Klinik, Genetik und Pathogenese der Lissenzephalien

Zusammenfassung
Migrationsstörungen der kortikalen Neurone führen zu unterschiedlich schweren Fehlbildungen des Gehirns, die von der klassischen Form der Lissenzephalie bis hin zur subkortikalen Bandheterotopie reichen. Diese Fehlbildungen kommen sowohl isoliert als auch im Rahmen von Syndromen vor und sind die Ursache von zum Teil sehr schwerwiegenden Entwicklungsstörungen und Anfallsleiden. Die häufigste Ursache sind Mutationen in mindestens zwei Genen (LIS1- und DCX-Gen) sowie Mikrodeletionen und Chromosomenstörungen, die den Genort des LIS1-Gens auf Chromosom 17p13.1 betreffen. Darüber hinaus gibt es mindestens fünf weitere Gene, die für syndromale Formen der Lissenzephalie verantwortlich sind. Die Befunde molekulargenetischer Analysen des LIS1- und DCX-Gens sowie die Ergebnisse von Untersuchungen zu Struktur und Funktion der Proteine weisen auf eine wichtige Rolle bei der Migration kortikaler Neurone hin. Verschiedene Mutationstypen, somatischer Mosaizismus und unterschiedliche X-Inaktivierung sind Mechanismen, die zu dem großen klinischen Spektrum der Lissenzephalien beitragen. Auf der Grundlage von klinischen Befunden und entsprechenden bildgebenden Verfahren in Verbindung mit den Ergebnissen der genetischen Diagnostik kann im Einzelfall eine Einordnung des Krankheitsbildes und eine verbesserte genetische Beratung betroffener Familien erfolgen.

Schlüsselwörter: Lissenzephalie, neuronale Migration, Bandheterotopie, Genmutation, Molekularbiologie

Summary
Clinic, Genetics, and Pathogenesis of Lissencephaly
Disorders of cortical neuronal migration lead to varying degrees of brain malformation, ranging from the classical form of lissencephaly to subcortical band heterotopia. These abnormalities can be isolated or syndromal, and cause severe developmental disorders and epilepsy. Mutations in two genes (LIS1 and DCX), as well as chromosomal microdeletions and rearrangements affecting the gene locus on chromosome 17p13.1, are the most common causes of lissencephaly. However, mutations in at least 5 other genes cause various syndromes with lissencephaly. The molecular genetic analysis of the LIS1 and DCX genes, and the investigation of the structure and function of their proteins, indicate an important role in the migration of cortical neurons. Different types of mutations, somatic mosaicism and variable X-inactivation are mechanisms which contribute to the broad clinical spectrum of lissencephaly. Clinical findings, brain imaging techniques and the results of genetic diagnostic procedures can be combined to contribute to the classification of the disorder and thereby improve the genetic counselling of affected families.

Key words: lissencephaly, neuronal migration, subcortical band heterotopia, gene mutation, molecular biology


Die Lissenzephalie wurde erstmals vor mehr als 100 Jahren als eine der schwersten Fehlbildungen des menschlichen Gehirns beschrieben (37). Ihre Bezeichnung erhielt sie aufgrund des pathologisch anatomischen Erscheinungsbilds eines „glatten“ Gehirns (Smooth Brain). Die Lissenzephalie ist das Ergebnis einer Migrationsstörung nahezu aller kortikaler Neuronen kurz vor ihrer anatomisch normalen Endposition mit dem Ergebnis entweder eines völligen Fehlens (Agyrie) oder einer Vergröberung (Pachygyrie) der Oberflächenstruktur des Gehirns und eines abnorm dicken Kortex. Neuronale Migrationsstörungen sind klinisch sehr variabel: Das Spektrum reicht von der schweren, klassischen Form der Lissenzephalie bis zur klinisch und pathologisch-anatomisch weniger schwerwiegenden so genannten subkortikalen Bandheterotopie, die auch als subkortikale laminare Heterotopie oder „double cortex“ bezeichnet wird. Es besteht auch eine große genetische Heterogenität, da unterschiedliche Mutationen in mehreren Genen zu einer neuronalen Migrationsstörung führen können. Dabei sind die Kenntnisse zur Genotyp-Phänotyp-Korrelation noch recht begrenzt. Als häufigste Ursache für neuronale Migrationsstörungen wurden Mutationen in zwei Genen, LIS1 und DCX, identifiziert (12, 24, 41, 42). Die Identifizierung von Mutationen dieser und weiterer Gene, welche eine Rolle bei der Migration von Neuronen spielen, wird das Verständnis der Gehirnentwicklung erweitern und neue Möglichkeiten der molekulargenetischen Diagnostik in der klinischen Praxis eröffnen.
Einteilung der Lissenzephalien
Eine zusammenhängende Einteilung der neuronalen Migrationsstörungen, die sowohl die klinischen als auch die genetischen Befunde berücksichtigt, kann noch nicht gegeben werden, da die Erkenntnisse zur Genotyp-Phänotyp-Korrelation dies zurzeit noch nicht zulassen. Die Autoren folgen deshalb zunächst der Einteilung von Dobyns und Truwit (19), welche auf der Basis von MRI-Befunden und pathologisch-anatomischen Befunden bei den Lissenzephalien vier Gruppen unterscheiden: Eine Typ-1-Lissenzephalie ohne und eine mit assoziierten Symptomen sowie eine Typ-2-Lissenzephalie und eine Mikrolissenzephalie (Tabelle 1). Die Typ-1-Lissenzephalie (Gruppe 1 und 2) findet man bei der isoliert aufgetretenen, auch als klassisch bezeichneten, Lissenzephalie und bei der subkortikalen Bandheterotopie. Sie wird auch beim Miller-Dieker-Syndrom und bei der Lissenzephalie mit Kleinhirnhypoplasie beobachtet. Die Lissenzephalie-Formen der Gruppen 3 und 4 werden im Rahmen von Syndromen mit weiteren assoziierten Symptomen wie Muskeldystrophie und Augensymptomen beobachtet. Im Folgenden werden zunächst die klinischen Befunde bei den Typ-1-Lissenzephalien im Einzelnen genauer besprochen, da dies die am häufigsten vorkommenden Formen der Lissenzephalie sind. Weiterhin wird auf diejenigen insgesamt selten vorkommenden Syndrome genauer eingegangen, zu denen es in jüngster Zeit neue Erkenntnisse gibt.
Typ-1-Lissenzephalie
- Einteilung nach Schweregraden und Terminologie: Dobyns et al. (19, 20) haben ein Klassifikationsschema vorgeschlagen, nach dem die Schwere der Typ-1-Lissenzephalie in 6 Schweregrade eingeteilt werden kann (Tabelle 2). Grad 1 bis 4 sind unterschiedliche Formen der so genannten klassischen Lissenzephalie, Grad 5 klassifiziert die Pachygyrie und die subkortikale Bandheterotopie in verschiedenen Hirnregionen und Grad 6 die subkortikale Bandheterotopie. Einige Beispiele mit unterschiedlichen Schweregraden von Lissenzephalie und subkortikaler Bandheterotopie sind in der Abbildung gezeigt.
Die Typ-1-Lissenzephalie kann weiterhin nach der Schwere der Ausprägung der Fehlbildung im anterioren und posterioren Kortex eingeteilt werden (19, 41). Bei einer posterior schwerwiegenderen Ausprägung der Lissenzephalie oder Bandheterotopie wird von einem Posterior-anterior-Gradienten (PA) gesprochen, im umgekehrten Fall von einem Anterior-posterior-Gradienten (AP). Bei einer schwerwiegenden Ausprägung der Fehlbildung kann es schwierig sein, überhaupt einen Gradienten zu erkennen. Typischerweise ist die Typ-1-Lissenzephalie im okzipitalen Kortex schwerer ausgeprägt als im frontalen Kortex, hat also einen PA-Gradienten. Die X-chromosomale Form zeigt typischerweise frontal eine deutlichere Ausprägung als okzipital, das heißt sie hat einen AP-Gradienten.
Eine weitere gebräuchliche Einteilung berücksichtigt in der Terminologie neben den klinischen auch genetische Befunde, auf die noch genauer eingegangen wird. Die autosomale Form ist durch Mutationen im LIS1-Gen auf Chromosom 17 verursacht und wird deshalb auch als ILS17 (isolierte Lissenzephalie Sequenz 17) bezeichnet. Die X-chromosomale Form zeigt sich meist als subkortikale Bandheterotopie (SBH). Hierbei werden meist Mutationen im DCX-Gen („double cortex“ X-chromosomal) auf dem X-Chromosom gefunden. Sie wird dann als SBHX bezeichnet. Bei Patienten mit subkortikaler Bandheterotopie werden wesentlich seltener als im DCX-Gen Mutationen im LIS1-Gen auf Chromosom 17 gefunden. Diese Form wird auch als SBH17 bezeichnet.
Im Folgenden werden die verschiedenen Ausprägungen der Typ-1-Lissenzephalie im Rahmen des Agyrie-Pachygyrie-Bandspektrums (klassische, schwere Form sowie subkortikale Bandheterotopie) und das Miller-Dieker-Syndrom getrennt besprochen, da sie sich klinisch deutlich voneinander unterscheiden. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass es sich um ein Spektrum von Fehlentwicklungen mit Zwischenformen und fließenden Übergängen handelt.
- Klinik der klassischen Lissenzephalie: Die isolierte Typ-1-Lissenzephalie in ihrer schweren Form ist der häufigste Typ der Lissenzephalie und wird deshalb auch als klassische Lissenzephalie bezeichnet. Als Hauptsymptom findet man bei den Betroffenen eine Gehirnoberfläche mit einem nahezu fehlenden Gehirnwindungsrelief. Charakteristische Befunde im MRI sind die Agyrie oder auffällig breite zerebrale Gyri (Pachygyrie) und ein auffällig verbreiterter zerebraler Kortex (1 bis 2 cm im Vergleich zu normal 2 bis 3 mm) (4, 19). Weitere Befunde sind vergrößerte Seitenventrikel (vor allem im hinteren Anteil), ein fehlgebildeter oder hypoplastischer, jedoch nicht fehlender Balken und ein Cavum septi pellucidi et vergae. Der Gehirnstamm und das Kleinhirn sind bis auf eine bei einigen Patienten leichte Hypoplasie und Aufwärtsrotation des Vermis unauffällig.
Kinder mit diesem Typ der Lissenzephalie leiden meist unter einer globalen Retardierung mit schweren kognitiven Störungen und einer ausgeprägten Muskelhypotonie, die sich zu einer spastischen Tetraparese entwickeln kann, einer früh einsetzenden, schwer behandelbaren Epilepsie sowie einer ausgeprägten Ernährungsstörung als Folge von Fütterungsproblemen (4, 18, 19). Aufgrund früherer Berichte wurde angenommen, dass nur wenige Patienten das erste Lebensjahrzehnt überleben, wobei als häufigste Todesursache eine Aspirationspneumonie und Sepsis genannt wurden (18). Neuere Befunde von Cardoso et al. (7) legen allerdings nahe, dass sich bei einer effektiveren Prävention und Therapie der bekannten Komplikationen die Lebenserwartung der Betroffenen deutlich verlängert. Im Allgemeinen korreliert die Schwere der klinischen Symptomatik mit dem Ausmaß der Agyrie und der Verdickung des Kortex (4). Allerdings kann die Entwicklung schwerer, nicht behandelbarer epileptischer Anfälle die Prognose insgesamt über das aus einem solchen Befund ableitbare Ausmaß hinaus verschlechtern.
- Klinik der subkortikalen Bandheterotopie: Eine weniger schwerwiegende Form der Lissenzephalie wird als subkortikale Bandheterotopie oder Double-cortex-Syndrom bezeichnet (3, 13). Typische MRI-Befunde bei der subkortikalen Bandheterotopie sind ein normales oder leicht vergröbertes Oberflächenwindungsrelief des Gehirns mit engen Sulci, einem normalen Kortexband und einem auffälligen subkortikalen Band heterotoper grauer Substanz. Letztere ist direkt unterhalb des Kortex lokalisiert und von diesem durch eine dünne Zone normaler weißer Substanz getrennt. Dieses Band ist meist symmetrisch und diffus angelegt und reicht von der frontalen bis zur okzipitalen Region. Aber auch asymmetrische und nur partielle frontale und posteriore subkortikale Bänder wurden beobachtet.
Von subkortikaler Bandheterotopie Betroffene sind in der Mehrzahl geistig retardiert und haben typischerweise ein Anfallsleiden mit unterschiedlichen Anfallstypen. Die Schwere der geistigen Behinderung und des Anfallsleidens korrelieren mit der relativen Dicke der Bandheterotopie (3). Die geistige Behinderung ist grenzwertig bei circa 10 Prozent der Betroffenen, leichtgradig bei circa 32 Prozent, mittelschwer bei circa 25 Prozent und schwer bei circa 16 Prozent. Circa 18 Prozent der Betroffenen haben eine normale Intelligenz (13). Die Mehrzahl der von einer subkortikalen Bandheterotopie Betroffenen ist weiblich. Dieser auffällige Befund wurde schon bald als Hinweis auf einen X-chromosomalen Erbgang interpretiert. Dies bedeutet, dass dann beim männlichen Geschlecht ein hemizygoter Zustand vorliegt, der sich im Fall einer Mutation in vielen Fällen letal auswirken kann.
- Klinik des Miller-Dieker-Syndroms: Bei Patienten mit Miller-Dieker-Syndrom (11, 16) findet man am zerebralen Kortex vorwiegend eine Agyrie, zu einem geringen Anteil auch eine Pachygyrie. Zu den prä- und perinatalen Problemen gehören ein Polyhydramnion, ein niedriges Geburtsgewicht, Fütterungsprobleme und Infektionsneigung (Aspirationspneumonie). Die Patienten haben im Allgemeinen eine muskuläre Hypotonie, wobei sich später eine Hypertonie entwickeln kann. Der weitere Verlauf ist durch die Entwicklung einer schwer kontrollierbaren Epilepsie meist schon in den ersten Lebensmonaten und einer schweren Entwicklungsverzögerung oft mit Entwicklung einer progressiven spastischen Paraplegie gekennzeichnet. Postnatal entwickelt sich eine Mikrozephalie. Zu den dysplastischen Stigmata gehören ein schmaler bitemporaler Durchmesser, eine hohe vorstehende Stirn, Epikanthus, mongoloide Lidachsenstellung, kurze Nase mit vorwärts gerichteten Nasenlöchern, dysplastische, nach hinten rotierte Ohrmuscheln, eine dünne, prominente Oberlippe und ein kleiner Unterkiefer. Die als typisch bezeichnete vertikale Falte an der Stirn findet sich bei nur circa 50 Prozent der Patienten. Seltener werden Herzfehler, Gelenkkontrakturen, ein auffälliges Genitale im männlichen Geschlecht oder Nierenfehlbildungen diagnostiziert (16). Die Lebenserwartung ist deutlich eingeschränkt, und die Kinder sterben häufig vor dem 2. Lebensjahr. Es handelt sich um ein typisches „contiguous gene syndrome“, welches das LIS1-Gen betrifft. Molekularzytogenetisch lässt sich typischerweise eine Deletion auf Chromosom 17p13.3 nachweisen.
- Lissenzephalie mit zerebellärer Hypoplasie: Hierbei handelt es sich um eine klinisch und genetisch heterogene Gruppe kortikaler Fehlbildungen mit klassischer und nicht klassischer Lissenzephalie in Kombination mit einer Kleinhirnhypoplasie. Diese Gruppe von Lissenzephalie wurde vor kurzem erstmals systematisch beschrieben (44). Der Phänotyp ist neben einer zum Teil außerordentlich schwerwiegenden Mikrozephalie durch eine kortikale Fehlbildung unterschiedlichen Ausmaßes gekennzeichnet, welche von der Agyrie bis hin zu einer nur milden Gyrierungsstörung und von einer nahezu normalen kortikalen grauen Substanz bis hin zu einer ausgeprägten Verdickung des Kortex reicht. In unterschiedlicher Weise findt man neben der Symptomatik der klassischen Lissenzephalie milde dysplastische Stigmata des Miller-Dieker-Syndroms und eine Hirnstammhypoplasie. Auf der Grundlage klinischer und genetischer Befunde unterscheidet Ross (44) sechs Typen (LCHa–f). Bei der LCHa konnten Mutationen sowohl im LIS1-Gen als auch im DCX-Gen gefunden werden. Bei einer der vier autosomal rezessiv erblichen Formen (LCHb) wurden Mutationen im Reelin-Gen (RELN) entdeckt (31).
Molekularbiologie der Typ-1-Lissenzephalie
- Lissenzephalie-1-Gen: 1993 wurde das erste Gen für Lissenzephalie identifiziert (42). Das LIS1-Gen (Grafik 1) ist in allen Fällen mit Miller-Dieker-Syndrom deletiert. Bei Patienten mit Lissenzephalie, bei denen das Gen nicht deletiert war, konnten Mutationen in diesem Gen nachgewiesen werden. Damit war der Beweis erbracht, dass LIS1 das 17p-Lissenzephalie-Gen ist (36). Es besteht aus 11 Exons, die sich über etwa 80 kb der genomischen DNA erstrecken. Bezogen auf die isolierte Lissenzephalie und das Miller-Dieker-Syndrom, also den größten Teil aller Typ-1-Lissenzephalien, beträgt der Anteil von Deletionen des gesamten LIS1-Gens an allen Mutationen circa zwei Drittel (7). Darüber hinaus wurden bis heute 36 verschiedene intragenische Mutationen bei 41 nicht verwandten Patienten mit Lissenzephalie identifiziert (7). Die Mehrheit dieser Mutationen sind Nukleotidsubstitutionen und kleine Deletionen oder Insertionen. Sie unterbrechen eines oder mehrere der sieben so genannten WD40-Repeats im LIS1-Protein (8, 36, 40, 41). WD-Repeats kommen in mehreren Proteinen vor, die durch ihre Beteiligung an zahlreichen Protein-Protein-Interaktionen gekennzeichnet sind.
Die Genotyp-Phänotyp-Analyse bestätigte im Wesentlichen die Hypothese, dass der vermutete molekulare Mechanismus für die Entwicklungsstörung eine Haploinsuffizienz des LIS1-Proteins infolge eines Funktionsverlustes ist (8, 36). Der Phänotyp der Patienten ist in der Regel weniger schwer bei Mutationen, bei denen eine gewisse Restproduktion des normalen Genprodukts oder die Aufrechterhaltung einer Restaktivität des mutierten Proteins erwartet werden kann. Missense-Mutationen sind in der Regel weniger schwerwiegend als trunkierende oder deletierende Mutationen, und zum 5'-Ende des Gens hin liegende Mutationen haben einen schwereren Phänotyp zur Folge als vergleichbare Mutationen am 3'-Ende (8).
- LIS1-Protein: LIS1 kodiert für ein Protein (PAFAH1B1) mit 411 Aminosäuren mit einem Molekulargewicht von 45 kDa (42). In-vivo- und In-vitro-Studien weisen auf zwei mögliche Funktionen dieses Proteins hin. Erstens bildet PAFAH1B1 die nichtkatalytische Untereinheit der im Gehirn exprimierten Isoform einer G-Protein-ähnlichen, zytosolischen Acetylhydrolase für den Thrombozyten-aktivierenden Faktor (PAFAH) (28). Zusammen mit zwei anderen PAFAH1-Untereinheiten bildet es einen trimerischen Proteinkomplex, der den Spiegel des Thrombozyten-aktivierenden Faktors (PAF) im Gehirn durch die Entfernung einer Acetylgruppe an der sn-2-Position reguliert, indem es auf diese Weise ein biologisch inaktives lyso-PAF herstellt (8, 29). Neuere Daten weisen darüber hinaus darauf hin, dass eine wichtige Domäne für die PAFAH1B1-Funktion in dem zweiten WD40-Repeat an einer Stelle lokalisiert ist, an der eine Interaktion mit zwei anderen PAFAH-Untereinheiten stattfindet (46, 49). Es liegt deshalb der Schluss nahe, dass die Lissenzephalie durch einen Defekt im PAF-Stoffwechsel verursacht wird.
Eine zweite Funktion von PAFAH1B1 scheint in der Regulation des mikrotubulären Zytoskeletts zu liegen. Die abgeleitete Aminosäuresequenz zeigt, dass PAFAH1B1 zu der Familie der evolutionär konservierten WD- Repeat-Proteine (W, Tryptophan; D, Asparaginsäure) gehört. Homologe wurden bei vielen Nichtsäugern identifiziert. PAFAH1B1 zeigt somit eine bemerkenswerte evolutionäre Konservierung, welche eine grundlegende Rolle bei der Differenzierung des Organismus nahe legt. Insbesondere haben Untersuchungen des PAFAH1B1-Homologs (NudF) im Schimmelpilz Aspergillus nidulans eine mögliche Beziehung zu der Regulation von Mikrotubuli sowie zu den Motorproteinen der Mikrotubuli und der Zellmigration gezeigt (38). NudF ist für den Kerntransport bei der Zellteilung erforderlich und interagiert mit Untereinheiten vom zytoplasmatisch lokalisierten Dynein, einem Mikrotubulus-basierten Motorprotein.
- Doublecortin-Gen: Durch Kopplungsuntersuchungen ergaben sich schon bald Hinweise darauf, dass ein zweites Lissenzephalie-Gen auf dem langen Arm des X-Chromosoms in Xq21-24 liegen muss (12, 43). Das Gen wurde schließlich von zwei Arbeitsgruppen mit unterschiedlichen Strategien isoliert (12, 24). Die Mutationsanalyse des Doublecortin-Gens (DCX) sowohl familiärer als auch sporadischer Fälle mit Double Cortex beziehungsweise X-chromosomaler Lissenzephalie ergab zahlreiche Mutationen einschließlich nichtkonservativer Aminosäuresubstitutionen und Frameshifts (Grafik 1). Von den 55 gefundenen Mutationen sind 70 Prozent Nukleotidsubstitutionen (The Human Genome Mutation Database, Cardiff, http://archive.uwcm.ac.uk/uwcm/mg/hgmd0.html). Diese Mutationen sind über den gesamten kodierenden Bereich des Gens verteilt, ohne dass Regionen mit gehäuft vorkommenden Mutationen zu erkennen sind. Die häufigste DCX-Mutation (R303X) führt zu einem Stopp-Codon in Exon 7 (Grafik 2).
Mutationen im DCX-Gen können das gesamte Typ-1-Lissenzephalie-Spektrum vom Grad 1b–6b verursachen (Tabelle 2, Abbildung). Die Genotyp-Phänotyp-Analyse zeigt, dass der Schweregrad des Double-Cortex-Phänotyps grob mit der Schwere der DCX-Mutation korreliert (26). Mutationen, die eine Verkürzung von Doublecortin verursachen sowie Mutationen in der amino- und carboxyterminalen Region des Gens führen zu einer schweren Lissenzephalie. Weiterhin gibt es Hinweise darauf, dass sporadische Fälle schwerer betroffen sind als familiäre (26, 41). Der Großteil der phänotypischen Heterogenität bei weiblichen Betroffenen kann durch die unterschiedliche X-Inaktivierung und den hieraus resultierenden somatischen Mosaizismus im Hinblick auf die Aktivität des mutierten beziehungsweise intakten Gens erklärt werden. Dementsprechend weist das Gehirn weiblicher Betroffener eine Population von Neuronen mit normaler Migration auf sowie Zellen, die ungefähr die Hälfte des Wegs bis zum Kortex wandern und dann in der subkortikalen weißen Substanz arretieren (27). Bei hemizygoten männlichen Betroffenen würde man ein völliges Fehlen der DCX-Expression erwarten und damit eine schwere Lissenzephalie ohne jeglichen Anteil normaler Kortexstrukturen. Geringere Ausprägungen der Lissenzephalie bei männlichen Betroffenen mit einer DCX-Mutation können in manchen, allerdings nicht allen Fällen durch den Befund eines somatischen Mosaizismus erklärt werden (1, 40)
Das DCX-Gen wird in eine gehirnspezifische 10 kb große mRNA transkribiert, die alternativ gespleißt wird (24). Es wird vorwiegend während der frühen Gehirnentwicklung in neuronalen Zellen einschließlich der Vorläuferzellen der ventrikulären Zone und der auswandernden Neuronen exprimiert. Später wird die Expression offensichtlich herunterreguliert und ist im erwachsenen Gehirn experimentell nicht mehr erfassbar (12).
- DCX-Protein: Das DCX-Gen kodiert ein 40 kDa-Protein mit 361 Aminosäuren, welches Doublecortin genannt wurde. Es enthält eine abgeleitete Abl-Phosphorylierungsstelle und mehrere andere potenzielle Phosphorylierungsstellen für andere Proteinkinasen. Dieser Befund legt die Vermutung nahe, dass ein Tyrosinkinase-Signalübertragungsweg die neuronale Migration kontrolliert. Doublecortin verbindet sich mit den Mikrotubuli und stabilisiert sie (23, 25), zeigt aber keine Ähnlichkeit mit anderen Mikrotubulus-assoziierten Proteinen (47, 50). Im aminoterminalen Anteil des Proteins findet man eine evolutionär konservierte Domäne als Tandem-Repeat. Sie wird DC-Repeat genannt. Interessanterweise liegen in diesen Repeats die meisten symptomatischen Missense-Mutationen beim Menschen. Jedes Repeat ist für sich in der Lage, Tubulin zu binden, aber keines ist ausreichend für die Stabilisierung der Mikrotubuli. Einige Punktmutationen beim Menschen führen zu einer Beeinträchtigung der Polymerisation oder zu einer Unterbrechung der Mikrotubuli und verändern hierdurch die Morphologie transfizierter Zellen. Sowohl genetische als auch biochemische Daten sprechen deshalb für eine Rolle von Doublecortin bei entscheidenden, von den Mikrotubuli abhängigen Schritten bei der neuronalen Migration. Es ist bislang jedoch ungeklärt, welche Schritte des Migrationsprozesses durch Mutationen im DCX-Gen gestört sind.
- Reelin-Gen: Die Lissenzephalie mit zerebellärer Hypoplasie (LCH) entspricht der so genannten „Reeler“-Mausmutante (Relnrl). Mutationen im Reelin-Gen (RELN) verursachen eine zerebelläre Hypoplasie mit einer Migrationsstörung kortikaler Neurone und abnormale neuronale Verbindungen (9, 34). Diese phänotypische Ähnlichkeit lieferte den Schlüssel zur Identifizierung von LCH-verursachenden Mutationen im menschlichen Gen. Das menschliche Reelin-Gen liegt auf Chromosom 7q22 und hat 65 Exons, welche sich über mehr als 400 kb genomischer DNA verteilen. Bei der Mutationsanalyse bei Patienten konnten in den beiden untersuchten Familien zwei verschiedene Mutationen gefunden werden, welche den Spleißvorgang der RELN-cDNA unterbrechen (31).
RELN kodiert ein großes (388 kDa) Protein, welches sezerniert wird und seinen Einfluss auf die neuronale Migration über die Bindung an den VLDL-Rezeptor (VLDL, „very dense low density lipoproteins“) (10), den Apolipoprotein-E-Rezeptor 2 (ApoER2) (30), das a3b1-Integrin (22) und die Protocadherine (48) ausübt. Zunächst war man davon ausgegangen, dass Reelin seine Funktion ausschließlich im Gehirn ausübt. Manche Betroffene zeigen jedoch zusätzlich zu der zerebralen Symptomatik eine Störung der neuromuskulären Verbindung und Lymphödeme. Diese Befunde legen nahe, dass es neben der Bedeutung für die Gehirnentwicklung noch andere, bis dahin nicht vermutete Funktionen von Reelin gibt.
Syndrome mit Typ-2-Lissenzephalie
Mehr als 25 zum Teil sehr seltene Syndrome mit Lissenzephalie und anderen Störungen der neuronalen Migration wurden beschrieben, deren Gene und Genprodukte bis heute nicht bekannt sind (19). Im Folgenden werden diejenigen Syndrome dargestellt, die mit einer Typ-2-Lissenzephalie einhergehen, und für die in jüngster Zeit Gene oder Genmutationen beschrieben wurden.
- Walker-Warburg-Syndrom: Patienten mit dem Walker-Warburg-Syndrom (WWS) (17) haben eine Typ-2-Lissenzephalie („Kopfsteinpflaster-Dysplasie“) mit Hydrozephalus und Fehlbildungen des Kleinhirns einschließlich einer Vermis-Hypoplasie. Alle Patienten leiden an einer kongenitalen Muskeldystrophie. Zu den Augensymptomen gehören eine Retinadysplasie, Mikrophthalmie, Kolobome und Fehlentwicklungen der vorderen Augenkammer (Katarakt, Hornhauttrübung, Glaukom häufig als Folge einer Peter-Anomalie). Weitere assoziierte Fehlbildungen sind eine Lippen-Kiefer-Gaumen-Spalte, Mikropenis, Kryptorchismus und kongenitale Kontrakturen. Häufig wird eine kongenitale Makrozephalie infolge des Hydrozephalus beobachtet. Die Schwangerschaften sind durch eine Polyhydramnie kompliziert, und die Neugeborenen bedürfen häufig einer intensivmedizinischen Betreuung. Die mittlere Überlebensrate beträgt circa neun Monate, die länger überlebenden Patienten sind schwer retardiert. Das WWS wird autosomal rezessiv vererbt. Bei einer genomweiten Kopplungsanalyse ergaben sich Hinweise auf mindestens drei Genorte (5). In einem Gen (POMT1) auf Chromosom 9q konnte eine für das WWS verantwortliche Mutationen identifiziert werden (4). Das POMT1-Gen kodiert eine O-Mannosyltransferase 1, welche vermutlich den ersten Schritt in der O-Mannosylglycan-Synthese katalysiert.
- Muscle Eye Brain Disease: Zu diesem Syndrom gehören ebenfalls zerebrale und zerebelläre Fehlbildungen, die allerdings weniger schwer sind als beim WWS (21, 45). Nicht in allen Fällen wird ein Hydrozephalus beobachtet. Die Augensymptomatik besteht vor allem in einer schweren Myopie und häufig sehr hohen visuell evozierten Potenzialen. Ein konstantes Symptom ist die kongenitale Muskeldystrophie. Die Schwangerschaften verlaufen meist unauffällig, die Neugeborenen sind hypoton und haben Fütterungsschwierigkeiten. Alle Kinder sind meist schwer retardiert, viele haben epileptische Anfälle. Nur wenige lernen Laufen, etwa die Hälfte entwickelt ein gewisses Sprechvermögen. Einige der untersuchten Patienten waren älter als 40 Jahre, was ein Hinweis auf eine deutlich bessere Überlebensrate als beim WWS ist. Das für diese Erkrankung verantwortliche Gen (POMGnT1) ist auf Chromosom 1p32-p34 lokalisiert und wurde vor kurzem kloniert (51). Das Genprodukt ist wie beim WWS eine Glykosyltransferase.
- Fukuyama kongenitale Muskeldystrophie: Alle Patienten mit diesem Syndrom haben eine Muskeldystrophie vom Fukuyama-Typ mit 10- bis 50fach erhöhten, ab dem sechsten Lebensjahr abfallenden CK-Werten, (CK, Kreatininkinase) eine Pflasterstein-Lissenzephalie mit Pachy- und Mikrogyrie, eine Polymikrogyrie des Kleinhirns sowie eine mäßige Ventrikulomegalie (21, 52). Die Augensymptomatik zeigt sich hauptsächlich als Myopie, einige Patienten haben eine Optikusatrophie. Es wird ein erhöhtes Risiko für drohende Fehlgeburten oder Übertragung berichtet. Die Entwicklung der Kinder ist durch eine muskuläre Hypotonie und eine ausgeprägte geistige Behinderung gekennzeichnet. Nur einige wenige lernen Laufen und können sich sprachlich verständigen. Fieberkrämpfe treten deutlich häufiger als in einer Normalpopulation auf, häufig entwickelt sich eine Epilepsie. Die mittlere Überlebensrate beträgt etwa 18 Jahre. Die Fukuyama kongenitale Muskeldystrophie folgt einem autosomal rezessiven Erbgang und wird durch Mutationen im Fukutin-Gen auf Chromosom 9q31-q33 verursacht (33). Die Funktion von Fukutin ist nicht bekannt. Auf der Basis von Aminosäure-Homologien mit einigen Phosphoryl-Liganden-Transferasen wird vermutet, dass es auch für eine Glykosyltransferase kodiert (2).
- X-chromosomale Lissenzephalie mit Genitalanomalien: Alle Patienten mit der X-chromosomalen Lissenzephalie mit Genitalanomalien (XLAG) haben einen männlichen Genotyp und entwickeln eine schwerwiegende kongenitale oder postnatale Mikrozephalie (6, 39). Zusätzlich zur Lissenzephalie haben sie eine Corpus-callosum-Agenesie, eine schwer einstellbare neonatale Epilepsie, eine schlechte Temperaturregulation sowie eine chronische Diarrhö. Das Genitale ist intersexuell oder hypoplastisch (6, 15, 39). Bei der XLAG beträgt die Dicke des Cortex nur 6 bis 7 mm (im Gegensatz zu 15 bis 20 mm bei der klassischen Lissenzephalie). Vor kurzem wurden bei von XLAG Betroffenen Mutationen im Aristaless-related-Homeobox-Gen (ARX) auf dem Chromosom Xp22.13 gefunden (32).
- Syndrome mit Mikrolissenzephalie: Die Mikrolissenzephalie (14) ist die Kombination von Lissenzephalie mit extremer Mikrozephalie bei der Geburt (3 oder mehr Standardabweichungen vom Mittelwert des Kopfumfangs). Bislang werden vier Gruppen mit unterschiedlicher Symptomatik unterschieden, die jeweils autosomal rezessiv erblich sind. Von einer weiteren Variante wird vermutet, dass sie sich mit einer Variante der Lissenzephalie mit zerebellärer Hypoplasie überschneidet. Die Terminologie ist nicht einheitlich und die Molekulargenetik für keine Variante aufgeklärt, sodass hier auf eine weitere Darstellung verzichtet wird.
Diagnose
Die zytogenetische, molekularzytogenetische und molekulargenetische Diagnostik (Grafik 3) bei der Lissenzephalie dient zunächst der klinisch genetischen Differenzialdiagnostik. Die Befunde erhalten ihre Bedeutung darüber hinaus in einer genetischen Beratung mit Abschätzung der Wahrscheinlichkeit für ein Wiederauftreten der Entwicklungsstörung in der betroffenen Familie.
Zur klinisch-genetischen Differenzialdiagnostik ist bei Patienten mit einer klassischen Lissenzephalie oder subkortikalen Bandheterotopie eine Chromosomenanalyse und Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) mithilfe einer LIS1-Sonde (PAC95H6) angezeigt. (Die Sonde ist auch kommerziell erhältlich.) Durch diese Untersuchungen werden alle Fälle von Miller-Dieker-Syndrom (MDS) erfasst, welche entweder durch eine zytogenetisch sichtbare oder submikroskopische Deletion der MDS-Region (17p13.3) verursacht werden. Bei Patienten mit isolierter Lissenzephalie wird mit dieser Methode in etwa 40 bis 50 Prozent der Fälle eine Deletion des LIS1-Gens nachgewiesen (41).
Die DNA-Diagnostik wird mittels PCR-Amplifikation und direkter Sequenzierung der 6 kodierenden Exons des DCX-Gens und der 10 kodierenden Exons des LIS1-Gens durchgeführt. Die Untersuchung ist sowohl bei männlichen als auch weiblichen Patienten mit klassischer Lissenzephalie sinnvoll, bei denen die FISH-Diagnostik mit einer Sonde vom LIS1-Gen keine Deletion anzeigt. Bei diesen Patienten können mittels Southernblot-Analyse darüber hinaus kleinere intragenische Deletionen identifiziert werden, die bei der FISH-Analyse nicht entdeckt werden. Durch Sequenzierung und Southernblot-Analyse von LIS1 kann so in circa 24 Prozent der Fälle eine intragenische Mutation identifiziert werden. Durch die Sequenzierung und Southernblot-Analyse des DCX-Gens kann bei etwa 12 Prozent aller Patienten eine intragenische Mutation identifiziert werden (20). Das heißt, dass in der Mehrzahl der Fälle mit einer klassischen Lissenzephalie (bis zu circa 80 Prozent) Mutationen entweder in dem LIS1- oder DCX-Gen gefunden werden (41).
Wie sehr die Rate von gefundenen Mutationen von der klinischen Charakterisierung des untersuchten Patientenkollektivs abhängt, zeigt eine Studie von Patienten mit typischer subkortikaler Bandheterotopie (12). In diesem gut voruntersuchten Kollektiv wurde bei 90 Prozent der Patienten eine DCX-Mutation gefunden, und bei vielen der Patienten ohne Mutation war die Symptomatik dahingehend atypisch, dass – im Gegensatz zur typischen X-chromosomalen subkortikalen Bandheterotopie – ein posterior prädominantes Band oder ein atypischer Anterior-posterior-Gradient gefunden wird. Möglicherweise sind für diese Fälle andere, bislang nicht identifizierte Gene verantwortlich. Darüber hinaus werden mithilfe der gegenwärtig verwendeten Methoden der Mutationsanalyse bestimmte Mutationen, zum Beispiel solche in der 5'-Region einschließlich des Promoters sowie solche in Introns oder in der 3'-untranslatierten Region nicht erfasst. !
Ein Mutationsscreening in einem der Gene, die für die genannten seltenen Syndrome verantwortlich sind, kann immer dann erwogen werden, wenn aufgrund der Symptomatik eine klinische Verdachtsdiagnose gestellt werden konnte.
Genetische Beratung
Die medizinisch genetische Diagnostik erfordert neben einer detaillierten Familienanamnese und körperlichen und neurologischen Untersuchung ein MRI von hoher Qualität. In Abhängigkeit von den Befunden kann die Indikation zu einer molekulargenetischen Diagnostik gestellt werden. Wenn eine spezifische genetische Ursache identifiziert werden kann, können die Erkrankungswahrscheinlichkeiten für Familienangehörige auf der Basis des jeweils festgestellten Erbgangs und gegebenenfalls weiterer Untersuchungsergebnisse bestimmt werden.
Die meisten Patienten mit Miller-Dieker-Syndrom und isolierter Lissenzephalie sind infolge einer Neumutation erkrankt. Eine Ausnahme sind Fälle, in denen ein Elternteil ein somatisches Mosaik oder Keimzellmosaik trägt. Bei circa 20 Prozent aller Patienten mit Miller-Dieker-Syndrom liegt bei den Eltern eine balancierte Chromosomentranslokation vor, welche das Chromosom 17 einschließt. Wenn bei den Eltern keine Mutation gefunden wird, wird die Wahrscheinlichkeit für ein weiteres betroffenes Kind dieser Eltern auf unter ein Prozent geschätzt.
Falls bei einem weiblichen oder männlichen Patienten eine Mutation im DCX-Gen entdeckt wird, ist eine Untersuchung auch der Mutter angezeigt. Wird die Mutation bei der Mutter nicht nachgewiesen, ist die Wahrscheinlichkeit für ein weiteres betroffenes Kind vermutlich gering. Allerdings muss die Möglichkeit eines somatischen oder Keimzellmosaiks bei der Mutter berücksichtigt werden (35). Wenn bei der Mutter eine Mutation festgestellt wird, besteht eine Wahrscheinlichkeit von 50 Prozent sowohl für eine schwere, meist letale Form der Lissenzephalie bei Söhnen als auch für eine subkortikale Bandheterotopie unterschiedlichen Ausmaßes bei Töchtern. Da ein unauffälliger MRI-Befund die Anlageträgerschaft einer Frau nicht ausschließen kann, ist zur Feststellung oder zum Ausschluss der Anlageträgerschaft gegebenenfalls eine Mutationsanalyse bei weiblichen Verwandten einer Betroffenen mit subkortikaler Bandheterotopie erforderlich.
Falls eine Mutation identifiziert wurde, ist eine Pränataldiagnostik mittels Chromosomenanalyse, FISH-Diagnostik oder direkter DNA-Sequenzierung an Chorionzotten oder Amnionzellen möglich. Die Lissenzephalie selbst kann bei der vorgeburtlichen Ultraschalldiagnostik (Fehlbildungsdiagnostik in der 18. bis 22. Schwangerschaftswoche) nicht erkannt werden, da auch das normale fetale Gehirn bis in die späte Schwangerschaft eine glatte Oberfläche hat. Allerdings können durch eine Ultraschalluntersuchung assoziierte Fehlbildungen entdeckt werden. !
Schlussfolgerung
Die Identifizierung von Genen für die neuronale Migration sowie die funktionelle Untersuchung und das Studium der Genotyp-Phänotyp-Beziehung haben das Verständnis sowohl von der normalen Entwicklung des Kortex als auch von der Entstehung kortikaler Fehlbildungen erweitert. Die gewonnenen Erkenntnisse werden zu einer genaueren Diagnose und Prognose sowie zu einer besseren genetischen Beratung betroffener Patienten und Familien beitragen. Ein weiterer Erkenntniszuwachs ist in Zukunft von der Identifikation weiterer Gene und der Untersuchung der Interaktion von Genen zu erwarten, welche für die neuronale Migration von Bedeutung sind. Die Untersuchung der kodierenden Proteine und ihrer Funktion bei der neuronalen Migration wird ein vollständigeres Bild von einem der wichtigsten Prozesse in der Entwicklung spezifisch menschlicher Individualität vermitteln.

Danksagung
Für die Überlassung von MRT-Bildern danken wir Herrn Priv.-Doz. Dr. med. Markus Uhl, Radiologische Klinik, Universitätsklinikum Freiburg (Abb. a), Herrn Dr. med. Klaus Kirchhoff, Neuroradiologische Klinik der Universität Heidelberg (Abb. b), Herrn Priv.-Doz. Dr. med. Hanno Botsch, Abteilung Radiologie und Nuklearmedizin des St. Josephskrankenhauses, Freiburg (Abb. c), und Herrn Dr. med. Klaus Bootsveld, Institut für Radiologie und Nuklearmedizin des Klinikums Oldenburg (Abb. d). Frau Helga Senff, Frau Edith Ruscher und Herrn Gerit Linneweber danken wir für technische Hilfe.

Manuskript eingereicht: 9. 12. 2002, revidierte Fassung angenommen: 25. 2. 2003

zZitierweise dieses Beitrags:
Dtsch Arztebl 2003; 100: A 1269–1282 [Heft 19]

Die Zahlen in Klammern beziehen sich auf das Literaturverzeichnis, das beim Verfasser erhältlich oder im Internet unter www.aerzteblatt.de/lit1903 abrufbar ist.

Anschrift für die Verfasser:
Deborah Morris-Rosendahl, PhD
Institut für Humangenetik und Anthropologie
Breisacher Straße 33
79106 Freiburg
E-Mail: [e-mail]

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