Van gen naar ziekte; achondroplasie en andere skeletdysplasieën door een activerende mutatie in een receptor voor fibroblastgroeifactor

Inleiding

de ziekte

Achondroplasie wordt gekenmerkt door een extreme beperking in de lengtegroei ten gevolge van een verkorting van vooral de lange pijpbeenderen. Doordat de romp een geringere groeibeperking laat zien, is er een disproportionele groeistoornis. Daarnaast is er macrocefalie met een midfaciale hypoplasie, met als gevolg een prominerend voorhoofd met diepe neusbrug (figuur 1).

Sinds 1994 is bekend dat achondroplasie veroorzaakt wordt door een mutatie in FGFR3, het gen voor fibroblastgroeifactorreceptor 3 (FGFR3).1 2 Ook andere skeletaandoeningen, zoals hypochondroplasie en thanatofore dysplasie, worden veroorzaakt door mutaties in het FGFR3-gen. De plaats van de verandering in het gen bepaalt het uiteindelijke fenotype.

Hypochondroplasie heeft vergelijkbare, doch veel minder uitgesproken symptomen dan achondroplasie. Thanatofore dysplasie is een ernstige, vroeg neonatale, letale skeletaandoening met sterke verkorting van de ledematen, een zeer smalle thorax (met als gevolg ernstige longhypoplasie) en een relatief groot hoofd. Er worden twee typen thanatofore dysplasie onderscheiden: bij type I is er tevens verkromming van de lange pijpbeenderen (zie figuur 1), bij type II is er een ernstige craniosynostose (de zogenaamde klaverbladschedel).

het gen

Het FGFR3-gen is gelegen op de korte arm van chromosoom 4 (4p16.3).3 Het gen bestaat uit 19 exonen verdeeld over 16,5 kb genomisch DNA.4 Tijdens de embryonale ontwikkeling komt het FGFR3-gen vooral tot expressie in het mesenchym van de ledemaatsknoppen en de wervels, later in de groeischijven van de lange pijpbeenderen.5 Het ontbreken van één van beide genen, zoals bij een deletie van de korte arm van chromosoom 4, heeft geen skeletdysplasie tot gevolg. Uitschakeling van beide FGFR3-genen in de muis geeft zelfs botovergroei.6

het eiwit

Fibroblastgroeifactorreceptoren zijn tyrosinekinasereceptoren.3 Ze bestaan uit 3 extracellulair gelegen immunoglobulinedomeinen, een transmembraandomein en twee intracellulaire tyrosinekinasedomeinen (figuur 2). Er bestaan vier verschillende fibroblastgroeifactorreceptoren, die met verschillende affiniteit fibroblastgroeifactoren aan zich binden. Aan fibroblastgroeifactorreceptor 3 binden van de 18 fibroblastgroeifactoren vooral typen 1, 2, 4, 8 en 9.7

de cel

De immunoglobulinedomeinen kunnen fibroblastgroeifactor aan zich binden, waarna zich een receptordimeer vormt van twee fibroblastgroeifactorreceptoren (zie figuur 2).3 Deze dimerisatie initieert een autofosforylatie van verschillende tyrosineresiduen in het intracellulaire deel van het eiwit. Hierdoor wordt de tyrosinekinaseactiviteit gestimuleerd, waarschijnlijk doordat de intracellulaire conformatie van de tyrosinekinasedomeinen dusdanig verandert dat ze goed toegankelijk worden voor ATP en substraten. Door de tyrosinekinaseactivatie wordt een signaalcascade in gang gezet.8 Fibroblastgroeifactorreceptor 3 lijkt de enchondrale ossificatie te reguleren, zodanig dat de celdeling van de chondrocyten wordt geremd en de celrijping en -differentiatie worden gestimuleerd.6 9

De mutaties in het FGFR3-gen die verantwoordelijk zijn voor de skeletafwijkingen zijn zogenaamde ‘gain of function’-mutaties.9 Ze leiden tot ligandonafhankelijke receptoractivatie (in afwezigheid van groeifactoren wordt de receptor toch geactiveerd) of tot een overexpressie van de mutante receptor. Het gevolg is dat de pijpbeenderen een verstoorde lengtegroei laten zien door verminderde chondrocytenproliferatie, als gevolg van versnelde celrijping en -differentiatie. Plaats en type van de mutatie bepalen de mate van overactiviteit van fibroblastgroeifactorreceptor 3 en dus de ernst van de skeletaandoening (zie figuur 2).

Alle tot nu toe bij achondroplasie vastgestelde mutaties bevinden zich in hetzelfde nucleotide 1138.1 2 10 Meestal betreft het een verandering van G naar A, soms een verandering van G naar C. Beide mutaties hebben hetzelfde effect: substitutie van arginine door glycine op positie 380 in het transmembraandomein van het eiwit.

De mutatie leidt tot verhoogde activiteit van fibroblastgroeifactorreceptor 3 met als gevolg activatie van transcriptiefactoren en verhoogde expressie van de celcyclusinhibitoren.11 12 Dit is waarschijnlijk het gevolg van het uitblijven van de zogenaamde receptorinternalisatie.13 Receptorinternalisatie vindt plaats door endocytose van de geactiveerde receptor en zorgt voor de ‘down’-regulatie van de receptoractiviteit. De fibroblastgroeifactorreceptor met een mutatie in het transmembraandomein blijft te lang actief na ligandbinding en er treedt een stapeling van receptoren op in de celmembraan (zie figuur 2). De te hoge activiteit van transcriptiefactoren en celcyclusinhibitoren geeft een afname van de chondrocytenproliferatie in de groeischijven.

Opmerkelijk is de hoge mutatiefrequentie van nucleotide 1138 van het FGFR3-gen. Vrijwel alle achondroplasiepatiënten hebben een de-novomutatie; 97 heeft zelfs exact dezelfde mutatie. Eveneens bijzonder is de zeer sterke fenotype-genotypecorrelatie die bij mutaties in het FGFR3-gen bestaat (zie figuur 2).

Bij de veel mildere aandoening hypochondroplasie worden alleen mutaties gevonden in codon 540, dat codeert voor asparagine in het tyrosinekinase-1-domein.14 Waarschijnlijk leidt dit tot een geringe, spontane tyrosinekinaseactiviteit.

Thanatofore dysplasie type I wordt meestal veroorzaakt door een omzetting van één van de aminozuren in het extracellulaire domein in een cysteïne.15 Cysteïneresiduen kunnen onderling zwavelbruggen vormen. De extracellulaire cysteïneresiduen kunnen hierdoor spontane receptordimerisatie en -activatie veroorzaken. Bij thanatofore dysplasie type II wordt steeds dezelfde mutatie gevonden in het tyrosinekinase-2-domein (omzetting van lysine in glutamine op positie 650).16 Deze mutatie zorgt voor een dusdanige conformatieverandering van de tyrosinekinasedomeinen dat spontane activatie optreedt. Ook bij een aantal craniosynostosesyndromen worden FGFR3-mutaties gevonden.3 17

de populatie

Achondroplasie is de frequentst voorkomende (1 op de 15.000 tot 40.000 levendgeborenen) en verreweg bekendste skeletdysplasie.18 De aandoening erft autosomaal dominant over, maar meer dan 90 van de casussen is het gevolg van een de-novomutatie. Dit komt niet alleen doordat personen met achondroplasie slechts zelden nakomelingen hebben, maar vooral ook door de hoge spontane mutatiefrequentie van het FGFR3-gen. De de-novomutaties bevinden zich altijd in het paternale allel en de mutatiefrequentie neemt toe met de paternale leeftijd.19

diagnostiek

Naast de eerder genoemde klinische kenmerken is er een aantal radiologische symptomen; het opvallendste daarvan, behalve de verkorting van de lange pijpbeenderen, is het naar caudaal afnemen van de interpedunculaire afstand in de wervelkolom (dat wil zeggen toenemende vernauwing van het wervelkanaal). De diagnose ‘achondroplasie’ kan derhalve goed op grond van de biometrische, faciale en radiologische kenmerken gesteld worden. Omdat slechts één mutatie verantwoordelijk is voor achondroplasie, is de moleculaire diagnostiek eenvoudig. Dit heeft uiteraard ook grote implicaties voor de prenatale diagnostiek. Personen met achondroplasie hebben immers een 50-risico op aangedane kinderen en de diagnose is prenataal met behulp van DNA-diagnostiek eerder in de zwangerschap en met veel grotere betrouwbaarheid te stellen dan met ultrageluidsonderzoek mogelijk is.

Omdat bij hypochondroplasie de klinische verschijnselen minder uitgesproken zijn, is de moleculaire diagnostiek hierbij belangrijk voor het bevestigen van de diagnose.

Het behoeft geen betoog dat het bevestigen van de diagnose met DNA-onderzoek van de thanatofore dysplasieën van belang is voor het adviseren van de ouders. Omdat er hierbij altijd sprake is van nieuwe mutaties, is het herhalingsrisico laag. Toch wordt ook hierbij prenataal DNA-onderzoek aangeboden.