Van gen naar ziekte; het nagel-patellasyndroom en het LMX1B-gen
Open

Casuïstiek
14-01-2003
E.M.H.F. Bongers en N.V.A.M. Knoers

Inleiding

de ziekte

Het nagel-patellasyndroom (NPS; Mendelian Inheritance in Man, nummer 1612001, www.ncbi.nlm.nih.gov/omim/searchomim.html) is een autosomaal dominant overervende aandoening, gekenmerkt door dysplasie van de nagels, skeletafwijkingen, waaronder patella-aplasie of -hypoplasie, en frequent openkamerhoekglaucoom en nefropathie.

Essentiële bevindingen voor het stellen van de klinische diagnose ‘NPS’ zijn de kenmerkende afwijkingen van de dorsale structuren van de ledematen: nageldysplasie en patella-aplasie of -hypoplasie. Karakteristiek voor NPS zijn de triangulaire lunulae van de nagels (figuur 1a). Daarnaast hangt NPS samen met anonychia, hemianonychia (zie figuur 1b), groeven in de lengterichting van de nagels en gespleten nagels. De ernst van de afwijkingen van de vingernagels neemt in de anterieur-posterieure richting (van duim naar pink) af. Bij de meerderheid van de patiënten komen opvallend kleine patellae voor en in een minderheid van de gevallen zijn de patellae beiderzijds afwezig. Pathognomonisch voor NPS zijn de zogenaamde ‘bekkenhoorntjes’ (‘iliac horns’), die reeds vanaf de geboorte op een röntgenfoto bilateraal zichtbaar zijn als triangulaire uitsteeksels ter hoogte van het posterieure ilium (zie figuur 1c). Dysplasie van het articulatio cubiti, met name hypoplasie van het caput radii en/of het capitulum humeri, kan resulteren in beperkte extensie en supinatie van dit gewricht. Onder de minder frequent voorkomende skeletafwijkingen van NPS bevinden zich talipes equinovarus en -valgus. Recent is aangetoond dat naast de bekende sporadisch voorkomende afwijkingen van de cornea, openkamerhoekglaucoom een variabel kenmerk van NPS is.1 2

De ernstigste complicatie van NPS is nefropathie, veroorzaakt door defecten in de filtratiebarrière van de glomerulaire basaalmembraan. Voor NPS karakteristieke ultrastructurele afwijkingen aan de glomerulaire basaalmembraan zijn onregelmatige verdikkingen, niet-elektronendichte gebieden die een ‘door motten aangevreten’ aspect geven, gefuseerde uitlopers van epitheelcellen die de glomeruluscapillairen omgeven (podocyten) en een verstoorde depositie van collageenfibrillen. Deze afwijkingen van de glomerulaire basaalmembraan kunnen in een vroeg stadium leiden tot chronisch benigne proteïnurie en microscopische hematurie (33 van de patiënten) en op lange termijn – bij 10-15 van de patiënten – tot terminale nierinsufficiëntie.3 De ontwikkeling naar terminale nierinsufficiëntie is meestal, maar niet in alle gevallen, langzaam progressief. Er bestaat een grote variatie in de prevalentie en de ernst van de klinische afwijkingen binnen en tussen NPS-families. In 1972 werd er in dit tijdschrift een artikel gewijd aan zes Nederlandse NPS-families, waaronder een familie met een relatief hoge prevalentie van nefropathie (10/23; 43).4 5 Exogene en endogene factoren, waaronder mogelijk modificerende genen, die het ontstaan en de progressie van de NPS-kenmerken mede beïnvloeden, zijn op dit moment niet bekend. Het ontstaan en de ernst van de symptomen, en het beloop en de snelheid van progressie van nefropathie zijn dan ook niet te voorspellen.

het gen

NPS wordt veroorzaakt door mutaties in het ‘LIM homeo box transcription factor 1, beta’(LMX1B)-gen. Het NPS was een van de eerst gekoppelde autosomaal dominante aandoeningen toen in 1955 werd gevonden dat de aandoening overerft met het locus voor de AB0-bloedgroepen op de lange arm van chromosoom 9 (band 34.1).6 Ondanks deze vroege lokalisatie werd het NPS-gen pas in 1998 geïdentificeerd.7 Het oorzakelijk gen voor NPS, LMX1B, werd opgespoord op grond van drie bevindingen: (a) de expressie van dit gen in de dorsale structuren van de ledematen; (b) sterke overeenkomsten tussen het fenotype van de Lmx1b-‘knock-out’-muis en NPS; en (c) de chromosomale lokalisatie van het homologe gen van Lmx1b in de mens.7

Het LMX1B-gen bestaat uit 8 exonen. Het 6-kb-transcript van het gen codeert voor een sterk geconserveerd eiwit van 379 aminozuren. LMX1B behoort tot de LIM-homeodomeinfamilie van transcriptiefactoren en heeft tijdens de ontwikkeling een fundamentele rol in de dorsoventrale-asformatie van de ledematen en in de ontwikkeling van de glomerulaire basaalmembraan in de nieren (het acroniem ‘LIM’ is afgeleid van de eerste letters van de drie ‘founder’-genen, lin-11, ISL1 en mec3). Het gen komt sterk tot expressie in de dorsale mesenchymale voorlopers van spieren, pezen, gewrichten, patellae en anterieure structuren van de ledematen, het centraal zenuwstelsel (mesencefalon) en de voorste oogkamer. Expressie van LMX1B in de nier is specifiek in de podocyten. Er bestaat een sterk verband tussen het expressiepatroon van LMX1B en de organen van NPS-patiënten waarin afwijkingen zijn aangetoond. Verondersteld wordt dat heterozygote LMX1B-mutaties resulteren in ‘loss of function’ en een dominant fenotype veroorzaken door haplo-insufficiëntie. Dit betekent dat een reductie van 50 van de dosis van het genproduct leidt tot fenotypische afwijkingen.2 7

het eiwit en de cel

Het LMX1B-eiwit bevindt zich hoofdzakelijk in de celkern. Het polypeptide is opgebouwd uit twee cysteïnerijke, aan zink bindende domeinen (LIM-A- en LIM-B-domein) die een functie hebben in de interactie met andere transcriptiefactoren, een homeodomein dat betrokken is bij DNA-binding, en een glutamine- en serinerijk transcriptieactivatiedomein (figuur 2). Alle LMX1B-mutaties die tot op heden zijn geïdentificeerd bevinden zich in de LIM-domeinen of het homeodomein. Voor een aantal van deze mutaties is experimenteel aangetoond dat ze tot gevolg hebben dat het gemuteerde LMX1B-eiwit niet langer in staat is om de ‘doelgenen’ te herkennen en/of hun transcriptie te reguleren.

In het muizenmodel voor NPS resulteren homozygote mutaties in het Lmx1b-gen in de afwezigheid van dorsale structuren, zoals de nagels en de patellae. In de nieren reguleert Lmx1b de expressie van genen die van cruciaal belang zijn voor de differentiatie en functie van de glomerulaire basaalmembraan en podocyten, te weten genen die coderen voor de ?3- en ?4-ketens van het eiwitcollageen type IV (COL4A3 en COL4A4), ‘CD2-associated protein’ (CD2AP) en podocine (NPHS2).8-10 Lmx1b-mutaties verhinderen dat in de glomerulaire basaalmembraan de normaal optredende switch plaatsvindt van de ?1- en ?2-ketens naar de ?3- en ?4-ketens. In de glomerulaire basaalmembraan van Lmx1b-knock-outmuizen ontbreken de typische filtratiespleten en zijn de podocyten dysplastisch en hebben deze een verminderd aantal uitlopers.8

Deze afwijkingen van de glomerulaire basaalmembraan hebben sterke overeenkomsten met de ultrastructurele afwijkingen in nierbiopten van patiënten met het Alport-syndroom, dat veroorzaakt wordt door mutaties in COL4A3, COL4A4 of COL4A5. Het is dus aannemelijk dat het glomerulaire fenotype in NPS tenminste voor een deel veroorzaakt wordt door een verstoorde synthese van ?3- en ?4-collageen type IV als gevolg van de LMX1B-mutaties (zie figuur 2). De moleculaire pathogenese van de ontwikkeling van glaucoom samenhangend met NPS is nog niet opgehelderd.

de populatie

NPS komt in de Verenigde Staten bij ongeveer 1 op de 50.000 pasgeborenen voor. De exacte geboorteprevalentie in Nederland is niet bekend. Momenteel zijn er bij de afdelingen Klinische Genetica van de Universitaire Medische Centra in Nederland in totaal 27 families met NPS geregistreerd.

diagnostiek

Tot op heden zijn 90 verschillende LMX1B-mutaties aangetoond in sporadische NPS-patiënten en NPS-families: 1-basenpaarsubstituties (‘nonsense’-, ‘missense’-, ‘splice-site’- en ‘frame shift’-mutaties), deleties of inserties.11 De mutaties zijn geconcentreerd binnen de LIM-domeinen en het homeodomein. De frequentst voorkomende missensemutaties zijn gevonden in het homeodomein (zie figuur 2). In ongeveer 19 van de NPS-patiënten/-families werd geen oorzakelijk gen-defect opgespoord, mogelijk ten gevolge van technische beperkingen van de gebruikte mutatieanalysemethode of van de locatie van de mutatie.12 Sinds de identificatie van het LMX1B-gen in 1998 zijn inmiddels 7 verschillende LMX1B-mutaties in 8 Nederlandse NPS-families en sporadische patiënten in de literatuur beschreven.13 In Nederland wordt DNA-diagnostiek van NPS op dit moment verricht in het DNA-laboratorium van de afdeling Antropogenetica van het Universitair Medisch Centrum St Radboud te Nijmegen. Tot op heden is er geen relatie aangetoond tussen de aard en positie van de LMX1B-mutaties (genotype) en de ernst van de NPS-kenmerken (fenotype).13 Een tijdige klinische dan wel moleculair-genetische diagnose is van belang voor regelmatige oogheelkundige en nefrologische screening, eventuele behandeling en erfelijkheidsvoorlichting.

Dr.ir.H.van Bokhoven, moleculair bioloog van het Universitair Medisch Centrum St Radboud, afd. Antropogenetica, gaf commentaar op het manuscript.

Belangenconflict: geen gemeld. Financiële ondersteuning: geen gemeld.

Literatuur

  1. Lichter PR, Richards JE, Downs CA, Stringham HM, BoelmkeM, Farley FA. Cosegregation of open-angle glaucoma and the nail-patellasyndrome. Am J Ophthalmol 1997;124:506-15.

  2. Vollrath D, Jaramillo-Babb VL, Clough NW, McIntosh I,Scott KM, Lichter PR, et al. Loss-of-function mutations in theLIM-homeodomain gene LMX1B, in nail-patella syndrome. Hum Mol Genet1998;7:1091-8.

  3. Meyrier A, Rizzo R, Gubler MC. The nail-patella syndrome.A review. J Nephrol 1990;2:133-40.

  4. Haar BGA ter, Dam FE van. Het nagel-patellasyndroom of dehereditaire onycho-osteo-arthrodysplasie.Ned Tijdschr Geneeskd1972;116:2218-27.

  5. Looij BJ, Slaa RL te, Hogewind BL, Kamp JJP van de.Genetic counselling in hereditary osteo-onychodysplasia (HOOD, nail-patellasyndrome) with nephropathy. J Med Genet 1988;25:682-6.

  6. Renwick JH, Lawler SD. Genetical linkage between the AB0and nail-patella loci. Ann Hum Genet 1955;19:312-31.

  7. Dreyer SD, Zhou G, Baldini A, Winterpacht A, Zabel B, ColeW, et al. Mutations in LMX1B cause abnormal skeletal patterning and renaldysplasia in nail patella syndrome. Nat Genet 1998;19:47-50.

  8. Miner JH, Morello R, Andrews KL, Li C, Antignac C, ShawAS, et al. Transcriptional induction of slit diaphragm genes by Lmx1b isrequired in podocyte differentiation. J Clin Invest2002;109:1065-72.

  9. Rohr C, Prestel J, Heidet L, Hosser H, Kriz W, Johnson RL,et al. The LIM-homeodomain transcription factor Lmx1b plays a crucial role inpodocytes. J Clin Invest 2002;109:1073-82.

  10. Morello R, Zhou G, Dreyer SD, Harvey SJ, Ninomiya Y,Thorner PS, et al. Regulation of glomerular basement membrane collagenexpression by LMX1B contributes to renal disease in nail patella syndrome.Nat Genet 2001;27:205-8.

  11. Bongers EMHF, Gubler MC, Knoers NVAM. Nail-patellasyndrome. Overview on clinical and molecular findings. Pediatr Nephrol2002;17:703-12.

  12. Clough MV, Hamlington JD, McIntosh I. Restricteddistribution of loss-of-function mutations within the LMX1B genes ofnail-patella syndrome patients. Hum Mutat 1999;14:459-65.

  13. Knoers NVAM, Bongers EMHF, Beersum SEC van, Lommen OP,Bokhoven H van, Hol FA. Nail-patella syndrome: identification of mutations inthe LMX1B gene in Dutch families. J Am Soc Nephrol2000;11:1762-6.