Multisystemische Erkrankungen im Kindesalter durch erbliche Defekte der Glykoproteinbiosynthese

Zusammenfassung
Einleitung: „Congenital Disorders of Glycosylation“ (CDG) sind erblich bedingte Defekte der Glykoproteinbiosynthese, die zu Multiorgan-Erkrankungen mit oftmals schweren neurologischen Störungen führen. Sie stellen eine neue, sich rasch vergrößernde Gruppe von Stoffwechseldefekten beim Menschen dar, die noch vor 25 Jahren völlig unbekannt war. Methoden: Übersichtsartikel anhand ausgewählter Publikationen. Ergebnisse: Die Aufklärung der genetischen und biochemischen Grundlagen von CDG haben bisher nicht nur die Diagnostik und das Verständnis pathobiochemischer Zusammenhänge bei Störungen der Glykoproteinbiosynthese verbessert, sondern in Einzelfällen auch zu einfachen und wirkungsvollen Therapieansätzen innerhalb dieser Erkrankungsgruppe geführt. Diskussion: Bis heute wurden 18 verschiedene autosomal rezessiv vererbte CDG-Typen identifiziert, die wahrscheinlich nur die Spitze eines Eisbergs darstellen. Da der biochemische Prozess der Glykosylierung von vielen Genen gesteuert wird, ist zu vermuten, dass die Zahl der molekularen Ursachen für CDG deutlich höher liegt. Dtsch Arztebl 2006; 103(46): A 3101–7.
Schlüsselwörter: kongenitale Fehlbildung, Glykoproteinbiosynthese, molekulare Medizin, Genmutation, pädiatrische Erkrankung

Summary
Inherited disorders of glycoprotein biosynthesis
Introduction: Inborn errors of glycoprotein biosynthesis leading to multiorganic diseases, often associated with severe neurological deficiencies, are termed congenital disorders of glycosylation (CDG). CDG comprise a new, rapidly expanding group of metabolic diseases in men which were completely unknown 25 years ago. Methods: Selective literature review. Results: The identification of the genetic and biochemical basis of CDG has not only improved clinical diagnosis and the understanding of pathobiochemical effects caused by deficiencies in glycoprotein biosynthesis, but has led in some cases to simple and effective therapies.
Discussion: The 18 different autosomal recessive CDG which have been identified so far are probably only the tip of an iceberg. Due to the genetic complexity of the affected metabolic pathway, the total number of CDG is probably much higher. Dtsch Arztebl 2006; 103(46): A 3101–7.
Key words: congenital malformation, glycoprotein biosynthesis, molecular medicine, pediatric genetic disorder


Stoffwechselerkrankungen in der Synthese von Glykoproteinen, die durch monogenetische, autosomal rezessiv vererbte Defekte hervorgerufen werden, sind im Vergleich zu vielen anderen erblich bedingten Stoffwechselstörungen erst im Verlauf der letzten Jahre erkannt worden. Dies ist vor allem auf das sehr heterogene klinische Erscheinungsbild der Erkrankungsgruppe zurückzuführen. Vermutlich ist daher eine erhebliche Zahl betroffener Patienten bisher noch nicht identifiziert worden. Darüber hinaus ergibt sich aus der Komplexität des gesamten Glykosylierungsvorgangs (Grafik 1), dass die bisher beschriebenen 18 molekularen Ursachen für Congenital Disorders of Glycosylation (CDG) nur einen kleinen Ausschnitt aller existierenden Erkrankungen in diesem Stoffwechselweg repräsentieren (1, 2).
Die einzelnen CDG-Erkrankungen können viele Organe betreffen, wobei häufig neurologische Defekte im Vordergrund stehen (Tabelle Internet). Neben Symptomen wie Entwicklungsverzögerungen kombiniert mit gestörter Nahrungsaufnahme und häufigem Erbrechen, Ataxie, Mikrozephalie, verminderter Nervenleitgeschwindigkeit, persistierenden Infektionen und Hydrops fetalis werden bei vielen CDG-Patienten bei der Geburt invertierte Brustwarzen und Fettansammlungen im Gesäß- und Oberarmbereich beobachtet. Als ophthalmologische Befunde werden Strabismus, Retinitis pigmentosa, optische Atrophie, Kolobome der Iris und Katarakte beschrieben. Weiterhin weisen einige CDG-Patienten hormonell bedingt vermindertes Wachstum, Hypogonadismus und Hyperinsulinämie auf.
Orthopädische Probleme können sich als Osteopenie, Exostose und Gelenkkontrakturen manifestieren. Häufig werden Koagulationsstörungen beobachtet, die mit Thrombosen, Hämophilie und Phlebitis einhergehen können. Besonders in den ersten Monaten nach der Geburt erleiden einige Patienten lebensbedrohliche kardiale Probleme, die durch Kardiomyopathie, Perikarditis oder Perikardergüsse hervorgerufen werden können. Im gastrointestinalen Bereich werden bei CDG-Patienten chronische Diarrhöe, Hepatomegalie und Enteropathie mit Proteinverlust beschrieben. Proteinurie, Mikrozysten und proximale Tubulopathien sind die häufigsten renalen Veränderungen (1, 2, 3).
Die Untersuchung von CDG-Erkrankungen (Grafik 2) wird durch die Analyse der Zuckerketten, die mit dem Serumprotein Transferrin verknüpft sind, eingeleitet. Dabei bedient man sich der isoelektrischen Fokussierung, die es erlaubt, den Ladungszustand dieses Proteins im elektrischen Feld zu analysieren (Grafik 3a). Obwohl dieser Suchtest relativ einfach durchzuführen ist, und es viele Anstrengungen von Fachärzten, Wissenschaftlern und Elternvereinen (beispielsweise www.cdg-syndrom.de) gibt, das CDG-Syndrom bei den Ärzten allgemein bekannt zu machen, werden sehr viele CDG-Patienten bisher vermutlich nicht erkannt.
Das Verständnis der molekularen Ursachen für CDG (Tabelle Internet) hat die Diagnostik dieser neuen Erkrankungsgruppe verbessert und darüber hinaus in einigen Fällen zu Therapieerfolgen geführt. So konnten durch die orale Gabe des Zuckers Mannose bei CDG-Ib-Patienten lebensbedrohliche Darmblutungen zum Stillstand gebracht werden (Grafik 1) (4). Weiterhin vermindert die orale Gabe von Fukose bei einigen CDG-IIc-Patienten die schwere Infektanfälligkeit (Grafik 1) (5).
Biochemische Grundlagen
Beim Menschen sind mehr als 100 Glykosyltransferasen, Glykosidasen und Transporter am Glykosylierungsprozess beteiligt. Sie sind innerhalb der Körperzellen im Zytosol, dem endoplasmatischen Retikulum und dem Golgi-Apparat lokalisiert (Grafik 1) (6). Erbliche Defekte, die auf diese Enzyme zurückgeführt werden können, werden in zwei Untergruppen gegliedert. CDG-Typ I betrifft Glykosylierungsstörungen im Zytosol und im endoplasmatischen Retikulum. Diese Erkrankungsgruppe umfasst Defekte in der De-novo-Synthese von Oligosacchariden, die an den Lipidträger Dolichol gebunden sind, einschließlich der nachfolgenden Übertragung der Zuckerstrukturen auf neusynthetisierte Glykoproteine. CDG-II beschreiben Defekte, die die nachfolgenden Prozessierungsschritte betreffen. Dabei werden die Oligosaccharide im endoplasmatischen Retikulum und im Golgi-Apparat zunächst verkürzt und anschließend durch die Verknüpfung mit anderen Monosacchariden in ihre endgültige Struktur überführt. (Grafik 1, Tabelle Internet) (1, 7, 8).
Die biochemische Grundlage zum Verständnis von CDG besteht darin, dass viele Proteine mit Zuckerresten verknüpft werden müssen, um ihre physiologischen Aufgaben zu erfüllen. Der komplexe, als Glykosylierung bezeichnete Prozess stellt eine der häufigsten und strukturell variabelsten Modifikationen von Eiweißmolekülen dar. Die Glykosylierung führt zur Veränderung der physikochemischen Eigenschaften der Proteine hinsichtlich ihrer Polarität, Löslichkeit und Stabilität. Glykoproteine sind an vielen lebenswichtigen Vorgängen wie Wachstum, Differenzierung, Entwicklung von Organen, Signalübertragung, Abwehr, Entzündung aber auch an maligner Entartung beteiligt. Die Zuckeranteile der Glykoproteine sind für die korrekte Faltung der Proteine, den gerichteten Transport und die biologische Aktivität sehr wichtig. Die Glykosylierung ist Träger eines Codes, dessen Speicherkapazität aufgrund der Strukturvielfalt der Glykane die Kapazität der klassischen Informationsträger wie Nukleinsäuren und Proteine weit übersteigt (6).
Im Folgenden soll auf die häufigsten CDG-Typen, CDG-Ia, CDG-Ib und CDG-Ic, eingegangen werden, die etwa 90 Prozent der CDG-Patienten betreffen. Eine Übersicht aller bisher bekannten 18 CDG-Typen und ihrer Leitsymptome ist in der Tabelle im Internet dargestellt.
Congenital Disorder of Glycosylation Ia
Die häufigste Form des CDG-Syndroms wird als CDG-Ia bezeichnet. Diese Erkrankung wurde bisher bei mehr als 500 Patienten weltweit diagnostiziert und betrifft damit etwa 80 Prozent aller bekannten CDG-Patienten. Weil der klinische Verlauf und die Symptome sehr variabel sind (9), ist es schwierig, CDG-Ia als eine klinische Entität zu erkennen. Bei Neugeborenen können muskuläre Hypotonie, psychomotorische Retardierung und zerebelläre Hypoplasie von einigen auffälligen dysmorphen Zeichen wie subkutanen Fettpolstern, invertierten Brustwarzen und Strabismus convergens begleitet werden (Grafik 3 b, c). Etwa 20 Prozent der Kinder sterben innerhalb der ersten beiden Lebensjahre an Leber- und Nierenversagen oder an Herzmuskelschwäche. Häufig kommt es zu Gedeihstörungen, die auf Anorexie, Erbrechen und Diarrhö zurückzuführen sind. In späteren Lebensphasen dominieren geistige Retardierung, motorische Störungen und Krampfanfälle, die häufig in Fieberphasen auftreten. Die Kinder können außerdem an thromboembolischen Störungen leiden, die vermutlich auf die Hypoglykosylierung des Gerinnungsfaktors XI und der Antikoagulationsfaktoren Protein C und Antithrombin III zurückzuführen sind. Bei weiblichen Patienten führt CDG-Ia häufig zu einem Hypogonadismus (Tabelle).
Die molekulare Ursache für CDG-Ia ist auf Mutationen im PMM2-Gen zurückzuführen. Dieses Gen kodiert für das Enzym Phosphomannomutase 2 (Grafik 1, Tabelle Internet) das die Umsetzung von Mannose-6-Phosphat zu Mannose-1-Phosphat katalysiert. Ein Defekt des Enzyms führt zur verminderten Synthese von GDP-Mannose, einem zentralen Stoffwechselprodukt im Rahmen der Glykoproteinbiosynthese (Grafik 1) (10). Dies hat einen Verlust kompletter Oligosaccharidketten an Glykoproteinen zur Folge.
Die klinische Verdachtsdiagnose sollte zunächst anhand der isoelektrischen Fokussierung des Serumtransferrins überprüft werden (Grafik 3a). Lässt sich eine Akkumulation von Disialotransferrin und Asialotransferrin bei gleichzeitiger Abnahme des Tetrasialotransferrins nachweisen, sollte die Aktivität der Phosphomannomutase in Hautfibroblasten oder Leukozyten der Patienten bestimmt werden (Grafik 2). Bei einigen CDG-Patienten konnte lediglich eine moderate Verminderung der Enzymaktivität von Phosphomannomutase festgestellt werden, obwohl Mutationen im PMM2-Gen vorhanden waren (11). Deshalb ist es bei allen CDG-Verdachtsfällen mit einem CDG-I-Transferrinmuster und einer leicht verminderten Phosphomannomutase-Aktivität erforderlich, das PMM2-Gen molekulargenetisch zu analysieren. Die Mutationsanalyse ist darüber hinaus die einzige Möglichkeit für eine pränatale Diagnostik, weil das Serumtransferrinmuster betroffener Kinder in utero in der isoelektrischen Fokussierung nicht verändert ist (12).
Obwohl in Hautfibroblasten von CDG-Ia-Patienten nach Gabe von Mannose beziehungsweise Reduktion von Glucose eine Normalisierung des Glykosylierungsdefektes erreicht wurde (13, 14), war bisher weder die orale noch die intravenöse Gabe von Mannose, auch in Kombination mit einer ketogenen Diät, therapeutisch erfolgreich. Alternative Therapieansätze werden zurzeit im Mausmodell getestet.
Congenital Disorder of Glycosylation Ib
Der klinische Phänotyp von CDG-Ib geht im Vergleich zu CDG-Ia nicht mit Dysmorphien und neurologischen Defekten einher. Stattdessen leiden die bis heute bekannten etwa 30 Patienten hauptsächlich an gastrointestinalen und hepatischen Symptomen. Chronische Diarrhö und häufiges Erbrechen können zu einer Enteropathie mit Proteinverlust und Wachstumsstörungen führen. Duodenale Biopsien weisen in einigen Fällen eine partielle Atrophie der Villi auf. Bei einigen CDG-Ib-Patienten besteht eine hepatische Fibrose und hyperinsulinämische Hypoglykämie. Durch die vermehrte Neigung zu venöser Thrombose können lebensbedrohliche Darmblutungen entstehen. Die Albuminwerte sind reduziert, wohingegen die Lebertransaminasen häufig erhöht sind. Ähnlich wie bei CDG-Ia werden Koagulopathien mit verminderten Spiegeln von Faktor XI, Antithrombin III und Protein C beobachtet (4).
Der Defekt von CDG-Ib wird auf Mutationen im Gen für das Enzym Phosphomannose-Isomerase zurückgeführt (Grafik 1, Tabelle Internet), das im Zytosol die Umsetzung von Fructose-6-Phosphat zu Mannose-6-Phosphat katalysiert. Diese Reaktion ist dem bei CDG-Ia betroffenen Reaktionsschritt direkt vorgelagert. Vergleichbar mit CDG-Ia führt auch hier die eingeschränkte Enzymaktivität durch die Verminderung des GDP-Mannose-Spiegels zur Abnahme der Oligosaccharidketten an Glykoproteinen.
Wie bei CDG-Ia wird die Verdachtsdiagnose bei CDG-Ib zunächst durch die isoelektrische Fokussierung des Serumtransferrins überprüft. Ist eine Akkumulation von Disialotransferrin und Asialotransferrin und eine gleichzeitige Abnahme des Tetrasialotransferrins nachweisbar, kann die Diagnose durch eine Aktivitätsbestimmung der Phosphomannose-Isomerase in Fibroblasten oder Leukozyten der Patienten und eine genetische Analyse des PMI-Gens gesichert werden (Grafik 2).
Weil Mannose, ähnlich wie Glucose, über Transportproteine in Körperzellen aufgenommen und dort von dem Enzym Hexokinase in Mannose-6-Phosphat umgesetzt wird (Grafik 1), bessert bei den meisten CDG-Ib-Patienten die orale Gabe von Mannose die Symptome (4).
Congenital Disorder of Glycosylation Ic
Die klinische Symptomatik bei CDG-Ic verläuft zumeist milder als bei CDG-Ia. Die für CDG-Ia charakteristischen Dysmorphien, verminderten Muskeleigenreflexe und die reduzierte Nervenleitgeschwindigkeit fehlen häufig. Die Kleinhirnatrophie ist bei CDG-Ic-Patienten, wenn überhaupt, nur gering ausgeprägt. Bei den bisher bekannten etwa 50 CDG-Ic-Patienten wurden psychomotorische Retardierung, muskuläre Hypotonie, dystone Bewegung und Krampfanfälle beschrieben. Analog zu CDG-Ia und CDG-Ib sind Antithrombin III und Faktor XI vermindert (15).
Die Erkrankung wird auf Mutationen im hALG6-Gen zurückgeführt. Dieses Gen kodiert das im endoplasmatischen Retikulum lokalisierte Enzym Glucosyltransferase I (15, 16, 17) (Grafik 1).
Wie bei CDG-Ia und CDG-Ib ist der erste Schritt bei der Diagnostik von CDG-Ic eine isoelektrische Fokussierung des Serumtransferrins. Dabei zeigt sich ein typisches CDG-I-Muster mit einem Anstieg des Di- und Asialotransferrins bei gleichzeitiger Verminderung des Tetrasialotransferrins. Allerdings ist die Asialotransferrinbande bei CDG-Ic häufig schwächer ausgeprägt als bei CDG-Ia und CDG-Ib (15). Die weiterführende Analytik bei CDG-Ic erfolgt durch die HPLC-Analyse (HPLC, high pressure liquid chromatography) radioaktiv markierter Dolichol-verknüpfter Oligosaccharide aus Hautfibroblasten des Verdachtspatienten. Bei einer für CDG-Ic typischen Akkumulation von verkürzten Oligosacchariden erfolgt eine genetische Untersuchung des hALG6-Gens (Grafik 2).
Eine Therapie für CDG-Ic ist zurzeit nicht möglich. Allerdings finden pharmakologische Studien am Hefemodell statt, und es ist geplant, ein Mausmodell für Therapieversuche zu generieren.
Ausblick
Aufgrund der komplexen Klinik bei CDG sollten alle Patienten mit einem unklaren multiorganischen Leiden, besonders in Verbindung mit einer Kombination aus mentalen und psychomotorischen Störungen, Strabismus, zerebellärer Atrophie und Koagulopathien, auf CDG untersucht werden.
Zurzeit werden unter dem Oberbegriff CDG Erkrankungen zusammengefasst, die vor allem die Verknüpfung von Glykanen mit NH2-Gruppen von Asparaginresten von Glykoproteinen, die so genannte N-Glykosylierung, betreffen. Es gibt allerdings weitere genetische Defekte der Glykoproteinbiosynthese, die im Rahmen der bestehenden CDG-Nomenklatur bisher noch nicht erfasst sind. Dazu gehören Störungen der O-Glykosylierung, bei der Oligosaccharide mit Hydroxylgruppen von Serin- und Threoninresten von Proteinen verknüpft werden. Diese Defekte führen zu muskulären Dystrophien und schweren neurologischen Behinderungen (18).
Außerdem ist ein Defekt in der Biosynthese von Proteoglykanen bekannt, der mit Progerie-Symptomen einhergeht (19). Kürzlich wurden auch Mutationen beschrieben, die zur Generierung neuer Glykosylierungsstellen in Proteinen und damit zu einer verstärkten Glykosylierung führen. Bei den Patienten wurden Mykobakteriosen festgestellt. Die Mutationen führen möglicherweise zu einer neuen oder erweiterten Funktion („gain of function“) im Interferon-g2-Rezeptor (20).
Für den größten Teil der CDG-Patienten gibt es bisher keine Therapie. Andererseits sind die Möglichkeiten zur Aufklärung der molekularen und biochemischen Ursachen von CDG vorhanden (beispielsweise an der Universitätskinderklinik Heidelberg, Abteilung 1). Mausmodelle, an denen die Pathogenese der verschiedenen Formen von CDG analysiert werden können, sind teilweise schon verfügbar. Auf der Basis solcher Untersuchungen lassen sich Therapiekonzepte entwickeln, deren Wirksamkeit an diesen Tiermodellen erprobt werden können.

Danksagung
Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft und dem Fond der Chemischen Industrie für die Unterstützung der Forschungsprojekte.

Interessenkonflikt
Die Autoren erklären, dass kein Interessenkonflikt im Sinne der Richtlinien des International Committee of Medical Journal Editors besteht.

Manuskriptdaten
eingereicht: 14. 10. 2005, revidierte Fassung angenommen: 4. 4. 2006.


Anschrift für die Verfasser
Prof. Dr. rer. nat. Christian Körner
Universitätskinderklinik Heidelberg Abteilung I
Sektion Metabolische und Endokrinologische Erkrankungen
Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg
Im Neuenheimer Feld 153
69120 Heidelberg
E-Mail: [e-mail]

Literatur

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