Mutationen im RNU4-2-Gen lösen Entwicklungsstörungen aus

„Das menschliche Genom gilt seit 2001 als entschlüsselt. Schaute man genauer hin, entzogen sich aber noch ganz viele Bereiche einer Zugänglichkeit. Diese Lücken konnten sich erst vor Kurzem durch die Weiterentwicklung der sogenannten Long-Read-Sequencing Technologie schließen lassen. Was haben wir aus der Entschlüsselung des Genoms gelernt? Wir haben gelernt, dass unsere rund 20.000 Gene, die in Eiweiße (Proteine) übersetzt werden, nur 1,5 Prozent des gesamten Genoms ausmachen. Diese Bereiche sind kodierend, also bleiben mehr als 98 Prozent des menschlichen Genoms übrig, das wir so gut wie gar nicht verstehen.“

„Der Mehrwert von Studien wie der hier vorliegenden liegt also darin, dass wir langsam verstehen, welche nicht-protein-kodierenden Bereiche des Genoms in der Krankheitsentstehung eine Rolle spielen, und hier zeigt sich, dass RNU4-2 ein solches Element darstellt. Über das Verständnis des nicht-kodierenden Genoms, was häufig auch als ,Dark Genome‘ bezeichnet wird, hinaus, hat dieser Befund auch Relevanz für die Diagnostik von Menschen mit Entwicklungsstörungen, da RNU4-2-Veränderungen offenbar häufig vorkommen und einen substanziellen Teil der Entwicklungsstörungen begründen. Wir selbst beschäftigen uns auch mit dem Dark Genome und insbesondere den sogenannten small-open-reading frames, das sind Abschnitte, die für Mikroproteine kodieren. Deren Relevanz für Erkrankungen gewinnt auch zunehmend an Bedeutung.“

„Die Studie bedient sich neuester genetischer Methoden und profitiert davon, dass mittlerweile Genomdaten von vielen Menschen vorliegen, die miteinander verglichen werden können, um genau solche Zusammenhänge herauszuarbeiten und zu verstehen. Hier brauchen wir in der Bevölkerung und Politik auch noch mehr Verständnis für den Wert der Genomsequenzierung. Bei allen Bedenken zu Datenschutz und Missbrauch hat die Genommedizin enorme Chancen, Diagnosen zu finden und perspektivisch gezieltere Therapien zu implementieren. Gleichzeitig zeigt sich, wie kompetitiv die Forschung auf dem Gebiet der Genetik ist. Eine weitere groß angelegte Studie mit vergleichbarem Ergebnis befindet sich bereits seit dem 9. April in PubMed und dem Preprint-Server medRxiv [1] und ist sicherlich bereits in einem Peer-Review-Verfahren. Die hiesige Studie wurde unter großem Druck innerhalb von sechs Wochen von der ersten Einreichung bis zur Akzeptanz zur Veröffentlichung getrieben. Genetik ist schnell und auch wir haben unsere Genomdaten auf Basis dieses Preprints durchforstet und finden PatientInnen mit einer RNU4-2-Entwicklungsstörung. Für uns heißt das, dass wir den Familien nun eine Diagnose geben können.“

„All das, was in ein Protein übersetzt wird, ist einigermaßen gut verständlich. Ist ein Baustein defekt, kann man die Konsequenzen oft abschätzen. Man könnte sagen, dass wir diese Sprache schon gut beherrschen, es fehlt uns auch hier immer noch an einigen Vokabeln, aber wir können uns verständigen. Bei den nicht-protein-kodierenden Genen oder ganz allgemein den nicht-kodierenden Bereichen des Genoms ist das schwieriger. Die Konsequenzen von Veränderungen in diesen Bereichen sind häufig noch nicht abschätzbar. Eine Fremdsprache, für die es keinen Muttersprachler gibt. Mit zunehmender Verfügbarkeit von Genomdaten, Hochdurchsatzexperimenten, Bioinformatik und Machine Learning werden wir diese Sprache aber entwickeln. Zusammenhänge wie in dieser Publikation prägen sozusagen das Sprachverständnis.“

„Neurologische Entwicklungsstörungen sind ein breites Feld mit unterschiedlichsten Organbeteiligungen, Ausprägungen und Verläufen. Ein häufiges Charakteristikum ist eine Beeinträchtigung kognitiver Fähigkeiten, sodass betroffene Kinder beispielsweise in ihrer geistigen Entwicklung hinter Altersgleichen zurückbleiben oder einfach bestimmte auffällige Verhaltensmuster an den Tag legen. Bei PatientInnen mit RNU4-2-Veränderung kommen weitere Symptome wie ein kleiner Kopfumfang, Kleinwuchs, eine Muskelschwäche und ein Krampfleiden hinzu. Oftmals zeigt sich die Breite der möglichen klinischen Symptome aber auch erst mit zunehmenden Fallbeschreibungen, sodass auch hier der sogenannte Phänotyp noch gar nicht abschließend bekannt ist. Über die Häufigkeit der RNU4-2-Erkrankung lässt sich auch noch kein abschließendes Fazit abgeben, hier werden wir auch in den nächsten Jahren noch viel lernen. So viel aber lässt sich sagen: Aufgrund aller verfügbaren populationsgenetischen Daten handelt es sich, wie auch im Titel des Artikels beschrieben, um eine häufigere Entität.“

„Um genetische Erkrankungen zu behandeln, muss man ihren Ursprung verstehen. Das ist hier für eine Gruppe von Erkrankungen gelungen und allein die große Zahl an Betroffenen spricht dafür, dass man den Mechanismus der Erkrankung mit Hochdruck weiter erforschen wird. Man kann sich gut vorstellen, dass mit Kenntnis der Erkrankung auch die symptomatische Therapie der Betroffenen verbessert wird. Die ursächliche Therapie ist tatsächlich noch schwierig. Die Möglichkeiten, Gendefekte zu reparieren oder zu modulieren, werden immer besser. Hier kann man sich schon sehr viel ausmalen. Das große Problem ist noch, dass bei Erkrankungen wie der RNU4-2-assoziierten Entwicklungsstörung bereits während der Entwicklung des Kindes im Mutterleib viel passiert und eine Therapie zu spät erfolgt. Dennoch gibt es Beispiele wie die Spinale Muskelatrophie, bei der auch ein früher Therapiebeginn nach Geburt einen wirklichen Benefit bringt. Wichtig ist auch hier: Genetische Störungen müssen früh erkannt und diagnostiziert werden. Je umfassender, umso besser – und das bedeutet, dass man das komplette menschliche Genom eines Menschen sequenziert. Die Diagnosestellung hilft der Familie zudem, Wiederholungswahrscheinlichkeiten bei weiterem Kinderwunsch zu kennen beziehungsweise überhaupt eine Diagnose für das eigene Kind zu haben. Wir erleben im klinischen Alltag täglich, dass dies auch bei schwersten Diagnosen Unsicherheiten nimmt. Insofern freuen wir uns als teilnehmende Einrichtung auf das im Juli in Deutschland beginnende ‚Modellvorhaben Genomsequenzierung‘, das zur umfassenden Diagnostik und Therapiefindung mittels Genomsequenzierung sowohl bei seltenen als auch bei onkologischen Erkrankungen eingesetzt wird. Hierdurch erhoffen wir uns eine verbesserte Versorgung unserer Patientinnen und Patienten mit einer an die genetischen Eigenschaften angepassten personalisierten Medizin.“

„Von Entwicklungsstörungen, Intelligenzminderung und/ oder Fehlbildungen sind in den entwickelten Ländern ein bis drei Prozent aller Kinder betroffen, in der Mehrzahl sind diese auf genetische Veränderungen zurückzuführen. Auch wenn wir seit der Jahrtausendwende in der Lage sind, umfangreiche genetische Untersuchungen durchzuführen, so beschränkten sich diese bisher zumeist auf die protein-kodierenden Gene, von denen etwa 20.000 bekannt sind.“

„Die Fokussierung der bisherigen Analysen auf die protein-kodierenden Gene (Exomsequenzierung) schließt fast 99 Prozent des Genoms von der Analyse aus. Dieses Vorgehen war und ist dennoch sinnvoll, weil allein durch die Exomsequenzierung pro Analyse bis zu 40.000 Abweichungen vom Referenzgenom gefunden werden, die jeweils interpretiert werden müssen. Allein die Anzahl der Varianten, das bisher begrenzte Wissen um die Relevanz dieser Varianten, die noch im Aufbau befindlichen Datenbanken und die Tatsache, dass weiterführende funktionelle Analysen vor allem für protein-kodierende Genvarianten etabliert sind, haben die Begrenzung der genetischen Analysen im diagnostischen Kontext notwendig gemacht.“

„Mit der Exomsequenzierung, die inzwischen in die Routinediagnostik eingeführt ist, finden wir allerdings nur für etwa 30 Prozent der betroffenen Kinder die ursächliche genetische Variante, sodass die Frage nach den nicht erkannten krankheitsursächlichen genetischen die Humangenetik seit Jahren umtreibt.“

„Die Studie von Greene et al. zeigt eindrücklich, wie bisher nicht erkannte genetische Ursachen von Entwicklungsstörungen aufgedeckt werden können und bestätigt die Vermutung, dass Varianten nicht-protein-kodierender Gene ebenso krankheits-ursächlich sind wie solche in protein-kodierenden Genen. Die Arbeitsgruppe suchte in den genetischen Daten von über 5500 Erkrankten und über 40.000 gesunden Kontrollpersonen gezielt nach Veränderungen in über 40.000 nicht-protein-kodierenden Genen, die in der Patientengruppe angereichert waren. Dabei entdeckten sie einen Zusammenhang zwischen seltenen Varianten in dem Gen RNU4-2 und Intelligenzminderung. RNU4-2 ist ein Gen, welches für die kleine nukleäre RNA (small nuclear RNA) U4 snRNA kodiert. U4 snRNA ist ein bedeutender Teil des Spleißosoms, das die von der DNA abgelesene RNA im Zellkern prozessiert und für die Translation (Umsetzen des RNA-Codes in Proteine) vorbereitet. Die identifizierten krankheitsassoziierten Varianten in RNU4-2 bei insgesamt 47 Patienten betrafen zwei streng definierte Regionen des Gens. In-siloco-Analysen legen nahe, dass diese Regionen maßgeblich an der Stabilität des Spleißosoms beteiligt sind.“

„Das mit Varianten in RNU4-2 assoziierte Krankheitsbild ist variabel und unterschiedlich stark ausgeprägt, gehäuft berichtete Symptome sind Mikrozephalie (kleiner Kopfumfang), Kleinwuchs, muskuläre Hypotonie und Krampfanfälle. In der Mehrzahl der Patienten ist die genetische Veränderung neu aufgetreten, sie war bei den Eltern nicht nachweisbar. Eine Vererbung von einer betroffenen Mutter auf ihr Kind ist beschrieben.“

„Die Studie zeigt eindrücklich, dass mit der Analyse der nicht-protein-kodierenden DNA weitere krankheitsrelevante Varianten nachzuweisen sind, die eine genetische Diagnosestellung bei Patienten mit Entwicklungsstörung/Intelligenzminderung ermöglichen werden. Die Studie zeigt auch, dass für die Identifizierung solcher krankheitsrelevanten Varianten in den Millionen von Varianten, die jedes Individuum trägt, große Datenbanken mit Zehntausenden von Patienten und Kontrollen notwendig sind. Nur durch das Bündeln der genetischen Daten einer großen Zahl von Betroffenen und Gesunden werden wir in der Lage sein, in der Varianz des genetischen Materials die krankheitsursächlichen Varianten zu identifizieren.“

„Für die Routinediagnostik hat die Studie insofern Bedeutung, dass Varianten in RNU4-2 eine häufige Ursache von Entwicklungsstörung/Intelligenzminderung sind, und in der Routine-Diagnostik auch nach diesen genetischen Varianten gesucht werden muss. Nach und nach werden weitere krankheitsursächliche Varianten in nicht-protein-kodierenden Genen und in der nicht-kodierenden DNA gefunden werden, die sukzessive in die diagnostische Pipeline übernommen werden müssen. Hier ist im Sinne der Patienten und ihrer Angehörigen eine enge Zusammenarbeit von Forschung und klinischer Versorgung notwendig, um einen schnellen Wissenstransfer zu gewährleisten.“

„Das menschliche Genom umfasst rund 20.000 Gene, die in Eiweiße übersetzt werden. Die allermeisten bekannten krankheitsverursachenden Mutationen finden sich in den protein-kodierenden Abschnitten dieser Gene, den sogenannten Exons. Diese machen nur circa zwei Prozent des menschlichen Genoms aus und lassen sich mithilfe der Whole-Exome-Sequenzierung (WES) einfach anreichern und sequenzieren. Für die Untersuchung der weitaus zahlreicheren nicht-kodierenden Gene im menschlichen Genom (und der nicht in Eiweiß übersetzten intronischen Abschnitte protein-kodierender Gene) ist jedoch die viel aufwendigere Whole-Genome-Sequenzierung (WGS) unumgänglich, weshalb England bereits vor zehn Jahren darauf gesetzt hat und nach dem Abschluss eines 100.000 Probanden umfassenden Pilotprojekts (100K Genome Project, 100KGP) die WGS bereits im Jahre 2018 in die  genetisch-diagnostische Regelversorgung überführt hat. Nach langer Diskussion ist Deutschland diesem Vorbild vor wenigen Monaten mit einem auf mindestens fünf Jahre angelegten Modellversuch gefolgt (siehe unter anderem Paragraf 64e SGB V), um bei der Erforschung, Diagnose und Behandlung genetisch bedingter Krankheiten international nicht völlig den Anschluss zu verlieren.“

„Psychomotorische Entwicklungsstörungen (beziehungsweise geistige Behinderung) im Kindesalter sind in Westeuropa der häufigste Anlass für genetische Untersuchungen, die jedoch oft nicht zu einer eindeutigen zytogenetischen oder molekularen Diagnose führen, zum Beispiel weil der betreffende Gendefekt noch nicht bekannt ist. Bisher sind weniger als 5000 der 20.000 protein-kodierenden Gene mit Krankheiten assoziiert, obwohl man erwarten müsste, dass sie fast alle Krankheitsgene sind, weil sie nämlich fast ausnahmslos evolutionär konserviert sind. Das heißt, sie kommen fast identisch bei allen Säugern und sogar Vertebraten vor. Dies bedeutet, dass sie mehr oder weniger unentbehrlich sein müssen, sonst gäbe es sie nicht mehr. Oder die fehlenden Gendefekte verbergen sich in den 98 Prozent des Genoms, die nicht in Proteine übersetzt werden, zum Beispiel in den intronischen Sequenzen, die man mithilfe der WES nicht erfassen kann – oder eben den vielen nicht-kodierenden Genen, die nur in RNA transkribiert werden, von denen es viele Zehntausende gibt und deren Rolle noch weitgehend unerforscht ist.“

„Hier genau setzen Greene et al. mit ihrer aktuellen Studie an, die über die WGS-Daten des englischen 100KGP, aber auch über die pseudonymisierten klinischen Befunde der untersuchten Probanden verfügte und anhand dieser Daten die Patienten mit geistiger Behinderung und in den meisten Fällen auch die mituntersuchten Eltern identifizieren konnte. Die nicht geistig behinderten Probanden und deren Eltern dienten ihnen dabei als Kontrollgruppe, um in über 40.000 nicht-protein-kodierenden Genen nach Sequenzvarianten zu suchen, die nur oder ganz überwiegend bei geistig Behinderten auftreten. Das Ergebnis ist spektakulär: Bei 34 geistig behinderten Individuen identifizierten sie eine von drei heterozygoten Varianten im RNU4-2-Gen, welches die U4-snRNA kodiert, einen essenziellen Baustein des sogenannten Spleißosoms, also des Komplexes, der für das Prozessieren primärer RNA-Transkripte (das Spleißen) verantwortlich ist. Soweit durch Untersuchung der Eltern nachprüfbar, handelt es sich bei fast allen Varianten um dominante Neumutationen (in den zwei familiären Fällen war die Mutter betroffen beziehungsweise Trägerin eines Mosaiks).“

„Zur Validierung ihrer Ergebnisse untersuchten die Autoren zwei unabhängige Kohorten, mit demselben Ergebnis und weiteren Varianten in demselben Gen, die sich sämtlich im Bereich des funktionell relevanten sogenannten ACAGAGA-Loops gruppieren. Sie erwähnen andere Störungen des Splicing-Prozesses, die ebenfalls mit geistiger Behinderung assoziiert sind, dokumentieren die klinische Variabilität des für RNU4-2-Defekte charakteristischen klinischen Bildes (und deren Grenzen) und stellen fest, dass Defekte dieses Gens in den von ihnen untersuchten Kohorten häufiger sind als die allermeisten bekannten molekularen Ursachen für monogene psychomotorische Entwicklungsstörungen.“

„Ein fundamentales Problem bei der Suche nach pathogenen Varianten in nicht-kodierenden RNA-Genen ist, dass über deren Funktion noch so wenig bekannt ist und dass eine der erprobten Strategien zur Unterscheidung neutraler Varianten und pathogener Mutanten dabei nicht gut funktioniert. Für protein-kodierende Gene kann man in der Gnomad-Datenbank nachschlagen, wie häufig eine bestimmte Variante in unserer Bevölkerung vorkommt; wenn sie häufig ist, kann sie kaum pathogen sein. Aber kürzlich hat eine amerikanische Gruppe die Gnocchi-Datenbank publiziert [2], die dieses Problem vielleicht abmildert. Wie Greene et al. zeigen, kann man das Problem jedoch recht einfach lösen, wenn man Zugang zur 100KGP-Datenbank hat, um nach assoziierten DNS- und klinischen Daten zu suchen – nicht ohne Grund haben wir seit 2018 für den Aufbau einer entsprechenden Datenbank in Deutschland und die Einführung der WGS in die genetische Regelversorgung geworben.“

„Greene et al. fokussieren sich in ihrer Arbeit auf ein einziges RNA-Gen, müssen im Laufe ihrer Untersuchungen aber auf weitere – anscheinend deutlich weniger wichtige – nicht-kodierende Gene für geistige Behinderung gestoßen sein. Auf ihre folgende Publikation bin ich gespannt. Aber die diagnostische Lücke werden diese Gene wohl nicht schließen. Eher kommt die Telomer-zu-Telomer-Sequenzierung dafür infrage.“

„Bei den Angaben zur Häufigkeit von Gendefekten ist zu berücksichtigen, dass im      100KGP die autosomal dominanten Ursachen für geistige Behinderung stark überrepräsentiert und rezessive Formen stark unterrepräsentiert sind, weil es in Mittel- und Westeuropa kaum Verwandtenehen gibt. Die Angabe, dass bisher nur 1470 Gene für geistige Behinderung bekannt sind, stimmt daher sicher nicht.“

„Aber ein Beleg für die Wichtigkeit der WGS-gestützten genetischen Diagnostik und Krankenversorgung ist diese Arbeit allemal. Und sie zeigt überdies beispielhaft, dass viele Formen der geistigen Behinderung klinisch sehr variabel sind. Bei diesen und ähnlich heterogenen Krankheitsbildern ist es in der Regel vernünftiger und ökonomischer, sich nicht allzu lange bei der klinischen Differentialdiagnose aufzuhalten, bevor man sich für die diagnostische Genomsequenzierung entscheidet.“

„Ich verwende im Deutschen meist den Sammelbegriff der psychomotorischen Entwicklungsstörung. Aufgrund der unscharfen Abgrenzung zum Autismus (besonders in den USA, wo man lieber nicht über geistige Behinderung spricht, sondern den Begriff Autismus weit fasst, weil diese Diagnose erträglicher klingt), ist es schwierig, verbindliche Aussagen zur Häufigkeit der geistigen Behinderung zu machen. Ich würde bei uns von 1 bis 1,5 Prozent ausgehen; in Ländern, die zum Consanguinity Belt gehören (Marokko, Naher und Mittlerer Osten bis zu den Philippinen) ist die Inzidenz deutlich höher.“