Polygene Varianten und Epigenetik bei Adipositas

Die jüngste GWAMA für den BMI bei Erwachsenen wurde an bis zu 339.224 vorwiegend bevölkerungsbezogenen Personen durchgeführt. Es wurden insgesamt 97 BMI-assoziierte Loci (p ≤ 5 × 10⁻⁸) identifiziert, 56 davon waren neu. Es wurden fünf Loci mit Nachweis unabhängiger Assoziationen identifiziert (zwei Signale in der Nähe von LINC01122, NLRC3-ADCY9, GPRC5B-GP2 und BDNF und drei Signale in der Nähe von MC4R). Zusätzlich wurde Heterogenität zwischen Männern und Frauen für zwei zuvor identifizierte Loci (in der Nähe von SEC16B und ZFP64) nachgewiesen. Beide Effekte waren bei Frauen stärker [34].

Für die 56 neuen Loci wurden niedrigere Effektstärken und/oder kleinere Allelfrequenzen als für die zuvor beschriebenen Loci geschätzt. Alle Loci kombiniert, erklären etwa 2,7 % der BMI-Variabilität. Darüber hinaus wurde aus den genomweiten Daten geschätzt, dass SNP-Varianten mehr als 20 % der BMI-Variabilität erklären. Wie in der vorherigen GWAMA des GIANT-Konsortiums [46] stellte sich heraus, dass viele der Zielgene im zentralen Nervensystem eine relevante Rolle spielen. Signifikante Effekte wurden für mehrere metabolische Phänotypen für viele dieser Loci gefunden. In-silico-Signalweganalysen brachten auch die neu identifizierten Gene mit relevanten Signalwegen (synaptische Funktion, Glutamatsignalisierung, Insulinsekretion/-aktivität, Energiestoffwechsel, Lipidbiologie und Adipogenese) in Verbindung [34]. Vor der neueren GIANT-Studie berichteten verschiedene Gruppen über Adipositaspolygene mit kleinen Effektgrößen [36, 49, 54, 58].

Eine Metaanalyse von 32 GWAS zur „Waist-to-hip-Ratio“ (WHR), einem Maß für die Körperfettverteilung, wurde (für den BMI korrigiert) an bis zu 77.167 Teilnehmern durchgeführt. Dabei wurden 13 neue Loci (p = 1,9 × 10⁻⁹ bis 1,8 × 10⁻⁴⁰) sowie ein bereits bekannter Locus identifiziert. Sieben dieser Loci zeigten einen deutlichen geschlechtsspezifischen Dimorphismus, der bei Frauen gegenüber Männern mit einem stärkeren Effekt auf die WHR verbunden war (p für Geschlechtsunterschied = 1,9 × 10⁻³ bis 1,2 × 10⁻¹³; [24]).

Körperhöhe und -form ändern sich mit zunehmendem Alter und diese Veränderungen unterscheiden sich erheblich zwischen Männern und Frauen. Um alters- und/oder geschlechtsspezifische Wirkungen von genetischen Varianten auf den BMI und die WHR (für den BMI korrigiert) systematisch darzustellen, wurde eine weitere Metaanalyse mit bis zu 320.485 Personen europäischer Abstammung durchgeführt. Für den BMI wurden dabei 15 Loci, die signifikante altersspezifische Effekte zeigten, identifiziert, von denen elf bei jüngeren Erwachsenen (<50 Jahre) größere Effekte hatten als bei älteren (≥50 Jahre). Es konnten keine geschlechtsspezifischen Effekte für den BMI identifiziert werden. Für die BMI-korrigierte WHR dagegen wurden 44 Loci mit geschlechtsspezifischen Effekten identifiziert, davon zeigten 28 größere Effekte bei Frauen als bei Männern und fünf größere Effekte bei Männern als bei Frauen. Elf zeigten eine entgegengesetzte Wirkung zwischen den Geschlechtern. Altersabhängige Effekte konnten hier jedoch nicht identifiziert werden [56].

Die erste GWAS zur Adipositas bei Kindern und Jugendlichen zeigte FTO als einzigen genomweiten Locus auf [25]. Die erste GWAMA bei extrem adipösen Kindern und Jugendlichen (2258 Personen) [42] zeigte, zusätzlich zu den zuvor identifizierten Genen, zwei neue Loci für Adipositas auf (SDCCAG8, TNKS/MSRA), wobei letzterer auf Kinder und Jugendliche beschränkt war [42]. Das „Early Growth Genetics“-Konsortium (EGG) zeigte bei einer GWAMA zur Adipositas im Kindesalter an 5530 Fällen (≥95. BMI-Perzentil) und 8318 Kontrollen (<50. Perzentil des BMI) europäischer Abstammung und einer Replikationsgruppe (2818 Fälle und 4,083 Kontrollen) [9] zwei genomweit signifikante Loci. Diese sind auch im Erwachsenenalter nominal mit Adipositas assoziiert [9, 46]. Eine rezente vergrößerte EGG-GWAMA (35.668 Kinder) identifizierte fünfzehn genomweit signifikante Loci, drei davon erstmalig (ELP3, RAB27B, ADAM23). Jedes Risikoallel war mit einer Zunahme des BMI im Kindesalter von 0,073 SDS (Standard Deviation Score) (SE [Standard Error] 0,011) verbunden [17].

Alle SNPs, die bei Kindern und Jugendlichen festgestellt wurden, waren auch bei Erwachsenen zumindest nominal mit Adipositas assoziiert.

Obwohl diese Übersicht auf polygene Effekte fokussiert, hier ein kleiner Einschub zu potenziellen Hauptgeneffekten bei FTO. Abgeleitet aus dem Nager-Tiermodell wurde vermutet, dass Funktionsverlustmutationen im FTO vor allem bei schlanken Individuen zu finden sein sollten. In einer großen palästinensisch arabischen blutsverwandten Multiplex-Familie wurden einzelne Personen identifiziert mit einer nicht synonymen Mutation (Arg316Gln), die zur Inaktivierung von FTO führt [7]. Alle betroffenen, homozygoten Individuen zeigten postnatale Wachstumsretardierung, Mikrozephalie, schwere psychomotorische Verzögerung und charakteristische Gesichtsdysmorphien. Strukturelle Hirnfehlbildungen, Herzfehler, Genitalanomalien und Gaumenspalten wurden bei einigen der betroffenen Individuen beschrieben. Der Tod trat im Alter von 1–30 Monaten auf. Er wurde durch intermittierende Infektion oder nicht identifizierte Ursachen ausgelöst. Die Mutation in dieser Familie ist in einer evolutionär konservierten Region von FTO lokalisiert und führt zur Inaktivierung der enzymatischen FTO-Aktivität. Funktionelle Daten zeigten, dass FTO für die normale Entwicklung des Herz-Kreislauf- und Zentralnervensystems beim Menschen relevant ist. Keiner der heterozygoten Eltern war adipös [7]. In zwei nachfolgenden Studien wurde das FTO-Gen bei insgesamt 1629 extrem adipösen und 1609 schlanken Individuen analysiert. Die Sequenzierung von FTO lieferte in beiden Studiengruppen den Nachweis heterozygoter Funktionsverlust/-einschränkungsmutationen [37, 50]. Demzufolge ging der Verlust einer funktionellen humanen FTO-Kopie überraschenderweise nicht mit Körpergewichtsveränderungen einher [37].

Analysen von CNV-Regionen an 985 adipösen und 869 schlanken Probanden europäischer Herkunft zeigten eine ~680 kb-Duplikation am FTO Locus (einschließlich RBL2, AKTIP, RPGRIP1L und allen außer dem letzten Exon von FTO) bei einem 68-jährigen Mann mit extremer Adipositas. Zusätzliche Familienmitglieder mit der gleichen Verdoppelung waren auch adipös und zeigten eine erhöhte Fettverteilung an Hals und Schultern. Da diese CNV in weiteren 4778 adipösen oder schlanken Individuen nicht gefunden wurde, kann dies keine häufige Ursache für Adipositas sein [13].

Es wurde eine detaillierte in-silico-Analyse der Sequenz und prognostizierten Struktur des FTO Proteins durchgeführt. Das humane FTO ist Mitglied der Nicht-Häm-Dioxygenase (Fe (II) – und 2‑Oxoglutarat-abhängigen Dioxygenasen) Superfamilie [21, 41], es sind daher sowohl 2‑Oxoglutarat als auch Eisen für die FTO-Funktion wichtig [41]. Rekombinantes murines FTO katalysiert die Fe (II) – und 2‑Oxoglutarat-abhängige Demethylierung von 3‑Methylthymin in einzelsträngiger DNA, gleichzeitig werden Succinat, Formaldehyd und Kohlendioxid produziert [21]. Da die FTO-Aktivität von 2‑Oxoglutarat abhängig ist, postulierte Speakman (2015), dass es als ein Sensor des Citratzyklus fungieren könnte. Er weist allerdings auch auf jüngste Analysen hin, die eher darauf hindeuten, dass FTO ein Sensor zirkulierender Aminosäuren sein könnte [45].

In HEK293 Zellen hatte der Knockdown von FTO Einfluss auf die Transkriptionsspiegel von Genen, die an der Hungerreaktion beteiligt sind. Auf der anderen Seite beeinflusste die FTO-Überexpression die Transkription von Genen, welche mit dem Metabolismus oder der RNA-Prozessierung zusammenhängen. FTO-Transkripte befanden sich in nukleären „Speckles“, im Nukleoplasma und in Nucleoli verschiedener Zelllinien. Des Weiteren beeinflusste der Verlust von FTO die Verhältnisse von 3‑Methyluridin/Uridin und Pseudouridin/Uridin in der gesamten RNA des Gehirns [5].

Der FTO-Spiegel scheint somit multiple Effekte auf das Transkriptom und auf RNA-Modifikationen zu haben [5]. Es konnte gezeigt werden, dass die Steady-State-Spiegel mehrerer miRNAs durch den Knockdown der m6A-Demethylase-FTO beeinflusst werden, zusätzlich wurde m6A in einer signifikanten miRNA-Fraktion gefunden. Konsensussequenzen, die zwischen methylierten und unmethylierten miRNAs unterscheiden, wurden identifiziert. Diese Daten implizieren eine Erhöhung der Komplexität posttranskriptionaler Regulation der Expression von Genen durch die epigenetische Modifikation eines epigenetischen Modifikators [6].

Der vollständige (homozygoter Knockout) Verlust von Fto führt bei Mäusen zu einer postnatalen Wachstumsretardierung und einer signifikanten Reduktion des Fettgewebes sowie der Magermasse. Die Magerkeit Fto-defizienter Mäuse resultiert aus einem erhöhten Energieumsatz und systemisch sympathischer Aktivierung trotz verminderter spontaner Bewegungsaktivität und relativer Hyperphagie. Reduzierte Fto-Expression bei heterozygoten Fto+/– Mäusen hatte eine reduzierte Gewichtszunahme zur Folge. Somit könnte Fto auf die Energiehomöostase zumindest teilweise über die Kontrolle des Energieverbrauchs wirken [18]. Überexpression von Fto bei Mäusen führt zu einer erhöhten Nahrungsaufnahme und Adipositas, ohne Auswirkungen auf den Energieverbrauch [11, 45].

Kürzlich haben Claussnitzer et al. (2015) [12] die Rolle von FTO bei der Körpergewichtsregulation untersucht. Sie konnten zeigen, dass ein FTO Adipositas-Risikoallel die gewebeautonome mitochondriale Thermogenese in Adipozyten-Vorläuferzellen reprimiert. Einer der Risiko-SNPs (rs1421085) stört ein konserviertes Repressormotiv (ARID5B), wodurch ein potenter Präadipozyten-Enhancer nicht mehr unterdrückt wird. Dadurch wird die Expression von IRX3 und IRX5 bei der frühen Adipozytendifferenzierung verdoppelt. Dies führt wiederum zu einer Entwicklungsverschiebung von energieverbrauchenden beigen (oder auch „brite“) Adipozyten zu energiespeichernden weißen Adipozyten, sodass die mitochondriale Thermogenese reduziert und die Fettspeicherung beträchtlich erhöht wird. Die Reduktion von IRX3 im Fettgewebe von Mäusen reduzierte das Körpergewicht und erhöhte die Energieaufnahme, körperliche Aktivität und Appetit waren unverändert. Der Knockdown von entweder IRX3 oder IRX5 in primären Adipozyten menschlicher Träger des Risikoallels stellte ihre Thermogenese wieder her. Für die Überexpression dieser Gene konnte der entgegengesetzte Effekt gezeigt werden. Wenn das ARID5B-Motiv in primären Adipozyten repariert wurde, wurde die Repression von IRX3 und IRX5 wiederhergestellt. Die Autoren folgerten, dass die Manipulation des Signalweges für die Adipozyten-Thermogenese, welcher ARID5B, rs1421085, IRX3 und IRX5 beinhaltet, ausgeprägte Effekte auf die Entwicklung von Adipositas haben könnte [12]. Jüngste Studien beschreiben eine erhöhte adipozytenspezifische Expression von IRX3 und IRX5 bei schlanken Kindern mit einem FTO-Risiko-Haplotypen, jedoch nicht bei vergleichbaren adipösen Kontrollen. Dies könnte als Abwehrmechanismus angesehen werden, um das Körpergewicht bei schlanken Kindern zu schützen [31].

Zusammenfassend führt die vollständige Fto-Deletion zu Wachstumsstörungen mit einer Reduktion des Fettgewebes und der Magermasse im Tiermodell. Umgekehrt führt die Fto-Überexpression zum entgegengesetzten Phänotyp. Diese Effekte scheinen zumindest teilweise durch Erhöhungen des Energieumsatzes vermittelt zu werden. Die Assoziation von Adipositas mit intronischen Polymorphismen in FTO deutet darauf hin, dass die Polymorphismen die FTO-Aktivität erhöhen können, was ebenfalls durch eine allelspezifische Expressionsstudie postuliert wurde [4].

Große GWAMA zu einzelnen Merkmalen, wie dem BMI, wurden vor Kurzem in kombinierte Analysen verschiedener, verwandter Phänotypen eingeschlossen. Genetische Varianten mit einem Effekt auf die Körperform wurden als Composite-Phänotyp, der eine Kombination von sechs anthropometrischen Merkmalen (Body Mass Index, Größe, Gewicht, Taillen- und Hüftumfang, Waist-to-Hip-Ratio) repräsentiert, analysiert. Sechs neue Loci wurden für diesen Composite-Phänotyp identifiziert. Die Autoren [39] betonen den Wert der Verwendung von multiplen Merkmalen zur Definition komplexer Phänotypen, da diese dabei helfen, Varianten zu erkennen, die nicht durch Einzelphänotypanalysen identifiziert wurden. Sie könnten Aufschluss über neue biologische Signalwege geben. Mehrere zuvor identifizierte Loci wurden mit mehr als einem anthropometrischen Merkmal assoziiert. Interessanterweise war das BMI-erhöhende Allel des MC4R-Locus auch mit einer gesteigerten Körperhöhe assoziiert (siehe auch [35]), während das BMI-erhöhende Allel am POMC/ADCY3-Locus mit einer verminderten Körpergröße assoziiert war. Einige Loci könnten folglich mit einem komplexeren Körperformphänotyp assoziiert sein, der nicht von der aktuellen GWAS zu einzelnen Phänotypen erfasst wird [39].

Vor Kurzem wurde eine neue Methode etabliert, um die genetische Korrelation aus zusammenfassenden Statistiken von GWAS-Analysen zu schätzen. Die neue Methode (Cross-Trait LD Score Regression, LDSC) verwendet keine individuellen Genotypdaten und reduziert dabei das Problem überlappender Daten aus verschiedenen Metaanalysen. LDSC wurde verwendet, um 276 genetische Korrelationen für 24 Merkmale, einschließlich Anorexia nervosa (AN), Schizophrenie, Adipositas und Bildungserfolg, zu schätzen [10]. Anschließend hat man die LDSC-Technik auf verschiedene andere Krankheiten angewendet. Bei über 23 psychiatrischen und neurologischen Störungen (n = 842.820) wurde das Ausmaß gemeinsamer genetischer Einflüsse analysiert. Die Ergebnisse zeigen wesentliche Unterschiede bei der Spezifität der genetischen Ätiologie psychiatrischer gegenüber neurologischen Erkrankungen. Interessanterweise konnten Gemeinsamkeiten genetischer Einflüsse zwischen anthropometrischen Messungen (z. B. BMI, Körperhöhe) und psychiatrischen Störungen (z. B. Depression und Neurotizismus) festgestellt werden [2]. Eine GWAMA zum Bildungsabschluss (Entdeckung: 293.723 Personen, Replikation: 111.349 Personen) identifizierte kürzlich 74 genomweit signifikante Loci, die mit der Anzahl der abgeschlossenen Ausbildungsjahre assoziiert sind. Allgemein wurden SNPs, die mit einem erhöhten Schulerfolg verbunden waren, mit einem niedrigeren BMI assoziiert [38].

Neben diesen allgemeinen Ansätzen wurde eine Reihe von Look-ups von GWAS-Treffern zu Einzelmerkmalen (z. B. BMI) in GWAMA-Daten für verwandte Merkmale (z. B. Anorexia nervosa) durchgeführt. Die Ergebnisse stimmen mit der genetischen Überlappung zwischen den Merkmalen überein, wie in den obigen Studien gezeigt wurde. Die Cross-Disorder Analyse für Alzheimer und Adipositas bezog einen SNP (rs10838725) am Locus CELF1 mit ein, der genomweit signifikant für beide Merkmale ist [27]. Für ADHS und Adipositas schienen ebenfalls zwei genomische Loci geteilt zu werden, obgleich die Ergebnisse für ADHS nicht genomweit signifikant waren [1]. Vor Kurzem zeigte der Look-up der besten (niedrigster p-Wert) 1000 GWAS-SNPs für AN (kein genomweit signifikanter SNP in der zugrunde liegenden Studie) [8] in der GWAMA zum BMI [34] drei genomische Regionen, die für beide relevant zu sein scheinen. Ein Locus auf Chromosom 10 mutet besonders interessant an, da die Assoziation mit Untergewicht vor allem bei Frauen beobachtet wurde [28]. Ein Look-up der 74 mit dem Bildungsabschluss assoziierten SNPs (siehe oben) ergab für zwei eine Assoziation mit einem niedrigeren und für einen eine Assoziation mit einem höheren BMI [38]. Auch hier zeigten die Cross-Phänotyp/Merkmal-Analysen genetische Loci, die von den einzelnen GWAMA-Analysen nicht erfasst wurden.

„Metastabile Epiallele“ sind bei Mäusen beschrieben worden; es sind ererbte epigenetische Varianten, die grundsätzlich einen Teil der „fehlenden Erblichkeit“ erklären könnten [30]. Vor Kurzem lieferte eine Studie am Menschen den Nachweis, dass Methylierung in einer variabel methylierten Region (VMR) innerhalb des Pro-opiomelanocortin-Gens (POMC) mit dem BMI assoziiert ist. Die Methylierung der POMC VMR wird im frühen Embryo vollzogen. Interessanterweise korrelierte die Methylierung der Nachkommen mit dem paternalen somatischen Methylierungsmuster. Eine weitere Assoziation wurde mit dem Ausmaß der maternalen Aufnahme von C1-Metaboliten bei der Konzeption identifiziert. Während der postnatalen Periode war die Methylierung stabil. Zusammen belegen diese Daten, dass die POMC VMR ein humanes metastabiles Epiallel mit Einfluss auf die Körpergewichtsregulation darstellen kann [30].