Genetik in der Reproduktionsmedizin

Bei infertilen Männern korreliert der Schweregrad einer Oligozoospermie mit der Prävalenz von Chromosomenstörungen. So findet sich bei Männern mit einer Azoospermie in bis zu 15 % der Fälle eine Chromosomenstörung (Soini et al. 2006). Das Klinefelter-Syndrom hat mit einer Inzidenz von ca. 1/1000 bis 1/600 unter männlichen Neugeborenen dabei den größten Anteil.

Während präpubertäre Jungen mit Klinefelter-Syndrom i. d. R. normale Serumspiegel von Testosteron, FSH und LH aufweisen, kommt es während der Pubertät nach einem anfänglichen Anstieg des Testosterons zu einem Plateau im niedrig-normalen Bereich. Diese Testorsteronspiegel reichen i. d. R. für eine normale Pubertätsentwicklung und Ausbildung sekundärer Geschlechtsmerkmale aus. Im weiteren Verlauf zeigt sich typischerweise ein Anstieg von FSH und LH im Sinne eines hypergonadotropen Hypogonadismus. Bei Männern mit Klinefelter-Syndrom findet sich in den meisten Fällen eine Azoospermie aufgrund eines Spermatogenesedefektes (Wikstrom und Dunkel 2011).

Das zusätzliche X-Chromosom stammt in mehr als 50 % der Fälle aus einer „non-disjunction“ in der väterlichen Meiose und in ca. 40 % von der Mutter. Die verbleibenden Fälle sind durch einen postzygotischen Teilungsfehler bedingt und können daher ein Mosaik mit einer chromosomal normalen Zelllinie (47,XXY/46,XY) aufweisen (Hassold et al. 2007). Bei Männern mit einem Mosaik finden sich gelegentlich auch Spermien im Ejakulat.

Das Turner-Syndrom ist die häufigste chromosomale Ursache für eine Infertilität bei Frauen. Ungefähr 30 % Fälle von primärer Amenorrhö sind auf ein Turner-Syndrom zurückzuführen (Foresta et al. 2002). Bei ungefähr der Hälfte aller Frauen mit der klinischen Diagnose eines Turner-Syndroms findet sich als Ursache eine Monosomie X. Die verbleibenden Fälle sind meist auf chromosomale Mosaike und strukturelle Aberrationen des X-Chromosoms zurückzuführen (Jacobs et al. 1997; Tab. 1).

Frauen mit einer durchgängigen Monosomie X sind in aller Regel infertil aufgrund einer primären Amenorrhö. Die Ovarien sind bei den Patientinnen initial zwar angelegt, degenerieren durch Apoptose allerdings bereits während der Fetalentwicklung (Modi et al. 2003). Bei Turner-Frauen mit einem chromosomalen Mosaik kann dagegen je nach Verteilung der Zellen auch eine (eingeschränkte) Fertilität vorliegen. Bei normalen Frauen ist üblicherweise eines der beiden X-Chromosomen zufällig in allen Körperzellen inaktiviert. Dies soll eine Dosiskompensation zwischen Frauen und Männern bewirken, da das X-Chromosom sehr viel mehr Gene als das Y-Chromosom enthält. Allerdings werden ca. 15–25 % aller Gene auch auf dem inaktiven X-Chromosom weiter exprimiert. Diese sog. pseudoautosomalen Gene haben meist homologe Gene auf dem Y-Chromosom und befinden sich überwiegend im terminalen Bereich des kurzen Arms vom X-Chromosom.

Eine Haploinsuffizienz dieser Gene ist die Hauptursache für das klinische Erscheinungsbild beim Turner-Syndrom. So wird der Kleinwuchs z. B. durch Haploinsuffizienz des SHOX-Gens („short stature homeobox“) verursacht, welches in der Embryogenese bei der Regulation der Skelettentwicklung eine wichtige Rolle spielt (Davenport 2010).

Chromosomale Translokationen können insbesondere die Fertilität im männlichen Geschlecht beeinträchtigen. So finden sich sowohl Robertson-Translokationen als auch reziproke Translokationen bis zu 10-fach häufiger unter infertilen Männern als in der Normalbevölkerung (Walsh et al. 2009). Unter einer Robertson-Translokation versteht man die Fusion zweier akrozentrischer Chromosomen (13, 14, 15, 21 und 22) unter Verlust des kurzen Arms. Die häufigsten Robertson-Translokationen betreffen die Chromosomen 13 und 14 (Abb. 1) sowie 14 und 21.

Insbesondere auch Translokationen, die die Geschlechtschromosomen betreffen, haben häufig eine Fertilitätsstörung zur Folge. So führen Translokationen zwischen dem langen Arms des Y-Chromosoms und einem Autosom regelhaft zu einer Infertilität bei den betroffenen Männern. Ausnahme hierzu sind Translokationen des Heterochromatins vom Y-Chromosom auf den kurzen Arm eines akrozentrischen Chromosoms (meist Chromosom 15), bei denen die Fertilität erhalten bleibt (Ferlin et al. 2006).

Frauen mit einer balancierten Translokation sind meist fertil.

Die Wahrscheinlichkeit, dass bei Paaren mit wiederholten Fehlgeburten zumindest einer der Partner eine balancierte Translokation trägt, wird dabei auf ca. 3,5 % geschätzt (Sierra und Stephenson 2006).

Auch chromosomale Inversionen, d. h. die Drehung von chromosomalem Material um 180°, können zu Problemen bei der Reproduktion führen (Shah et al. 2003). Es werden perizentrische Inversionen, bei denen die Bruchpunkte der Inversion zu beiden Seiten des Zentromers liegen, von parazentrischen Inversionen, bei denen sich die Bruchpunkte auf demselben Chromosomenarm befinden, unterschieden. Insbesondere perizentrische Inversionen können in der Meiose durch Crossing-over im Rahmen einer Schleifenbildung zu unbalancierten Gameten führen, bei denen dann Deletionen oder Duplikationen des betroffenen Chromosoms vorliegen. Dies kann je nach Größe der Inversion zu gehäuften Fehlgeburten oder auch behinderten Kindern führen. In seltenen Fällen können Inversionen insbesondere im männlichen Geschlecht zu einer primären Infertilität führen (Meschede et al. 1994).

Diese Imprints sind stabil in der Meiose und verändern sich im weiteren Leben nicht. Man geht davon aus, dass es 60 Gene beim Menschen gibt, die dem Imprinting unterliegen. Diese Gene finden sich häufig in Clustern und sind nicht gleichmäßig über das gesamte Genom verteilt. Solche Cluster finden sich beim Menschen auf den Chromosomen 7, 11, 14, und 14 und 15. Epigenetische Veränderungen werden durch eine biochemische Veränderung der DNA verursacht. Die wichtigste Modifikation der DNA wird durch eine Methylierung von 5-Cytosin an CpG-Dinukleotiden bewirkt.

Bereits in der Keimbahn findet eine spezifische Prägung des mütterlichen bzw. väterlichen Genoms statt. Die allelspezifische Expression ist von der Transmission durch die väterliche Keimbahn abhängig (Ideraabdullah et al. 2008; Reik et al. 2001). Während die primordialen Keimzellen während der Gametogenese demethyliert werden, findet im Anschluss ein epigenetischer Reprogrammierungsprozess statt. In tierexperimentellen Studien konnte gezeigt werden, dass durch Methoden der assistierten Reproduktion die Reprogrammierung der Methylierung in der Gametogenese und frühen Embryonalentwicklung gestört wird. So konnte bei Rindern und Schafen ein Large-offspring-Syndrom (LOS) beobachtet werden, das durch eine aberrante Methylierung und Expression des IGF2R-Gens verursacht wird (Young et al. 2001). Auch die Vielzahl von biologischen Problemen wie Wachstumsstörungen der Plazenta, fetaler Großwuchs und Fehlbildungen, die beim Klonieren auffallen, sind in hohem Maße auf eine fehlerhafte Reprogrammierung der Methylierung zurückzuführen. Auch Experimente an Mausembryonen konnten zeigen, dass durch reproduktionsmedizinische Maßnahmen ein aberrantes Methylierungsmuster entstehen kann (Doherty et al. 2000).

Weitere Studien weisen auf einen Zusammenhang zwischen männlicher Infertilität und dem Auftreten von Imprintingerkrankungen auf. In Spermien von subfertilen Männern zeigten sich dieselben aberranten Methylierungsmuster wie bei den durch reproduktionsmedizinische Maßnahmen geborenen Kindern mit einer Imprintingerkrankung (Kobayashi et al. 2009).

Weiterhin wird diskutiert, dass durch Stimulierung der Ovulation (Superovulation) ein gestörtes Imprinting sowohl in maternalen wie auch paternalen Allelen erfolgen kann (Market-Velker et al. 2010).

Epimutationen beruhen auf einer fehlerhaften DNA-Methylierung oder einem aberranten Histonmodifizierungsmuster. Man unterscheidet zwischen einer primären Epimutation, die ohne DNA-Mutation auftritt, und einer sekundären Epimutation als Folge eine DNA-Mutation. Fehler des Imprintings können sowohl durch primäre wie auch durch sekundäre Epimutationen entstehen. Man geht davon aus, dass Epimutationen auch durch Umweltfaktoren beeinflusst werden können. Hier besteht z. B. ein Zusammenhang zwischen einem niedrigen Folsäurespiegel in Kombination mit genetischen Risikofaktoren, der zu einer erniedrigten DNA-Methylierungsrate führt (Friso et al. 2002).

Epimutationen in Genen, die dem Imprinting unterliegen, sind für eine Reihe von Imprintingerkrankungen verantwortlich (Tab. 3). Epimutationen spielen darüber hinaus auch eine wesentliche Rolle bei der Entstehung von Krebs- und komplexen Erkrankungen. Fehlerhaftes Imprinting als Ursache für eine spezifische Imprintingerkrankung konnte zum ersten Mal bei Patienten mit Prader-Willi-Syndrom und Angelman-Syndrom gezeigt werden. Eine Übersicht ist Tab. 3 zu entnehmen.

Das Prader-Willi-Syndrom (PWS) ist gekennzeichnet durch

Beim Angelman-Syndrom (AS) handelt es sich um einen wesentlich schwereren Phänotyp, der gekennzeichnet ist durch

Interessanterweise konnte sowohl für das PWS wie auch das AS durch Untersuchung an Prometaphasechromosomen dieselbe de-novo-Deletion am Chromosom 15 (15q11-q13) nachgewiesen werden (Ledbetter et al. 1981; Magenis et al. 1987).

Die Frage, wie ein und dieselbe Deletion einen völlig unterschiedlichen Phänotyp aufweisen kann, wurde durch die Untersuchung der elterlichen Herkunft dieser Deletion geklärt. Während sich die Deletion beim PWS immer auf dem vom Vater geerbten Chromosom 15 befindet, liegt sie beim AS immer auf dem von der Mutter geerbten Chromosom – ein erster Hinweis, dass der Phänotyp davon abhängig sein kann, ob die Veränderung auf dem mütterlichen oder väterlichen Chromosom vorhanden ist. Die Identifizierung einer uniparentalen Disomie, also der Herkunft eines Chromosomenpaars von nur einem Elternteil, konnte dann beweisen, dass beide Krankheiten durch einen Funktionsverlust von mindestens einem maternal bzw. paternal geprägten Gen verursacht werden (Nicholls et al. 1989; Malcolm et al. 1991).

Die häufigste Ursache für eine maternale uniparentale Disomie ist eine Fehlverteilung der Chromosomen in der Meiose 1 oder 2. Durch eine Befruchtung einer disomen Eizelle entsteht eine Trisomie 15. Häufig tritt dann ein postzygoter Reparaturmechanismus („trisomy rescue“) auf, der dann, wenn das väterliche Chromosom 15 verloren geht, zu einer maternalen uniparentalen Disomie 15 führt. Beim AS scheint es so zu sein, dass eine nullisome Eizelle befruchtet wird. Der spontane Reparaturmechanismus („monosomy rescue“) besteht in einer Duplikation des väterlichen Chromosoms 15, also einer paternalen uniparentalen Disomie 15.

Eine weitere häufige Imprintingerkrankung ist das Beckwith-Wiedemann-Syndrom (BWS), das gekennzeichnet ist durch

Bei Patienten mit BWS finden sich häufig diagnostisch verwendbare Ohrkerben am Lobulus. Im Gegensatz zum PWS und AS ist die psychomotorische Entwicklung unauffällig. Bei einigen Patienten mit BWS besteht ein erhöhtes Risiko für embryonale Tumoren (meist Wilms-Tumoren oder Hepatoblastome).

Der geprägte chromosomale Bereich liegt auf dem Chromosom 11 (11p15). Man unterscheidet 2 Cluster:

Im IC1 liegt das fetale Wachstumsfaktorgen IGF2, das vom väterlichen Allel transkribiert wird, sowie das embryonal exprimierte H19-Gen, das vom maternalen Allel transkribiert wird. Im IC2 findet sich das maternal transkribierte Allel des KCNQ1-Ionenkanalgen, das paternal abgelesene KCNQ1-Transkript und das „maternal“ CDKN1C-Gen, das einen negativen Zellzyklusregulator darstellt. Molekulare Ursachen für das BWS sind epigenetische Defekte wie Hypo- und Hypermethylierung, eine paternale uniparentale Disomie, Mikrodeletionen oder -duplikationen oder Genmutationen.

Daher ist es nicht verwunderlich, dass die unterschiedlichen Imprintingerkrankungen eine Reihe von überlappenden klinischen Zeichen zeigen wie die in der Übersicht genannten.

Vor einiger Zeit wurde postuliert, dass reproduktionsmedizinische Maßnahmen wie IVF und ICSI ein fehlerhaftes Imprinting verursachen können. So wurde in diesem Zusammenhang 3 Patienten mit AS nach ICSI beschrieben (Cox et al. 2002; Orstavik et al. 2003).

Diese Beobachtung trifft auch auf eine andere Imprintingerkrankung, das Beckwith-Wiedemann-Syndrom zu (DeBaun et al. 2003; Gicquel et al. 2003; Maher et al. 2003; Halliday et al. 2004). Allerdings sind beim BWS Kinder betroffen, die sowohl durch IVF wie auch ICSI gezeugt wurden.

Interessanterweise wurde bisher nicht über einen möglichen Zusammenhang von reproduktionsmedizinischen Maßnahmen und Imprintingerkrankungen wie Silver-Russell-Syndrom, PWS, neonataler transienter Diabetes, Pseudohypoparathyreoidismus oder einer maternalen bzw. paternalen uniparentalen Disomie 14 berichtet. Dies mag zum einen daran liegen, dass diese Krankheitsbilder äußerst selten auftreten. Es könnte aber auch in der molekularen Krankheitsentstehung begründet sein. Nur bei AS und BWS findet sich eine Hypomethylierung des mütterlichen Allels, das normalerweise methyliert ist (El-Maarri et al. 2001; Ludwig et al. 2005).

Bisher weiß man allerdings nicht genau, zu welchem Zeitpunkt der Reprogrammierung der Methylierung Veränderungen des Imprintings auftreten können. Auch Kulturbedingungen des Embryos könnten eine Rolle spielen. Es finden sich auch Hinweise, dass ein Zusammenhang mit Subfertilität der Eltern bestehen könnte. Ludwig et al. (2005) konnten zeigen, dass die Prävalenz von Patienten mit AS und einem Imprintingfehler höher ist bei subfertilen Paaren. Das höchste Risiko fand sich bei Paaren, die einen Kinderwunsch von mehr als 2 Jahren hatten und eine Therapie wegen Infertilität durchlaufen hatten. Das bedeutet, dass möglicherweise die Superovulation eine größeres Risiko für Imprintingerkrankungen darstellt als die reproduktionsmedizinische Maßnahme (Chang et al. 2005).

Da alle Imprintingerkrankungen sehr selten sind, konnte durch keine Studie ein eindeutig erhöhtes Risiko für ihr Auftreten verifiziert werden. Ein kausaler Zusammenhang ist aber nicht auszuschließen.