DNA-Sequen­zierung überführt Genmanipulation

Ein Riese steht im Wald. Bild: Shirley, Lizenz: CC BY-SA 4.0

DNA-Sequen­zierung überführt Genmanipulation

Dank «Next Generation Sequencing» können Milli­arden von Genen gleich­zeitig unter­sucht werden. Forschende der Univer­sität Bern und vom Insel­spital, Univer­si­täts­spital Bern konnten nun dank dieser zukunfts­wei­senden Methode eine Genmu­tation identi­fi­zieren, die zu einer seltenen Hormon­er­krankung führt. Dies ist ein Beispiel dafür, wie dank Präzi­si­ons­me­dizin künftig maßge­schnei­derte Therapien entwi­ckelt und Neben­wir­kungen vermieden werden können.

Ein inter­na­tio­nales Team von Forschenden unter der Leitung von Amit Pandey und Christa Flück vom Department for BioMe­dical Research (DBMR) der Univer­sität Bern und Abteilung für pädia­trische Endokri­no­logie der Univer­si­täts­kin­der­klinik Bern hat die geneti­schen Ursachen des Aroma­ta­se­mangels unter­sucht, einer seltenen Stoff­wech­sel­störung. Diese angeborene Erkrankung verhindert die Produktion von Östro­genen (das Enzym Aromatase ermög­licht die Östro­gen­pro­duktion im Körper. Bei Mädchen führt ein Aroma­ta­se­mangel schon bei den Föten zu einer Vermänn­li­chung und später zu fehlender Puber­täts­ent­wicklung. Bei Knaben kann es unter anderem zu einem Großwuchs wegen fehlendem Wachs­tumsstop kommen. Die Ursache dafür ist ein Defekt beim Gen, welches das Aromatase-Enzym bildet.

Die Forschenden identi­fi­zierten einen bisher unbekannten Mecha­nismus, der dazu führt, dass kein Östrogen produ­ziert werden kann – auch wenn das zuständige Aromatase-Enzym vorhanden ist. Die Ergeb­nisse basieren auf einer Zusam­men­arbeit der Berner Gruppe mit spani­schen Forschenden und wurden nun im Journal «The Journal of Clinical Endocri­nology and Metabolism» (JCEM) publi­ziert. Diese Publi­kation ist die aktuellste aus der Gruppe um Amit Pandey, die dank ihrem präzi­si­ons­me­di­zi­ni­schen Ansatz und ihrer inter­na­tio­nalen Vernetzung mehrere Durch­brüche auf dem Gebiet von Erkran­kungen im Bereich der Sexual­hormone erzielen konnte, unter anderem wie es zu einer Vermänn­li­chung von Föten im Mutterleib kommt.

Ein Puzzle wird zusammengefügt

«Ein Aroma­ta­se­mangel kann mit einer Hormon­er­satz­the­rapie behandelt werden. Diese Therapie weist jedoch Neben­wir­kungen auf. Deshalb wollten wir wissen, welcher Teil des geneti­schen Codes bei den Patien­tinnen und Patienten verändert war, um für künftige Therapien gezielt am richtigen Ort anzusetzen», sagt Amit Pandey. «Die moderne DNA-Sequen­zierung half uns dabei.» Pandey war von spani­schen Geneti­ke­rinnen und Genetikern auf einen beson­deren Fall aufmerksam gemacht worden: Eine Patientin wies Symptome eines Aroma­ta­se­mangels auf, aber bei der Sequen­zierung des für die Aromatase zustän­digen Gens konnten keine Defekte gefunden werden. Durch den Einsatz der «Next Generation Sequencing» Techno­logie, die gleich­zeitig Milli­arden von Teilen des geneti­schen Codes unter­sucht, identi­fi­zierten die spani­schen Forschenden aber einen Fehler in einem anderen Gen. Dieses Gen bildet ein bestimmtes Enzym, die sogenannte Cytochrom-P450-Oxido­re­duktase (POR).

Hier kam die Gruppe von Amit Pandey ins Spiel: Auf dem Gebiet von Stoff­wech­sel­stö­rungen, die durch Mutationen dieses POR-Gens verur­sacht werden, ist sein Labor für pädia­trische Endokri­no­logie führend. Durch seine langjährige Erfor­schung des POR-Gens wusste Pandey, dass die Aromatase zur Herstellung von Östro­genen auf die Energie­zufuhr durch das POR-Enzym angewiesen ist. «Wir hatten die Methoden, um heraus­zu­finden, wie genau sich nun eine Verän­derung von POR auf die Östro­gen­pro­duktion auswirkt» erklärt Pandey.

Shaheena Parween aus seiner Gruppe konnte das POR-Gen genetisch so modifi­zieren, dass es dem bei der Patientin gefun­denen Defekt entsprach, und stellte in Esche­richia coli-Bakterien die Produktion des POR-Enzyms der Patientin nach. Die Berner Forschenden konnten zeigen, dass POR, das mit dem geneti­schen Defekt der Patientin herge­stellt wurde, den grössten Teil seiner Fähigkeit, die Östro­gen­pro­duktion zu unter­stützen, verloren hatte. «Daher konnte die Patientin selbst mit einem korrekten Aromatase-Enzym nicht mehr genügend Östrogene produ­zieren», erklärt Pandey. Die Kenntnis des genauen Mecha­nismus, der zu Aroma­ta­se­mangel führt, ermög­licht es Ärztinnen und Ärzten, aktuelle Oestrogen-Ersatz­the­rapien genau zu steuern. Damit eröffnen sich auch Möglich­keiten zu neuen Thera­pie­an­sätzen. «Unsere Studie demons­trierte die leistungs­starke diagnos­tische Fähigkeit der modernen Sequen­zier­tech­no­logien», sagt Pandey.

Unter­stützung der Forschung in Arika und Indien

Das Berner Team erwei­terte seine Studien, indem es mehr Patien­tinnen und Patienten mit Aroma­ta­se­mangel aus Afrika und Indien unter­suchte und die genauen Ursachen der geneti­schen Defekte identi­fi­zierte, die für den Verlust der Östro­gen­pro­duktion verant­wortlich sind. Dabei zeigte sich, dass die Zusam­men­arbeit mit den Berner Forschenden den Einsatz fortschritt­licher Diagnose- und Testtech­no­logien ermög­lichte, die in den örtlichen Kranken­häusern nicht verfügbar sind. «Dies unter­streicht die Rolle der inter­na­tio­nalen Zusam­men­arbeit bei der Diagnose und Therapie seltener Stoff­wech­sel­stö­rungen», betont Pandey.

Bern als idealer Standort

«Alle Menschen haben sehr ähnliche Gene, können aber dennoch bis zu einer Million oder mehr Unter­schiede in ihrem geneti­schen Code aufweisen, sogar zwischen einer Tochter und ihrer Mutter. Wenn wir also genau heraus­finden, was eine Krankheit verur­sacht, dann können präzise Diagnosen gestellt und neue gezielte Therapien entwi­ckelt werden», so Pandey. «Die modernen Sequen­zie­rungs­tech­no­logien bringen die Präzi­si­ons­me­dizin voran – so wird es möglich, massge­schnei­derte Behand­lungen für Patien­tinnen und Patienten entspre­chend ihrer geneti­schen Ausstattung zu entwi­ckeln.» Gerade im Bereich der seltenen Stoff­wech­sel­krank­heiten sei der Medizi­nal­standort Bern mit den beiden Neugrün­dungen des Bern Center for Precision Medicine (BCPM) der Univer­sität Bern und des Zentrums für seltene Krank­heiten am Insel­spital bestens aufgestellt.

Publi­ka­ti­ons­de­tails:

Parween S, Fernández-Cancio M, Benito-Sanz S, et al. Molecular basis of CYP19A1 deficiency in a 46, XX patient with R550W mutation in POR: Expanding the PORD phenotype. J Clin Endocrinol Metab. 2020; 105 (4) e1272-e1290, https://dx.doi.org/10.1210/clinem/dgaa076

Flück CE, Parween S, Rojas Velazquez MN, Pandey AV. Inhibition of placental CYP19A1 activity remains as a valid hypothesis for 46, XX viriliz­ation in P450 oxido­re­ductase deficiency. Procee­dings of the National Academy of Sciences USA 2020 https://dx.doi.org/10.1073/pnas.2003154117

Parween S, DiNardo G, Baj F, Zhang C, Gilardi G, Pandey AV. Diffe­rential effects of varia­tions in human P450 oxido­re­ductase on the aromatase activity of CYP19A1 polymor­phisms R264C and R264H. J Steroid Biochem Mol Biol. 2020;196:105507. https://dx.doi.org/10.1016/j.jsbmb.2019.105507

Valiya­pa­rambil Pavithran Praveen, Asmahane Ladjouze, Kay-Sara Sauter, Annie Pulickal, Efsta­thios Katharo­poulos, Mafalda Trippel, Aurel Perren, Amit V Pandey, Christa E Flück, Novel CYP19A1 mutations extend the genotype-phenotype corre­lation and reveal the impact on ovarian function, Journal of the Endocrine Society, 2020, 4(4) bvaa030, https://doi.org/10.1210/jendso/bvaa030

Textquelle: Nathalie Matter, Univer­sität Bern

Bildquelle: Ein Riese steht im Wald. Bild: Shirley, Lizenz: CC BY-SA 4.0