Van gen naar ziekte; het dystrofinegen, betrokken bij Duchenne- en Becker-spierdystrofie
Open

Casuïstiek
25-02-2002
J.T. den Dunnen, M. de Visser en E. Bakker

Inleiding

de ziekten

Duchenne- en Becker-spierdystrofie zijn geslachtsgebonden aandoeningen en komen overwegend bij mannen voor. Bij beide ziektebeelden is er progressieve spierzwakte. Duchenne-spierdystrofie is een ernstig verlopende aandoening, die zich in de eerste levensjaren manifesteert.1 Een deel van de jongetjes heeft een vertraagde motorische ontwikkeling en kan pas zonder steun lopen na 18 maanden. Het merendeel loopt op tijd, maar heeft een abnormaal looppatroon, valt vaak en kan niet goed hollen. Over de jaren breidt de spierzwakte zich uit naar de schoudergordel- en bovenarmspieren, de romp en het middenrif. Voordat het 13e levensjaar is bereikt, is lopen niet meer mogelijk en tussen het 15e en 20e jaar treedt ademhalingsinsufficiëntie op. Sedert enige jaren kiezen vele jongens en hun ouders voor ademhalingsondersteuning, waardoor de levensverwachting verlengd wordt. Congestieve cardiomyopathie komt bij alle patiënten voor en is vaak de doodsoorzaak.

Zo eenvormig als het klinische beeld bij Duchenne-spierdystrofie is, zo gevarieerd is dat bij Becker-spierdystrofie.1 Het klassieke beeld uit zich evenals bij Duchenne-spierdystrofie door spierzwakte, maar op latere leeftijd en in minder ernstige mate, al komen velen na een ziekteduur van 20-30 jaar ook in een rolstoel. Cardiomyopathie komt bij ongeveer de helft van de patiënten voor en overheerst soms het klinisch beeld. Andere verschijningsvormen van mutaties in het dystrofinegen zijn: inspanningsgebonden spierkrampen, mentale retardatie, rabdomyolyse of maligne hyperthermie.

Draagsters van het dystrofinegen kunnen spierzwakte ontwikkelen (17), soms met een asymmetrische verdeling, en hartspierafwijkingen (18).2 Dit is een gevolg van een abnormale inactivatie van het normale X-chromosoom in skelet- en hartspiercellen.

Voordat moleculair-genetische diagnostiek beschikbaar werd, kregen vele patiënten met Becker- en Duchenne-spierdystrofie ten onrechte de diagnose ‘limb-girdle’-spierdystrofie, waarbij hetzelfde fenotype voorkomt. Het klinische beeld van Becker-spierdystrofie kan voorts sterk lijken op een vorm van erfelijke spinale spieratrofie (type Wohlfart-Kugelberg-Welander) en de ziekte van Pompe.

het gen

Chromosomale koppeling van Duchenne-spierdystrofie was relatief simpel. Het is een aandoening die nagenoeg uitsluitend bij mannen voorkomt en binnen families via de moeder (XX) en niet via de vader (XY) overerft, dus op het X-chromosoom moet liggen. Fijnkartering van het gen naar het midden van de korte arm van het X-chromosoom, band Xp21, werd mogelijk, doordat er bij enkele patiënten microscopisch zichtbare veranderingen werden waargenomen, met name submicroscopische deleties en X-autosoomtranslocaties. De eerste DNA-marker die in een deletie viel, werd geïsoleerd in Leiden in 1984: marker ‘754’ of ‘DXS84’. Met behulp van de technieken van ‘positionele klonering’ en het ‘wandelen over chromosomen’ werd een steeds dichter netwerk van DNA-markers in dit gebied geïsoleerd.3 Met deze markers kon de aanwezigheid van deleties in dit gebied van het X-chromosoom worden aangetoond bij een grote groep patiënten (circa 60 van de patiënten met Duchenne(DMD)- of Becker-spierdystrofie (BMD)).4 Deze deleties leidden uiteindelijk tot de exacte plaats van het DMD-gen. Uit het gebied dat bij de meeste patiënten ontbrak, werd een sequentie geïsoleerd die bij de muis geconserveerd was. Deze sequentie leidde tot de opsporing van een 14.000 nucleotiden lang ‘messenger’-RNA-molecuul in de spier en uiteindelijk tot de isolatie van het gen, het dystrofinegen.5-7

Het DMD-gen bleek extreme afmetingen en een uitzonderlijke complexiteit te bezitten. Het gen meet 2,4 miljoen nucleotiden8 en is het grootste gen dat tot nog toe in de natuur is gevonden. Door zijn grootte ontstaan gemakkelijk fouten (mutaties) tijdens de celdeling. Tegelijkertijd bemoeilijkt de grote omvang van het gen natuurlijk het opsporen van deze erfelijke veranderingen.

het eiwit

Het in de spier afgeschreven DMD-gen bestaat uit 79 exonen en codeert voor een eiwit van 3685 aminozuren.7 In het eiwit kunnen 4 specifieke en functioneel belangrijke onderdelen worden aangegeven.7 Aan het begin bevindt zich het actinebindende domein, dat deel van het eiwit dat interactie aangaat met F-actine. Het lange centrale deel bestaat uit een 24 keer gerepeteerde eenheid (‘triple helix spectrin repeat’) die voor de lengte van het eiwit verantwoordelijk is. Het uiteinde van dystrofine bestaat uit een cysteïnerijk deel en een uniek C-terminaal domein. Dit deel van dystrofine gaat een interactie aan met andere eiwitten en zorgt voor de verankering in de celmatrix.

In verschillende weefsels komen specifieke isovormen van dystrofine tot expressie (figuur 1);9 bijvoorbeeld eiwitten in de hersenen en in Purkinje-cellen, met een volle lengte, maar met slechts een paar andere aminozuren aan het uiterste begin (respectievelijk Dp427c en Dp427p). In andere weefsels worden kortere vormen gevonden, die telkens later beginnen en alleen het achterste deel van dystrofine gemeenschappelijk hebben: 60 van het eiwit in de retina (Dp260), 33 in het centrale zenuwstelsel (Dp140), 26 in Schwann-cellen (Dp116) en de laatste 14 in vele andere weefsels (Dp70). De exacte functie van deze deeleiwitten, die deels ook in insecten (fruitvlieg) worden gevonden en die allemaal in de celmembraan zitten, is nog onbekend (zie figuur 1).

de cel

Het dystrofine-eiwit bevindt zich net onder de membraan van de spiercel. Het zorgt voor een verbinding tussen het inwendige van de cel (cytoskelet) en de buitenkant (extracellulaire matrix) en daarmee waarschijnlijk voor een bepaalde stevigheid (figuur 2). Het begin (NH2-deel) van het dystrofine-eiwit bindt in de cel aan F-actine. Het andere einde van het eiwit (COOH-deel) bindt in de membraan aan een groep van eiwitten, het zogenaamde dystrofinegeassocieerde glycoproteïnecomplex (DGC). Erfelijke veranderingen in verschillende van de eiwitten uit dit complex, onder meer de sarcoglycanen, leiden tot andere spierziekten, die fenotypisch sterk op Duchenne- of Becker-spierdystrofie kunnen lijken, zoals de limb-girdlespierdystrofieën (zie figuur 2).10

de populatie

Duchenne-spierdystrofie is de meest voorkomende erfelijke spierziekte bij jongens, met in Nederland een incidentie van 1 op de 4000 geboren jongens; bij eenderde van deze patiënten is er een de-novomutatie of nieuw opgetreden mutatie. De prevalentie van Becker-spierdystrofie is aanzienlijk lager en wordt geschat op 1:28.000, met waarschijnlijk ook bij eenderde van de patiënten een nieuwe mutatie.

diagnostiek

Via ouders of via het consultatiebureau blijkt dat een jongetje zich motorisch niet hetzelfde ontwikkelt als zijn leeftijdsgenootjes; hij loopt met 18 maanden nog niet en/of valt veel. Daarnaast is een sterk verhoogde serumcreatinekinaseactiviteit (> 10 × de normaal waarde) een goede indicatie dat het om DMD kan gaan. Verwijzing naar een kinderneuroloog in een academisch neuromusculair centrum is dan geïndiceerd. Immunohistochemisch spieronderzoek, waarvoor een klein spierbiopt nodig is, toont de aan- of afwezigheid van het dystrofine-eiwit aan. Als er een normale of licht verminderde hoeveelheid dystrofine wordt aangetoond, is immunobiochemisch onderzoek nodig om BMD vast te kunnen stellen.

DMD wordt veroorzaakt door mutaties die leiden tot het ontbreken van een functioneel dystrofine, BMD door mutaties die leiden tot de aanmaak van te weinig (minder dan 5-10) of slechts gedeeltelijk functioneel dystrofine. Voor het onderscheid tussen DMD en BMD op moleculair niveau wordt gebruikgemaakt van de zogenaamde leesraamregel.11 Deze regel houdt in dat als een mutatie een voortijdige stop veroorzaakt bij de vertaling van de DNA-code in eiwit, wij met een ernstige vorm van de aandoening te maken hebben (DMD); alleen het begin van het dystrofine wordt gemaakt. Laat de mutatie echter het leesraam intact, maar wordt een deel van de eiwitcode overgeslagen, dan hebben wij meestal te maken met een minder ernstige vorm (BMD). Anders gezegd, ontbreekt de staart van dystrofine, dan is het eiwit niet functioneel, zijn kop en staart aanwezig, maar ontbreekt er een stuk, dan is het eiwit deels functioneel. Recentelijk werden bij Becker-patiënten, tegen de genoemde leesraamregel in, ook stopmutaties waargenomen. Bij nader onderzoek, dat wil zeggen op RNA-niveau, blijkt dat tijdens de RNA-processing (‘splicing’) het stuk met de stop wordt overgeslagen (‘exon skipping’), waardoor het leesraam intact blijft.

Sinds in 1985 de eerste prenatale diagnose (wereldwijd) voor Duchenne-spierdystrofie in Leiden werd uitgevoerd12 met behulp van gekoppelde markers, zijn er meer dan 250 gevolgd. Deze prenatale diagnosen en de vele honderden draagsterschapstests hebben geresulteerd in de geboorte van gezonde jongens, bij echtparen die zonder deze mogelijkheid geheel van kinderen af zouden hebben gezien of via prenatale selectie op geslacht alleen dochters zouden hebben gekregen.

Bij het grootste deel van de patiënten, ongeveer 2 van de 3,6 8 ontbreekt een (groot) stuk van het gen (deletie) of is een stuk dubbel aanwezig (duplicatie). Het opsporen van deze afwijkingen is, ook omdat een mannelijke patiënt maar één X-chromosoom heeft, redelijk gemakkelijk. Opsporen van de verandering bij het overblijvende deel van de DMD-patiënten, meestal één enkel veranderd nucleotide van de 2,4 miljoen in het gen, is veel lastiger. Tot op de dag van vandaag, 15 jaar nadat het gen werd geïdentificeerd, is het niet gelukt om bij alle patiënten een verandering te vinden; bij circa 5 van de Duchenne- en 25 van de Becker-patiënten kennen wij de onderliggende oorzaak niet. Voor de analyse van uitzonderlijke gevallen beschikken wij in Leiden over een techniek voor het omzetten van willekeurige lichaamscellen in spiercellen via de zogenaamde MyoD-geïnduceerde spierdifferentiatie.13 Met behulp hiervan kunnen wij nagaan of de cellen van een patiënt in staat zijn een functioneel dystrofine te maken.

Gedetailleerd onderzoek in DMD-families bracht nog een ander proces aan het licht, het zogenaamde kiembaanmozaïcisme.14 Omdat een moeder die een bewezen niet-draagster was, een de-novodeletiemutatie toch doorgaf aan een volgend kind, rees het inzicht dat deze deleties reeds vroeg in de aanleg van de geslachtscellen, of zelfs daarvóór, kunnen ontstaan. Verder onderzoek toonde aan dat de moeder (of grootvader) van een patiënt met een de-novomutatie een sterk verhoogd risico (7-14) heeft deze mutatie nogmaals door te geven.

Op http://www.dmd.nl/, een website over Duchenne-, Becker- en limb-girdlespierdystrofieën die de afdelingen Humane en Klinische Genetica van het Leids Universitair Medisch Centrum bijhouden, kan zowel algemene als meer gedetailleerde informatie worden gevonden over de hier besproken onderwerpen.

Literatuur

  1. Emery AEH. Oxford monographs on medical genetics. Vol 24.Duchenne muscular dystrophy. Oxford: Oxford University Press; 1993.

  2. Hoogerwaard EM, Wouw PA van der, Wilde AA, Bakker E, IppelPF, Oosterwijk JC, et al. Cardiac involvement in carriers of Duchenne andBecker muscular dystrophy. Neuromuscul Disord 1999;9:347-51.

  3. Burmeister M, Monaco AP, Gillard EF, Ommen GJB van, AffaraNA, Ferguson-Smith MA, et al. A 10-megabase physical map of human Xp21,including the Duchenne muscular dystrophy gene. Genomics1988;2:189-202.

  4. Dunnen JT den, Bakker E, Klein Breteler EG, Pearson PL,Ommen GJB van. Direct detection of more than 50 of the Duchennemuscular dystrophy mutations by field inversion gels. Nature 1987;329:640-2.

  5. Monaco AP, Neve RL, Colletti-Feener C, Bertelson CJ,Kurnit DM, Kunkel LM. Isolation of candidate cDNAs for portions of theDuchenne muscular dystrophy gene. Nature 1986;323:646-50.

  6. Koenig M, Hoffman EP, Bertelson CJ, Monaco AP, Feener CA,Kunkel LM. Complete cloning of the Duchenne muscular dystrophy (DMD) cDNA andpreliminary genomic organization of the DMD gene in normal and affectedindividuals. Cell 1987;50:509-17.

  7. Hoffman EP, Brown RH, Kunkel LM. Dystrophin: the proteinproduct of the Duchenne muscular dystrophy locus. Cell1987;51:919-28.

  8. Dunnen JT den, Grootscholten PM, Bakker E, Blonden LAJ,Ginjaar HB, Wapenaar MC, et al. Topography of the Duchenne muscular dystrophy(DMD) gene: FIGE and cDNA analysis of 194 cases reveals 115 deletions and 13duplications. Am J Hum Genet 1989;45:835-47.

  9. Ahn AH, Kunkel LM. The structural and functional diversityof dystrophin. Nat Genet 1993;3:283-91.

  10. Worton RG. Muscular dystrophies: diseases of thedystrophin-glycoprotein complex letter. Science1995;270:755-6.

  11. Monaco AP, Bertelson CJ, Liechti-Gallati S, Moser H,Kunkel LM. An explanation for the phenotypic differences between patientsbearing partial deletions of the DMD locus. Genomics 1988;2:90-5.

  12. Bakker E, Hofker MH, Goor N, Mandel JL, Wrogemann K,Davies KE, et al. Prenatal diagnosis and carrier detection of Duchennemuscular dystrophy with closely linked RFLPs. Lancet 1985;i:655-8.

  13. Roest PA, Bakker E, Fallaux FJ, Verellen-Dumoulin C,Murry CE, Dunnen JT den. New possibilities for prenatal diagnosis of musculardystrophies: forced myogenesis with an adenoviral MyoD-vector. Lancet1999;353:727-8.

  14. Bakker E, Broeckhoven C van, Bonten EJ, Vooren MJ van de,Veenema H, Hul W van, et al. Germline mosaicism and Duchenne musculardystrophy mutations. Nature 1987;329:554-6.