Die Urologie
Autoren
Peter H. Vogt

Genetische Aspekte von Fertilitätsstörungen und sexueller Dysfunktion

Genetische Aspekte von idiopathischen Fertilitätsstörungen und sexuellen Dysfunktionen werden zuerst diagnostiziert durch (a) Analyse des Chromosomenbildes in den Leukozyten des Patienten, (b) durch Analyse von AZF-Gendeletionen auf dem Y-Chromosom, (c) durch Analyse der Sequenz des CFTR-Gens bei Vorliegen einer CBAVD und (d) durch Analyse der Gene des Kallmann-Syndroms bei Hypoplasie des Bulbus olfactorius. Damit wird aber in der Regel nur in 30 % der Fälle die Ursache für die männliche Infertilität des Patienten erfasst. Die Diagnostik genetischer Varianten mit potenzieller Assoziation an diese Pathologien erscheint nur sinnvoll, wenn eine genomweite Familien-Studie möglich ist oder der klinische Phänotyp einer bereits bekannten homogenen Patienten-Gruppe zugeordnet werden kann.

Indikationen

Genetisch bedingte Fertilitätsstörungen und sexuelle Dysfunktionen sind offensichtlich, wenn im Rahmen der klinischen Abklärung des Patienten im Chromosomenbild des Mannes Abweichungen vom Normalbild 46,XY, bei der humangenetischen Diagnostik festgestellt werden. Chromosomen-Anomalien sind bei infertilen Männern etwa 10- bis 15-fach häufiger als in der Allgemeinbevölkerung zu finden (Harton und Tempest 2012). Dabei finden sich bei signifikantem Rückgang der Spermienzahl im Ejakulat (Oligozoospermie) bis hin zu ihrer Abwesenheit (Azoospermie) vor allem balancierte und unbalancierte Translokationen auf den Autosomen, sowie Aneuploidien der Geschlechtschromosomen. Sehr häufig ist das Chromosomenbild 47,XXY, welches mit dem Auftreten des Klinefelter-Syndroms assoziiert ist. Es beschreibt eine phänotypisch heterogen erscheinende Gruppe infertiler Männer mit hohen FSH- und LH-Werten und verkleinerten Hoden mit verminderter Spermienproduktion (hypergonadotroper Hypogonadismus), auch oft, aber nicht immer mit Hochwuchs und Gynäkomastie.
Allerdings werden die meisten genetischen Ursachen für das Auftreten von männlichen Fertilitätsstörungen durch eine Chromosomen-Analyse nicht sichtbar. Dafür ist das Auflösungsvermögen des Mikroskops einfach zu gering. Molekulargenetische Untersuchungen sollten somit bei allen idiopathischen Fällen mit normalem Chromosomensatz 46,XY die Analyse des Chromosomenbildes ergänzen.
Bei Männern mit nichtobstruktiver Azoospermie oder schwerer Oligozoospermie (<5 Mio. Spermien pro ml Ejakulat) steht – wegen ihrer hohen Frequenz (10–20 % bei infertilen Männern mit Azoospermie) – die Diagnostik kleiner Deletionen, sog. Mikrodeletionen auf dem langen Arm des Y-Chromosoms im Vordergrund. Solche Mikrodeletionen löschen die Funktion der Y-Gene im Azoo-Spermiefaktor-Lokus (Vogt 2005).
Bei Männern mit idiopathisch obstruktiver Azoospermie sind es häufig Mutationen des CFTR-Gens auf dem langen Arm von Chromosom 7 (<82 %; Yu et al. 2012). Sie verursachen meist beidseitig eine komplette Aplasie des Vas deferens (CBAVD, kongenitale bilaterale Aplasie der Vasa deferentia).
Bei Männern mit hypogonadotropem Hypogonadismus liegt häufig das Kallmann-Syndrom (KS) vor (Dodé und Hardelin 2009). Es ist Folge eines Mangels des Gonadotropin-releasing-Hormons (GnRH), in Kombination mit Anosmie oder Hyposmie (mit Hypoplasie oder Aplasie des Bulbus olfactorius). Die Prävalenz bei Männern wird auf 1:8.000 geschätzt. Bisher wurden 5 ursächlich beteiligte Gene identifiziert: KAL1 (Xp22.3) ist verantwortlich für die X-chromosomale Form, und die Gene FGFR1 (8p12), FGF8 (10q24), PROKR2 (Prokineticin-Rezeptor 2, 20p13) und PROK2 (Prokineticin 2, 3p21.1) für die autosomalen Formen. Die meisten Fälle werden zur Zeit der Pubertät erkannt, wenn die weitere Geschlechtsentwicklung ausbleibt.
Merke
Genetische Untersuchungen bei männlichen Fertilitätsstörungen oder sexueller Dsyfunktion empfehlen sich also immer dann, wenn bei der klinischen Diagnostik in der Urologie kein deutlicher Hinweis für die primäre Ursache dieser meist gonaden- und/oder keimzellspezifischen Pathologien gefunden werden kann.
Haben bei Oligozoospermie die wenigen Spermien zusätzlich Bewegungsstörungen und eine veränderte Morphologie. so liegt ein Oligo-Astheno-Teratozoospermie(OAT)-Syndrom vor. Bei Kinderwunsch des OAT-Patienten sollten dann zusätzlich die Spermien auf potentielle Chromosomen-Aneuploidien untersucht werden.

Diagnostik

Fertilitätsstörungen aufgrund chromosomaler Anomalien

Klinefelter-Syndrom

Die Diagnose Klinefelter-Syndrom mit 47,XXY-Chromosomenbild wird bei Männern oft erst sehr spät – wenn überhaupt – gestellt. Vergleicht man die durch viele Untersuchungen belegte Häufigkeit von 1:500 in der männlichen Gesamtbevölkerung mit der Häufigkeit des Auftretens dieser Diagnose in der urologischen Praxis, kann man davon ausgehen, dass etwa 80 % der Männer mit diesem Chromosomensatz unerkannt bleiben. Das Syndrom wird häufig erst dann entdeckt, wenn der Kinderwunsch eines Mannes mit Klinefelter-Syndrom unerfüllt bleibt. Primäre Ursache ist vermutlich eine Störung der Paarung der 3 Geschlechtschromosomen (2x X, 1xY) zur Inaktivierung des X-Chromosoms bei der Meiose (Abb. 1). In etwa 20 % der Fälle liegen bei dieser Patientengruppe kein einheitliches 47,XXY Chromosomenbild vor, sondern Mosaikbilder mit einer 46,XY, 48,XXXY oder 47,XXYY Zell-Linie, was dann auch die Bildung reifer Spermien nach der Meiose begünstigt. Heute lässt sich in vielen Fällen bei Klinefelter-Patienten der Kinderwunsch durch eine Hodenbiopsie mit Hilfe des TESE-Verfahrens (testikuläre Spermienextraktion) und den modernen Methoden der Reproduktionsmedizin realisieren (Plotton et al. 2014).
In seltenen Fällen wird bei dieser Patientengruppe auch ein eigentlich weiblicher Chromosomensatz 46,XX gefunden. Ein im Mikroskop unsichtbares kleines Stück des Y-Chromosoms, das ein funktionelles SRY-Gen mitgebracht hat, ist hier angeklebt an ein X-Chromosom. Die SRY-Expression sorgt während der frühen Embryogenese dafür, dass nachfolgend ein männlicher Phänotyp mit männlicher Gonadenentwicklung entsteht, allerdings ohne Keimzellen. Diese Männer sind somit steril und ihr Kinderwunsch kann auch nicht über das TESE-Verfahren erfüllt werden. Im Gegensatz zum Klinefelter-Syndrom ist dieses Syndrom mit einer Prävalenz von 1:20.000 aber deutlich seltener bei Männern mit Fertilitätsstörungen zu finden.

Fertilitätsstörungen aufgrund molekulargenetischer Defekte

AZFa,b,c-Mikrodeletionen und idiopathische Azoospermie

Drei Mikrodeletionen auf dem langen Arm des Y-Chromosoms sind mit dem Auftreten von 3 unterschiedlichen Keimzellpathologien bei Männern mit idiopathischer Azoospermie assoziiert. Sie werden deshalb heute auch als die 3 Azoospermie-Faktoren AZFa, AZFb, und AZFc bezeichnet:
  • Eine AZFa-Deletion bewirkt in der Regel einen kompletten Verlust aller Keimzellen, das Sertoli-cell-only(SCO)- Syndrom.
  • Bei einer AZFb-Deletion sind alle Spermatogonien-Typen bis zur Meiose vorhanden, die postmeiotische Spermiogenese ist also arretiert (Meiose Arrest, MA).
  • Eine AZFc-Deletion bewirkt bei dem Patienten primär einen deutlichen Verlust reifer Spermien unter 5 Mio./ml Ejakulat (Hypospermatogenese), wird aber je nach Alter des Patienten oft auch mit einer Azoospermie diagnostiziert (Vogt und Bender 2013).
Nachdem die Sequenz des Y-Chromosoms heute vollständig bekannt ist, lässt sich feststellen, dass jede AZF-Mikrodeletion mehrere Gene enthält, deren kodierte Proteine alle im Hodengewebe exprimiert werden. Für die klinische Diagnostik wurde deshalb ein einfaches PCR-Multiplex-System entwickelt, welches die potenzielle Deletion jedes dieser sog. AZF-Kandidatengene getrennt diagnostiziert (Vogt und Bender 2013). Es basiert auf den Richtlinien der Europäischen Akademie für Andrologie (EAA), die auf die Wichtigkeit einer qualitativ möglichst klinisch aussagekräftigen AZF-Diagnostik hinweist. Dazu gehört auf jeden Fall die Diagnostik der AZF-Bruchpunktbereiche.
Wichtig
AZFc-Deletionen sind heute bekannt als die einerseits molekulargenetisch häufigste Ursache männlicher Infertilität, andererseits aber auch als eine Y-Region mit polymorphen Strukturveränderungen, die sich bei fertilen wie infertilen Männern finden und damit die klinische Kausaldiagnostik erschwern.
Trotzdem hat sich in der Urologie die AZFc-Deletionsdiagnostik als ein wichtiges Diagnosemittel für das Vorliegen von reifen Spermien im Hodengewebe von Männern mit idiopathischer Azoospermie etabliert. Während das Vorliegen einer kompletten AZFa- oder AZFb-Deletion in der Regel keine reifen Spermien im Hodengewebe erwarten lässt, hat man bei Vorliegen einer Azoospermie und einer AZFc-Deletion in etwa 50 % der Fälle sehr gute Aussichten noch Spermien mit Hilfe des TESE-Verfahrens aus einer Hodenbiopsie zu gewinnen. Allerdings werden nach erfolgreichem ICSI-Verfahren (intrazytoplasmatische Spermieninjektion) und Implantation des Embryos alle Söhne des betroffenen Patienten diese AZFc-Deletion ebenfalls besitzen und damit infertil sein. Eine genetische Beratung des Paares vor Beginn des TESE-Verfahrens ist somit zu empfehlen.

CFTR-Mutationen und CBAVD

Genmutationen in beiden Allelen des CFTR-Gens führen zu einer obstruktiver Azoospermie aufgrund einer kongenitalen bilateralen Aplasie der Vasa deferentia (CBAVD) des Patienten. Da in den Hodentubuli die Spermatogenese bei diesen Patienten normalerweise intakt ist, kann eine ausreichende Zahl von Spermien über das TESE-Verfahren oder auch mikrochirurgisch direkt aus dem Nebenhoden aspiriert werden (MESA-Verfahren, mikrochirurgische epididymale Spermatozoenaspiration).
Die CBAVD gilt als Minimalmanifestation der Mukoviszidose (zystische Fibrose, CF), die mit einer Inzidenz von 1:2.500 und variabler Schwere der damit verbundenen somatischen Pathologien (Pankreasinsuffizienz bis chronische Bronchitis) sehr häufig in den mitteleuropäischen Populationen vorkommt. Eine gleiche Mutation in jeder Genkopie oder verschiedene Mutationen in jeder Genkopie können eine CBAVD mit oder ohne CF verursachen. Mehr als 2.000 verschiedene Mutationen für das CFTR-Gen wurden bisher in der Literatur analysiert (http://www.genet.sickkids.on.ca./cftr/). Eine Übersicht der häufigsten CFTR-Mutationen in Deutschland bei Patienten mit CBAVD und CF wurde von der GFH (Gesellschaft für Humangenetik) in ihren Diagnostik-Richtlinien publiziert (http:///www.bvdh.de/). Zwei Mutationen (R117H-Mutation in Exon 4 und das 5T-Allel in Intron 8) werden mit hoher Frequenz nur bei CBAVD-Patienten (d. h. ohne CF-Symptomatik) gefunden. Bevor eine CFTR-Gendiagnostik bei einem Patienten mit obstruktiver Azoospermie durchgeführt wird, sollte der Urologe aber eine Aplasie der Vasa deferentia eindeutig diagnostiziert haben.
Wichtig
Das Vererbungsrisiko für CF kann bei Männern mit CBAVD für das zukünftige Kind zwischen 0,2 % und 50 % liegen. Wird also bei dieser Pathologie beim Mann eine CFTR-Mutation nachgewiesen, sollte dem Paar vor TESE eine genetische Beratung angeboten werden, bzw. der Partnerin eine molekulargenetische CFTR-Diagnostik, am besten direkt durch komplette Sequenzierung des CFTR-Gens.

Genetische Varianten verursachen männliche Infertilität?

Man kann heute davon ausgehen, dass die koordiniert kontrollierte Expression von etwa 2.000–3.000 Genen in den Hodentubuli die Spermatogenese des Mannes kausal beeinflussen. Es ist deshalb verständlich, dass monogenetisch fokussierte Diagnostikverfahren, wie hier beschrieben nur etwa 30 % aller Fälle mit idiopathisch männlicher Infertilität bisher aufgeklärt haben. Nachdem nun die Sequenz des Humangenoms komplett bekannt ist, werden deshalb zunehmend auch genomweite Mutationsanalysen bei Patienten mit männlicher Infertilität durchgeführt zur Identifizierung von Sequenzvarianten, die kausal das Auftreten dieser Pathologie erklären können (Kovac et al. 2013, Aston und Conrad 2013)). Da in der Regel aber genomweite Familien-Studien hier wenig praktikabel sind, erscheint es als größte Schwierigkeit, Patientengruppen mit einem möglichst homogenen klinischen Phänotyp zu finden. Geht man davon aus, dass die Expression genetischer Faktoren sich auch immer in Vernetzung mit verschiedenen Umweltfaktoren (wie z. B. Alkohol- oder Nikotinabusus oder Stressfaktoren) befindet und somit konsequenterweise variabel ist, erscheint es schwierig, in der Klinik Patientengruppen mit einem homogenen Phänotyp zu klassifizieren. Auch dürfen wir davon ausgehen, dass genetisch bedingte männliche Infertilität einem starken negativen Selektionsdruck unterliegt, der nur z. T. durch die Anwendung moderner Reproduktionsmedizin umgangen wird. Durch viele Neumutationen in jeder weiteren Generation wird sich das Gesamtbild der genetischen Mutationen, die männliche Infertilität verursachen, somit auch weiterhin immer heterogen darstellen.

Zusammenfassung

  • Genetische Diagnostik bei signifikantem Rückgang der Spermienzahl im Ejakulat bis hin zur Azoospermie und idiopathischer Ätiologie, vor allem mit Darstellung der Chromosomen aus den Patientenleukozyten.
  • Bei nichtobstruktiver Azoospermie und schwerer Oligozoospermie (Spermienzahl: <5 Mio./ml im Ejakulat) ist molekulargenetische Diagnostik auf AZF-Mikrodeletionen des Y-Chromosoms zu empfehlen.
  • Bei kongenitaler beidseitiger Aplasie der Vasa deferentia (CBAVD) wird molekulargenetische Diagnostik des CFTR-Gens (Sequenzanalyse) durchgeführt.
  • Bei hypogonadotropem Hypogonadismus und Hypoplasie oder Aplasie des Bulbus olfactorius sollte die molekulargenetische Diagnostik der Gene des Kallmann-Syndroms (KS) in den Vordergrund rücken.
Literatur
Aston KI, Conrad DF (2013) A review of genome-wide approaches to study the genetic basis for spermatogenic defects. Methods Mol Biol 927:397–410CrossRefPubMed
Dodé C, Hardelin JP (2009) Kallmann syndrome. Eur J Hum Genet 17:139–146PubMedCentralCrossRefPubMed
Harton GL, Tempest HG (2012) Chromosomal disorders and male infertility. Asian J Androl 14:32–39PubMedCentralCrossRefPubMed
Kovac JR, Pastuszak AW, Lamb DJ (2013) The use of genomics, proteomics, and metabolomics in identifying biomarkers of male infertility. Fertil Steril 99:998–1007PubMedCentralCrossRefPubMed
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Vogt PH (2005) The Azoospermia factor (AZF) in Yq11: towards a molecular understanding of its function for human male fertility and spermatogenesis. Reprod Biomed Online 10:81–93CrossRefPubMed
Vogt PH, Bender U (2013) Human Y chromosome microdeletion analysis by PCR multiplex protocols identifying only clinically relevant AZF microdeletions. Methods Mol Biol 927:187–204CrossRefPubMed
Yu J, Chen Z, Ni Y, Li Z (2012) CFTR mutations in men with congenital bilateral absence of the vas deferens (CBAVD): a systemic review and meta-analysis. Hum Reprod 27:25–35CrossRefPubMed