sche Domäne, die in einem ak$ven Zentrum der AC5 eine Bindungsstelle für das Substrat ATP bildet (s. Abb. 6). • Neben einer generalisierten Chorea hagen sich beide Muta$onsträger mit Agacken paroxysmaler Schwäche bzw. Lähmung vorgestellt, was dazu geführt hage, die klinische Diagnose einer alternierenden Hemiplegie des Kindesalters (AHC) zu stellen. Danksagungen Wir möchten uns herzlich bei allen teilnehmenden Pa$enten für ihre wertvolle Mitarbeit bedanken. Christoph Max bedankt sich bei der „Lübecker Exzellenzmedizin“ der Universität zu Lübeck für die Promo$onsförderung. Wildtyp: L D F D1015E: L E F Abb. 4: Chromatogramme der Sanger-Sequenzierung. Basenabfolge in Exon 17 bzw. 18 um die jeweilige Muta$on. Cytosin (C) – blau; Thymin (T) – rot; Guanin (G) – schwarz; Adenin (A) – grün. links: c.3045C>A führt zu p.D1015E; rechts: c.3074A>T führt zu p.E1025V. (Drei Basenpaare kodieren jeweils für eine Aminosäure) Abb. 5: Sequenzvergleich mit anderen Spezies. Gezeigt ist die Aminosäuresequenz der Region des ADCY5- Proteins, welche beide Muta$onen enthält. Sowohl die Asparaginsäure (D) an Posi$on 1015 (links), die infolge der c.3045C>A Muta$on durch Glutaminsäure (E) ausgetauscht wird, als auch die Glutaminsäure (E) an Posi$on 1025 (rechts), die aufgrund der c.3074A>T Muta$on durch Valin (V) ausgetauscht wird, zeigen jeweils in verschiedenen Spezies eine starke, evolu$onäre Konservierung. Das bedeutet, dass diese Aminosäuren im Laufe der Evolu$on weitgehend unverändert blieben, was für eine wich$ge Funk$on innerhalb des Proteins spricht. Abb. 6: Alle bekannten ADCY5-Muta4onen. (Pfeile markieren die von uns gefundenen Muta$onen) oben: Proteinstruktur der Adenylatcyclase-5 mit transmembranären Domänen M1 und M2 und cytoplasma$schen Domänen C1 und C2 unten: Schema$scher Auvau des ADCY5-Gens mit einzelnen Exons (mit freundlicher Genehmigung von Chris$n Krause) M1029K Wildtyp: E E K E1025V: E V K Abb. 1: Adenylatcyclasesystem. (modifiziert nach Biochemistry: A Short Course, Third Edi$on, 2015) Stand der Forschung In den letzten vier Jahren wurden im ADCY5 -Gen verschiedene Muta$onen entdeckt, die als Ursache für eine Gruppe komplexer Bewegungsstörungen gelten. Deren Phänotyp ist charakterisiert durch Krankheitsbeginn im Kindesalter, persis$erende oder paroxysmale choreiforme, myoklonische und/oder dystone Bewegung der Gliedmaßen, des Nackens und/oder des Gesichts. 1-4 Ziele der Arbeit Erforschung weiterer Manifesta$onsformen von ADCY5- Genmuta$onen und dadurch Erweiterung des klinischen Spektrums. Abb. 2: AC5-katalysierte Reak4on. Es findet eine intramolekulare Ringbildung von ATP zu cAMP stag. Ergebnisse • Bei zwei der Pa$enten wurden bisher nicht beschriebene ADCY5-Muta$onen gefunden (jeweils heterozygot): • In Pa$ent A: c.3045C>A; p.Asp1015Glu = p.D1015E • In Pa$ent B: c.3074A>T; p.Glu1025Val = p.E1025V • Beide Muta$onen sind evolu$onär konserviert (s. Abb. 5), werden von in-silico Analyseprogrammen als krankheits- verursachend eingestub und fehlen in den mehr als 60.000 Exomen des Exome Aggrega/on Consor/um (ExAC) Browsers. Quellen 1. Chen YZ, Matsushita MM, Robertson P, et al. Autosomal dominant familial dyskinesia and facial myokymia: single exome sequencing iden$fies a muta$on in adenylyl cyclase 5. Arch Neurol. 2012;69(5):630-635. 2. Chen YZ, Friedman JR, Chen DH, et al. Gain-of-func$on ADCY5 muta$ons in familial dyskinesia with facial myokymia. Ann Neurol. 2014;75(4):542-549. 3. Carapito R, Paul N, Untrau M, et al. A de novo ADCY5 muta$on causes early-onset autosomal dominant chorea and dystonia. Mov Disord. 2015;30(3):423-427. 4. Mencacci NE, Erro R, Wiethoff S, et al. ADCY5 muta$ons are another cause of benign hereditary chorea. Neurology. 2015;85(1):80-88. Publika4onen In Koorpera$on mit der Arbeitsgruppe um F. C. Chang der Movement Disorders Unit, Department of Neurology, Westmead Hospital, Sydney, Australien, wurde zum selben Gen bereits folgendes Paper veröffentlicht: Chang FC, Westenberger A, Dale RC, et al. Phenotypic insights into ADCY5-associated disease. Mov Disord. 2016 Apr 8. [Epub ahead of print] Abkürzungen ADCY5 Adenylatcyclase-5 (Gen) AC5 Adenylatcyclase-5 (Protein) ATP Adenosintriphosphat cAMP zyklisches Adenosinmonophosphat AHC Alternierende Hemiplegie des Kindesalters AC5
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Ins$tutfürNeurogene$k
neurogenetics-luebeck.de
AlternierendeHemiplegiedesKindesaltersalsneueManifesta4onimZusammenhangmitMuta4onendesAdenylatcyclase-5-Gens
ChristophMax1,AnaWestenberger1,NorbertBrüggemann1,2,AloysiusDomingo1,3,KarenGrütz1,HeikePawlack1,AnneWeissbach1,AndreaA.Kühn4,JulianeSpiegler5,AnthonyE.Lang6,JürgenSperner7,VictorS.C.Fung8,JensSchallner9,GabrieleGillessen-Kaesbach10,AlexanderMünchau1,Chris4neKlein1.
1Ins$tutfürNeurogene$k,UniversitätzuLübeck.2KlinikfürNeurologie,UniversitätzuLübeck.3GraduiertenSchule,UniversitätzuLübeck.4KlinikfürNeurologie,Charité,Humboldt-Universität,CampusVirchow-Klinikum,Berlin.
5KlinikfürKinder-undJugendmedizindesUniversitätsklinikumsSchleswig-Holstein.6DivisionofNeurology,DepartmentofMedicine,UniversityofToronto,andtheEdmondJ.SafraPrograminParkinson’sDisease,TorontoWesternHospital,Toronto,Ontario,Canada.7SchwerpunktpraxisNeuropädiatrie,Lübeck.
8MovementDisordersUnit,NeurologyDepartment,WestmeadHospital&SydneyMedicalSchool,Sydney,Australia.9KlinikfürNeuropädiatrie,MedizinischeFakultätCarlGustavCarus,TechnischeUnivers$tätDresden.10Ins$tutfürHumangene$k,UniversitätzuLübeck.
EinleitungDieMolekulargene$kalsTeilbereichderGene$kbeschäbigtsichunteranderemmitVeränderungen (Muta$onen) des menschlichen Erbguts (der DNA), welcheKrankheiten verursachen oder deren Entstehung begüns$gen. Die Neurogene$kkonzentriertsichdabeiaufErkrankungendesNervensystemsunddamitverbundeneBewegungsstörungen.
Abb.3:KlinischeManifesta4onen.links: WährendeinerAgackeparoxysmalerSchwächeistbeidiesemPa$enteneinekomplegeLähmungderlinkenKörperhälbezubeobachten.rechts: BeidiesemPa$entenzeigtsichbeimMaleneineausgeprägte,handlungsinduzierteKieferöffnungsdystonie.
HintergrundWasistADCY5?DieAdenylatcyclase-5(AC5)istdasfünbeMitgliedeinerzehnköpfigenEnzymfamilieund katalysiert als membranständiges Protein die Bildung von zyklischemAdenosinmonophosphat (cAMP) aus Adenosintriphosphat (ATP) (s. Abb 1). DasMolekül cAMPwiederum ist als secondmessengeranvielenSignalwegenderZellebeteiligt(s.Abb.2).KodiertwirddasAC5-EnzymvomAdenylatcylase-5-Gen(ADCY5),welcheswirindiesemProjektuntersuchthaben.
Zusammenfassung&Ausblick• Die zwei betroffenen Pa$enten haben – möglicherweise aufgrund derNähe beider Muta$onen auf dem DNA-Abschnig – ein ähnlichesklinischesErscheinungsbild,dasAHC-ähnlicheSymptomebeinhaltet.
• Demnach umfasst das Phänotypenspektrum von ADCY5-Muta$onenzusätzlichzuparoxysmalerDyskinesieundpersis$erenderHyperkinesieauchdiehierbeschriebeneparoxysmaleSchwäche.
• In Anbetracht dieses neuen Phänotyps im ZusammenhangmitADCY5-Muta$onen sollte bei Pa$enten mit AHC unklarer Ursache einemolekulargene$scheAnalysevonADCY5inBetrachtgezogenwerden.
• Dengene$schenStudienwerdennun funk$onelleUntersuchen folgen,umherauszufinden,wiedieMuta$onenüberGenexpressionenundaufProtein- und Zellebene zur beschriebenen Krankheit führen. Nur sokönneneinesTagesTherapieop$onenfürBetroffeneentwickeltwerden.
Methoden• In einer Gruppe von 108 Pa$enten, die von einerhyperkine$schen Bewegungsstörung ungeklärter Ursachebetroffensind,wurdenalle21kodierendenExonsdesADCY5-GenseinschließlichIntron/Exon-GrenzenmithilfederSanger-Methodesequenziert.
• Alle kodierenden, nicht-synonymen Varianten, die daraushervorgingen, wurden anschließend einer computer-gestütztenin-silicoAnalyseunterzogen.
• DarüberhinausverändernbeideMuta$onendie selbe funk$onell wich$ge cyto-plasma$sche Domäne, die in einem ak$venZentrumderAC5eineBindungsstellefürdasSubstratATPbildet(s.Abb.6).
• Neben einer generalisierten Chorea hagensich beide Muta$onsträger mit Agackenparoxysmaler Schwäche bzw. Lähmungvorgestellt, was dazu geführt hage, dieklinische Diagnose einer alternierendenHemiplegiedesKindesalters(AHC)zustellen.
DanksagungenWirmöchtenunsherzlichbeiallenteilnehmendenPa$entenfürihrewertvolleMitarbeitbedanken.ChristophMaxbedanktsichbeider„LübeckerExzellenzmedizin“derUniversitätzuLübeckfürdiePromo$onsförderung.
Wildtyp:LDF
D1015E:LEF
Abb.4:ChromatogrammederSanger-Sequenzierung.BasenabfolgeinExon17bzw.18umdiejeweiligeMuta$on.Cytosin(C)–blau;Thymin(T)–rot;Guanin(G)–schwarz;Adenin(A)–grün.links:c.3045C>Aführtzup.D1015E;rechts:c.3074A>Tführtzup.E1025V.(DreiBasenpaarekodierenjeweilsfüreineAminosäure)
Abb.5:SequenzvergleichmitanderenSpezies.Gezeigt ist die Aminosäuresequenz der Region des ADCY5-Proteins,welchebeideMuta$onenenthält.Sowohl die Asparaginsäure (D) an Posi$on 1015 (links), dieinfolge der c.3045C>A Muta$on durch Glutaminsäure (E)ausgetauschtwird, als auch die Glutaminsäure (E) an Posi$on1025(rechts),dieaufgrundderc.3074A>TMuta$ondurchValin(V)ausgetauschtwird, zeigen jeweils inverschiedenenSpezieseine starke, evolu$onäre Konservierung. Das bedeutet, dassdiese Aminosäuren im Laufe der Evolu$on weitgehendunverändertblieben,was füreinewich$geFunk$on innerhalbdesProteinsspricht.
Abb.6:AllebekanntenADCY5-Muta4onen.(PfeilemarkierendievonunsgefundenenMuta$onen)oben: ProteinstrukturderAdenylatcyclase-5mittransmembranärenDomänenM1undM2und
cytoplasma$schenDomänenC1undC2unten: Schema$scherAuvaudesADCY5-GensmiteinzelnenExons
(mitfreundlicherGenehmigungvonChris$nKrause)
M1029K
Wildtyp:EEK
E1025V:EVK
Abb.1:Adenylatcyclasesystem.(modifiziertnachBiochemistry:AShortCourse,ThirdEdi$on,2015)
StandderForschungIn den letzten vier Jahren wurden im ADCY5-GenverschiedeneMuta$onenentdeckt, die alsUrsache für eineGruppe komplexer Bewegungsstörungen gelten. DerenPhänotyp ist charakterisiert durch Krankheitsbeginn imKindesalter, persis$erende oder paroxysmale choreiforme,myoklonischeund/oderdystoneBewegungderGliedmaßen,desNackensund/oderdesGesichts.1-4
ZielederArbeitErforschung weiterer Manifesta$onsformen von ADCY5-Genmuta$onen und dadurch Erweiterung des klinischenSpektrums.
Abb.2:AC5-katalysierteReak4on.EsfindeteineintramolekulareRingbildungvonATPzucAMPstag.
Ergebnisse• Bei zwei der Pa$enten wurden bisher nicht beschriebeneADCY5-Muta$onengefunden(jeweilsheterozygot):
• InPa$entA:c.3045C>A;p.Asp1015Glu=p.D1015E• InPa$entB:c.3074A>T;p.Glu1025Val=p.E1025V• Beide Muta$onen sind evolu$onär konserviert (s. Abb. 5),werden von in-silico Analyseprogrammen als krankheits-verursachend eingestub und fehlen in denmehr als 60.000ExomendesExomeAggrega/onConsor/um(ExAC)Browsers.
Quellen1. ChenYZ,MatsushitaMM,RobertsonP,etal.Autosomaldominantfamilialdyskinesiaandfacialmyokymia:
singleexomesequencingiden$fiesamuta$oninadenylylcyclase5.ArchNeurol.2012;69(5):630-635.2. ChenYZ,FriedmanJR,ChenDH,etal.Gain-of-func$onADCY5muta$onsinfamilialdyskinesiawithfacial
myokymia.AnnNeurol.2014;75(4):542-549.3. CarapitoR,PaulN,UntrauM,etal.AdenovoADCY5muta$oncausesearly-onsetautosomaldominant
choreaanddystonia.MovDisord.2015;30(3):423-427.4. MencacciNE,ErroR,WiethoffS,etal.ADCY5muta$onsareanothercauseofbenignhereditarychorea.
Neurology.2015;85(1):80-88.
Publika4onenInKoorpera$onmitderArbeitsgruppeumF.C.ChangderMovementDisordersUnit,DepartmentofNeurology,WestmeadHospital,Sydney,Australien,wurdezumselbenGenbereitsfolgendesPaperveröffentlicht:ChangFC,WestenbergerA,DaleRC,etal.PhenotypicinsightsintoADCY5-associateddisease.MovDisord.2016Apr8.[Epubaheadofprint]
AbkürzungenADCY5 Adenylatcyclase-5(Gen)AC5 Adenylatcyclase-5(Protein)ATP AdenosintriphosphatcAMP zyklischesAdenosinmonophosphatAHC AlternierendeHemiplegiedes
Kindesalters
AC5
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