Pädiatrie
Autoren
Thorsten Marquardt

Angeborene Glykosylierungsstörungen

Während Abbaudefekte von proteinverknüpften Zuckerstrukturen als lysosomale Speichererkrankungen schon Jahrzehnte bekannt sind, wurden angeborene Defekte der Biosynthese solcher Strukturen erst in den letzten Jahren als eigene Krankheitsgruppe erkannt. Seit der Publikation des ersten molekularen Defekts im Jahre 1995 ist das Wissen um diese Krankheiten rasch expandiert. Zur Zeit sind mehr als 100 verschiedene Erkrankungen bekannt und jedes Jahr kommen weitere dazu. Auch für Experten ist es schwierig, angesichts der Vielzahl der Erkrankungen die Übersicht zu behalten.
Definition
Während Abbaudefekte von proteinverknüpften Zuckerstrukturen als lysosomale Speichererkrankungen schon Jahrzehnte bekannt sind, wurden angeborene Defekte der Biosynthese solcher Strukturen erst in den letzten Jahren als eigene Krankheitsgruppe erkannt. Seit der Publikation des ersten molekularen Defekts im Jahre 1995 ist das Wissen um diese Krankheiten rasch expandiert (Van Schaftingen und Jaeken 1995). Zur Zeit sind mehr als 100 verschiedene Erkrankungen bekannt und jedes Jahr kommen weitere dazu (Jaeken und Péanne 2017). Auch für Experten ist es schwierig, angesichts der Vielzahl der Erkrankungen die Übersicht zu behalten.
Im englischsprachigen Schrifttum werden angeborene Glykosylierungsstörungen als „congenital disorders of glycosylation“ (CDG) benannt, eine Bezeichnung, die die früher übliche Bezeichnung „carbohydrate-deficient glycoprotein syndrome“ (CDGS) abgelöst hat. Bei den Erkrankungen ist die N- und/oder O-Glykosylierung von Proteinen oder die Glykosylierung von Lipiden defekt.
Ätiologie und Pathogenese
Fast alle Proteine im Plasma und etwa die Hälfte der intrazellulären Proteine sind glykosyliert, d. h. sie tragen Zuckerseitenketten. Eine essenzielle Funktion dieser Ketten besteht in einer Löslichkeitserhöhung hydrophober Proteinabschnitte während der Biosynthese und Faltung des Proteins. Fehlen die Seitenketten, aggregieren viele Proteine irreversibel am Ort ihrer Entstehung und erreichen ihren Bestimmungsort nicht. Darüber hinaus sind die Zuckerseitenketten für die Funktion vieler Proteine essenziell. Aus dem Gesagten ergibt sich, dass Störungen in der Biosynthese dieser Glykanstrukturen einen Mangel oder Fehlfunktionen sehr vieler Glykoproteine zur Folge haben, was dazu führt, dass CDG-Erkrankungen meist schwerwiegende Multiorganerkankungen sind.
Die Erkrankungen wurden historisch in 2 Gruppen, CDG-I und CDG-II, eingeteilt. Diese Nomenklatur richtet sich nach der intrazellulären Lokalisation des biochemischen Defekts und hat mit dem Schweregrad der Erkrankung nichts zu tun.
Glykosylierung ist extrem komplex, dieses Kapitel fokussiert sich auf die häufigsten Erkrankungen, die alle die N-Glykosylierung betreffen. Die Biosynthese des N-Glykans erfolgt schrittweise an Dolichol in der Wand des rauen endoplasmatischen Retikulums (RER) bis ein aus 14 Monosacchariden bestehendes Oligosaccharid aufgebaut ist (Abb. 1). Dieses Oligosaccharid wird dann während der Biosynthese des Proteins durch die Oligosaccharyltransferase auf das Protein übertragen und danach im RER und im Golgi-Apparat umfangreich modifiziert. Alle Biosynthesedefekte der dolicholverknüpften Zuckerkette bis einschließlich der Übertragung auf das Protein werden als CDG-I bezeichnet, alle anderen als CDG-II. Ein kleiner Buchstabe bezeichnet sequenziell den Zeitpunkt der Entdeckung, also z. B. CDG-Ib als die Erkrankung, die als zweites im Bereich der CDG-I-Erkrankungen entdeckt wurde. Nachdem klar wurde, dass für diese Nomenklatur die Anzahl der Buchstaben nicht ausreichen würde und zudem Mischformen zwischen CDG-I- und -II-Erkrankung entdeckt wurden, ist man neuerdings dazu übergegangen, den Gennamen des defekten Proteins der CDG-Bezeichnung voranzustellen, also PMM2-CDG statt CDG-Ia. Eine Übersicht über die wichtigsten Erkrankungen und ihre Nomenklatur gibt Tab. 1.
Tab. 1
Übersicht über die derzeit bekannten CDG-Erkrankungen. Die intrazelluläre Lokalisation der einzelnen Defekte ist aus Abb. 1 ersichtlich
Name
Defektes Enzym
Betroffenes Gen
CDG-I-Erkrankungen
 
Ia
Phosphomannomutase 2
PMM2
Ib
Phosphomannose-Isomerase
MPI
Ic
Dol-P-Glc:Man9GlcNAc2-PP-Dol-Glukosyl-Transferase
ALG6
Id
Dol-P-Man:Man5GlcNAc2-PP-Dol-Mannosyl-Transferase
ALG3
Ie
Dol-P-Man-Synthase 1
DPM1
If
Mannose-P-dolichol utilization defect 1 protein
MPDU1
Ig
Dol-P-Man:Man7GlcNAc2-PP-Dol-Mannosyl-Transferase
ALG12
Ih
Dol-P-Glc:Glc1Man9GlcNAc2-PP-Dol-Glucosyl-Transferase
ALG8
Ii
GDP-Man:Man1GlcNAc2-PP-Dol-Mannosyl-Transferase
ALG2
Ij
UDP-GlcNAc:Dol-P N-Acetyl-Glukosamin-Phosphotransferase
DPAGT1
Ik
GDP-Man:GlcNAc2-PP-Dol-Mannosyl-Transferase
ALG1
Il
Dol-P-Man:Man6GlcNAc2-PP-Dol-Mannosyl-Transferase
ALG9
Im
Dolicholkinase
DK1
In
Man5GlcNAc2-PP-Dol-Flippase
RFT1
Io
Dol-P-Man-Synthase 3
DPM3
Ip
GDP-Man: Man3GlcNAc2-PP-Dol-Mannosyl-Transferase
ALG11
Iq
Polyprenolreduktase
SRD5A3
Oligosaccharyltransferase-Untereinheit
TUSC3
Oligosaccharyltransferase-Untereinheit
MGAT1
CDG-II-Erkrankungen
IIa
N-Acetyl-Glukosamin-Transferase 2
MGAT2
IIb
Glukosidase 1
GCS1
IIc
GDP-Fukose-Transporter 1
SLC35C1
IId
β1,4-Galaktosyl-Transferase 1
B4GALT1
IIe
Conserved oligomeric Golgi complex 7
COG7
IIf
CMP-Sialinsäure-Transporter
SLC35A1
IIg
Conserved oligomeric Golgi complex 1
COG1
IIh
Conserved oligomeric Golgi complex 8
COG8
IIi
Conserved oligomeric Golgi complex 5
COG5
IIj
Conserved oligomeric Golgi complex 4
COG4
V0-Untereinheit A2 der H+-ATPase
ATP6V0A2
CDG-I/II-Erkrankungen
Phosphoglukomutase 1
PGM1
Diagnose
Zur Diagnostik dieser Erkrankungen bei klinischem Verdacht erfolgt eine isoelektrische Fokussierung (IEF) des Transferrins aus einer Serumprobe oder Trockenblutkarte. Alternativ kann das Transferrin per HPLC oder einer ähnlichen Methode untersucht werden.
Transferrin trägt 2 N-Glykane. Jedes dieser N-Glykane hat terminal 2 negativ geladene Sialinsäuren, während alle anderen Monosaccharide des Glykans ungeladen sind. Fehlt nun dieses Glykan komplett oder kommt es zu einer Störung in der Biosynthese mit nachfolgender Verkürzung, gehen die terminalen Sialinsäuren verloren und es kommt zu einer Ladungsveränderung des Gesamtmoleküls mit einem daraus resultierenden veränderten Wanderungsverhalten in der IEF. Da die Oligosaccharyltransferase eine hohe Substratspezifität für das komplette aufgebaute Glykan hat und verkürzte Ketten nicht überträgt, fehlt bei allen CDG-I-Krankheiten eine komplette Seitenkette, sodass aus Tetrasialotransferrin Di- und Asialotransferrin entsteht (Abb. 2). Aus diesem Grund ist das IEF-Muster bei allen CDG-I-Erkrankungen weitgehend identisch und aus der IEF kann kein Rückschluss auf den zugrunde liegenden molekularen Defekt erfolgen. Ein komplettes Fehlen der Zuckerseitenketten ist mit dem Leben nicht vereinbar, bei den meisten CDG-I-Erkrankungen findet man noch etwa die Hälfte des Transferrins normal glykosyliert. Eine enzymatische und genetische Untersuchung ist bei jedem auffälligen CDG-Test erforderlich.
Störungen der O-Glykosylierung werden durch den CDG-Test nicht erfasst. Ein normaler CDG-Test schließt also eine CDG-Erkrankung nicht komplett aus. O-Glykosylierungsstörungen können nur in wenigen Speziallaboratorien erfasst werden und es gibt keinen vergleichbar umfassenden Suchtest.

PMM2-CDG (CDG-Ia)

Die bei Weitem häufigste CDG-Erkrankung ist das PMM2-CDG-Erkrankung mit weltweit über 1000 bekannten Patienten. In der Säuglingszeit ist die Erkrankung einfach per Blickdiagnose zu erkennen. Die charakteristische Symptomtrias ist:
  • Strabismus internus,
  • invertierte Mamillen,
  • supragluteale Fettpolster (Abb. 3).
Der Strabismus ist praktisch obligat und besteht lebenslang. Die invertierten Mamillen verlieren sich im Kleinkindalter, das gleiche gilt für die lateral ausladenden supraglutealen Fettpolster, die man am besten sieht, wenn das Kind auf dem Bauch liegt. Die Kinder sind statomotorisch retardiert, sitzen erst mit etwa 3 Jahren, lernen in der Regel nicht zu laufen, sprechen verwaschen, aber lernen zu lesen und manchmal auch zu schreiben. Im Kleinkindalter sind die Muskeleigenreflexe an den unteren Extremitäten erloschen und die motorische Nervenleitgeschwindigkeit ist deutlich reduziert. Die zerebrale Bildgebung zeigt in den meisten Fällen eine Kleinhirnhypoplasie.
Die Erkrankung beruht auf einem autosomal-rezessiven Defekt der Phosphomannomutase 2, einem zytosolischen Enzym, das Mannose-6-Phosphat in Mannose-1-Phosphat umwandelt. Die Enzymaktivität kann aus Leukozyten bestimmt werden. Bei den meisten Mutationen gibt es eine Restaktivität des Enzyms im Bereich von wenigen Prozent, die bei Temperaturerhöhungen weiter abnimmt. Da eine Nullaktivität schon nach den ersten Zellteilungen der Zygote zum Zelltod führt, ist es essenziell, Fieber bei Kindern mit CDG-Ia-Erkrankungen nicht zu tolerieren, sondern aggressiv zu senken. Die bekannten Komplikationen wie Krampfanfälle, Stroke-like episodes, Perikarderguss, Aszites, Thrombozytopenie treten häufig in Fieberphasen auf. Bei schwer betroffenen Kindern ist das Auftreten einer hypertrophen Kardiomyopathie nicht ungewöhnlich. In den ersten 2 Lebensjahren verstirbt mindestens jedes 5. Kind an der Erkrankung, danach sind Todesfälle deutlich seltener. Die Halbseitenlähmung bei Stroke-like episodes ist komplett reversibel und führt nicht zu einem neurologischen Residualschaden. Laborchemisch fallen mild erhöhte Transaminasen und ein deutlich erniedrigtes Antithrombin III (AT III) bei normalem Quick-Wert und normaler PTT auf. Therapeutische Maßnahmen befinden sich in der klinischen Prüfung und umfassen die langfristige diätetische Supplementierung der Nahrung mit Mannose oder die intravenöse Verabreichung von Mannose-1-Phosphat über Liposomen.

MPI-CDG (CDG-Ib)

Die MPI-CDG Erkrankung unterscheidet sich klinisch stark von den anderen bekannten CDG-Formen. Motorische und geistige Entwicklung sind normal. Es handelt sich um ein primär gastroenterologisches Krankheitsbild mit chronischer Diarrhö bei Eiweißverlustenteropathie und durch einen Hyperinsulinismus bedingte Hypoglykämien als Kardinalsymptome (Niehues et al. 1998). Manche Patienten haben ein zyklisches Erbrechen, eine Leberfibrose ist häufig. Durch die Fehlglykosylierung von Gerinnungsfaktoren kann es zu lebensbedrohlichen Thrombosen oder Blutungen kommen. Es sind weitgehend asymptomatische Patienten bekannt, bei denen nach einer Thrombose ein ATIII-Mangel entdeckt wurde (der auf eine Fehlglykosylierung des Proteins zurückzuführen ist).
Die Erkrankung beruht auf einem Defekt der Phosphomannose-Isomerase, einem zytosolischen Enzym, das Fruktose-6-Phosphat in Mannose-6-Phosphat umwandelt. Die Enzymaktivität kann aus Leukozyten bestimmt werden. Obwohl nur einen enzymatischen Schritt früher als die beim CDG-Ia betroffene Phosphomannomutase 2, unterscheiden sich CDG-Ia und -Ib fundamental. Die Erkrankung ist kausal durch die orale Zufuhr von D-Mannose therapierbar. Mehr als 25 Patienten sind bekannt.

ALG6-CDG (CDG-Ic)

Psychomotorische Retardierung, muskuläre Hypotonie und zerebrale Krampfanfälle sind die relativ unspezifischen Symptome des CDG-Ic. Es gibt keine charakteristischen physischen Stigmata, die Patienten lernen mit 3–4 Jahren zu laufen. Die Erkrankung beruht auf einem Defekt der ersten Glukosyltransferase. Eine spezifische Therapie ist nicht bekannt.

SLC35-CDG (CDG-IIc)

Die CDG-IIc-Erkrankung wurde erstmals 1992 von Etzioni und Mitarbeitern unter dem Namen Leukozytenadhäsionsdefekt Typ II (LAD II) beschrieben (Etzioni et al. 1992). Die Erkrankung beruht auf einem Defekt des Guanosin-5′-diphosphat(GDP)-Fucosetransporters im Golgi-Apparat (Lübke et al. 2001). GDP-Fucose steht damit nicht mehr ausreichend für Fucosylierungsreaktionen im Golgi-Apparat zur Verfügung. Es kommt zu einer massiven Reduzierung fucosylierter Selektinliganden auf der Oberfläche neutrophiler Granulozyten mit der Folge, dass die Leukozytenzahlen im Blut dieser Patienten permanent erhöht sind und die Leukozyten im Gewebe zur Infektionsabwehr fehlen. Die Patienten haben keine AB0-Blutgruppe, da die H-Substanz als Fucose-enthaltendes Glykan nicht aufgebaut wird (Bombay-Phänotyp). Aufgrund des hohen Fucosylierungsgrades zerebraler Glykoproteine kommt es zu einer schweren mentalen Retardierung. Die Patienten lernen nicht zu sprechen und sind kleinwüchsig. Eine FACS-Analyse („fluorescence-activated cell sorting“) der Leukozyten mit einem Antikörper gegen Sialyl-Lewis X oder durch Bindungsanalyse mit Selektinkonstrukten sichert die Diagnose. Unter Ausnutzung eines alternativen Fucosetransporters kann die Erkrankung kausal mit der oralen Substitution von L-Fucose therapiert werden (Marquardt et al. 1999). Der Leukozytenadhäsionsdefekt wird damit behoben, die mentale Retardierung persistiert allerdings. Neuerdings wurde ein Defekt der Core-Fucosylierung (FUT8-CDG) beschrieben (Ng et al. 2018), der durch externe Fucosegabe möglicherweise positiv zu beeinflussen ist.

PGM1-CDG

Die Erkrankung ist auch unter dem Namen Glykogenose XIV bekannt (Tegtmeyer et al. 2014). Zur Zeit sind über 30 Patienten bekannt. Die Patienten sind kleinwüchsig, haben eine gespaltene Uvula, eine milde Hepatopathie und eine durch Belastung oder Anästhetika induzierte Rhabdomyolyse. Eine schwere dilatative Kardiomyopathie kann sich entwickeln.
Ausgelöst wird die Erkrankung durch eine fehlerhafte Phosphoglukomutase 1, ein zytosolisches Enyzm, das die Umwandlung von Glukose-1-Phosphat zu Glukose-6-Phosphat katalysiert. In der Folge sind Glykogenaufbau und -abbau sowie die Proteinglykosylierung gestört. Ein erhöhtes Angebot von Galaktose mit der Nahrung scheint sich positiv auf die Erkrankung auszuwirken.
Patienten mit anderen CDG-Erkrankungen sind rar, d. h. es gibt in der Regel nur wenige bekannte Patienten weltweit.
Weiterführende Literatur
Etzioni A, Frydman M, Pollack S, Avidor I, Phillips ML, Paulson JC, Gershoni-Baruch R (1992) Brief report: recurrent severe infections caused by a novel leukocyte adhesion deficiency. N Engl J Med 327(25):1789–1792
Jaeken J, Péanne R (2017) What is new in CDG? J Inherit Metab Dis 40(4):569–586. https://​doi.​org/​10.​1007/​s10545-017-0050-6
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Ng BG, Xu G, Chandy N, Steyermark J, Shinde DN, Radtke K, Raymond K, Lebrilla CB, AlAsmari A, Suchy SF, Powis Z, Faqeih EA, Berry SA, Kronn DF, Freeze HH (2018) Biallelic Mutations in FUT8 Cause a Congenital Disorder of Glycosylation with Defective Fucosylation. Am J Hum Genet 102(1):188–195. https://​doi.​org/​10.​1016/​j.​ajhg.​2017.​12.​009
Niehues R, Hasilik M, Alton G, Körner C, Schiebe-Sukumar M, Koch HG, Zimmer KP, Wu R, Harms E, Reiter K, von Figura K, Freeze HH, Harms HK, Marquardt T (1998) Carbohydrate-deficient glycoprotein syndrome type Ib. Phosphomannose isomerase deficiency and mannose therapy. J Clin Invest 101(7):1414–420
Tegtmeyer LC, Rust S, van Scherpenzeel M, Ng BG, Losfeld ME, Timal S, Raymond K, He P, Ichikawa M, Veltman J, Huijben K, Shin YS, Sharma V, Adamowicz M, Lammens M, Reunert J, Witten A, Schrapers E, Matthijs G, Jaeken J, Rymen D, Stojkovic T, Laforêt P, Petit F, Aumaître O, Czarnowska E, Piraud M, Podskarbi T, Stanley CA, Matalon R, Burda P, Seyyedi S, Debus V, Socha P, Sykut-Cegielska J, van Spronsen F, de Meirleir L, Vajro P, DeClue T, Ficicioglu C, Wada Y, Wevers RA, Vanderschaeghe D, Callewaert N, Fingerhut R, van Schaftingen E, Freeze HH, Morava E, Lefeber DJ, Marquardt T (2014) Multiple phenotypes in phosphoglucomutase 1 deficiency. N Engl J Med 370(6):533–542. https://​doi.​org/​10.​1056/​NEJMoa1206605
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