Erster Fall von Alzheimer-krankheit molekular geklärt - entdeckung einer Mutation im Gen PSEN1 bei Auguste Deter
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Erster Fall von Alzheimer- Krankheit molekular geklärt Entdeckung einer Mutation im Gen PSEN1 bei Auguste Deter Von Ulrich Müller, Pia Winter und Manuel B. Graeber 72 Justus-Liebig-Universität Gießen
Erster Fall von Alzheimer-Krankheit molekular geklärt
Die molekulare Aufklärung des
Falles, an dem Alois Alzheimer die
nach ihm benannte Krankheit vor
über 100 Jahren zum ersten Mal be-
schrieben hat, ist Wissenschaftlern
des Instituts für Humangenetik der
Justus-Liebig-Universität Gießen in
I
Zusammenarbeit mit einem Wissen-
n Industriegesellschaften stellt die Jahr 1906 gelebt. Das Gehirn der Ver-
schaftler des Hirnforschungsinsti-
Alzheimersche Krankheit heute storbenen wurde dann nach München
tuts der Universität Sydney, Austra-
eines der größten Gesundheits- gebracht, wo Alois Alzheimer in Emil
lien, gelungen. Die Ergebnisse ihrer
probleme dar. Allein in Deutschland Kraepelins berühmter Klinik seit 1904
Forschungsarbeit wurden in der sind zurzeit 1,3 Millionen Menschen ein Forschungslabor aufbaute. An-
renommierten Zeitschrift „The Lan- an Morbus Alzheimer erkrankt, und hand von Gehirnschnitten der Verstor-
cet Neurology“ im Dezember 2012 die Zahl der Erkrankten steigt durch benen beschrieb Alzheimer die für die
zunächst online und im Februar eine zunehmende Lebensdauer stän- Erkrankung charakteristischen mor-
2013 in gedruckter Form publiziert. dig an. Global werden für das Jahr phologischen Veränderungen: Neben
2050 mehr als 100 Millionen Demenz- Amyloid-Plaques zwischen den Zellen
kranke erwartet, wobei ein Großteil an des Gehirns sah er auch erstmals die
der Alzheimerschen Krankheit leiden ebenfalls nach ihm benannten Fibril-
wird, wenn man nicht rechtzeitig ein lenbündel in den Neuronen („neuro
Gegenmittel findet. fibrillary tangles“). Sowohl Plaques
Alois Alzheimer (Abb. 1) hat 1907 als auch „Tangles“ interferieren mit
erstmals die später nach ihm benann- der normalen Funktion der Nerven-
te Krankheit an der Patientin Auguste zellen und werden als Ursachen für
Deter (Abb. 2) beschrieben. Auguste den Nervenzelltod (Neurodegenera
Deter war 51 Jahre alt, als sie 1901 tion) angeführt. Die bei Auguste Deter
in das damals als „Städtische Irren- gefundenen morphologischen Verän-
Anstalt Frankfurt a.M.“ bezeichnete derungen im Gehirn sind typisch für
Krankenhaus wegen Verwirrtheitszu- schwere Alzheimer-Krankheit (AK).
ständen, Halluzinationen und starkem Abb. 3 zeigt diese Veränderungen im
Gedächtnisverlust eingewiesen wur- Gehirn von Auguste Deter.
de. Dort hat sie bis zu ihrem Tod im Die meisten Fälle von AK haben
eine multifaktorielle Ätiologie, d.h.
verschiedene Genvarianten im Zu-
sammenspiel mit Umweltfaktoren
führen zur Erkrankung. Von den ge-
Abb. 1: Deutsch-polnische Gedenk- netischen Varianten ist das Allel ε4
tafel für Alois Alzheimer in Breslau, des für Apolipoprotein E kodierenden
wo seine letzte Lebensstation war. An Gens APOE der größte Risikofaktor.
der schlesischen Friedrich-Wilhelm- Von den nicht-genetischen (Umwelt-)
Universität wurde er Direktor der Faktoren hat fortgeschrittenes Alter
„Königlich Psychiatrischen und den größten prädisponierenden Ef-
Nervenklinik“. fekt. Nur ein kleiner Prozentsatz aller
Alzheimer-Fälle (< 2%) ist auf eine
Abb. 2: Archivbild von Auguste Veränderung in einem einzigen Gen
Deter (aus Maurer et al., 1997) zurückzuführen.
Spiegel der Forschung · Nr. 1/2013 73
Müller, Winter, Graeber
Gen verursacht wird und Verwandte
ersten Grades, also Kinder und Ge-
schwister, ein Risiko von 50% haben,
die Genveränderung zu erben und da-
mit ebenfalls an EOAD zu erkranken.
Außer dem Erkrankungsbeginn lassen
sich EOAD und LOAD weder klinisch
noch neuropathologisch voneinander
unterscheiden.
Heute sind drei Gene bekannt, die
mutiert zu EOAD führen können: Die
beiden einander sehr ähnlichen Gene
PSEN1 und PSEN2, die für die Prote-
ine Präsenilin 1 und 2 kodieren, so-
wie das für das „amyloid precursor
protein“ (APP) kodierende Gen APP.
Spaltprodukte des die Zellmem bran
Abb. 3: Zahlreiche Amyloid- Im Gegensatz zur Großzahl der überspannenden APP tragen zur Ent-
Plaques (links in a). Fälle von Alzheimer-Krankheit, die stehung von Amyloid Plaques bei.
Abb. b (rechts) zeigt verschiedene jenseits des 65. Lebensalters begin- Das membranständige Protein APP
Formen Alzheimerscher nen („late onset Alzheimer disease“, wird durch die Wirkung von drei Pro-
Neurofibrillenveränderungen. LOAD), erkrankte Auguste Deter be- teasen (der α-, β- und γ-Sekretase)
Bielschowsky-Silberimprägnation. reits mit Ende 40. Sie litt damit an prozessiert (Abb. 4). Die β-Sekretase
Primäre Vergrößerung x20 (aus einer seltenen, bereits vor dem 65. erzeugt zusammen mit der das APP
Graeber et al., 1998) Lebensjahr einsetzenden Variante. innerhalb der Membran schneidenden
Man spricht von „early onset Alzhei- γ-Sekretase primär Spaltprodukte von
mer disease“ (EOAD), die nur 5% 40 Aminosäuren (Amyloid ß-Peptid
aller Fälle von AK ausmacht. Etwas von 40 Aminosäuren: Aβ40). Funk-
weniger als die Hälfte der EOAD-Fälle tionsänderungen der γ-Sekretase
wird autosomal dominant vererbt, das führen zu vermehrter Bildung von
bedeutet, dass die Erkrankung durch Spaltprodukten von 42 Aminosäuren
eine Veränderung in einem einzigen (Aβ42), die hochgradig amyloido-
Abb. 4: Spaltung des membran
überspannenden Proteins APP durch
Sekretasen. Die innerhalb der Mem
bran schneidende γ-Sekretase erzeugt TM
zusammen mit der β-Sekretase NH2 COOH APP
Spaltstücke (Amyloid β-Peptide) von 40
Aminosäuren. Nur ein kleiner Prozent-
satz (unter 20 %) der Spaltprodukte
hat eine Größe von 42 Aminosäuren. Aß
Bei Mutationen in den Genen PSEN1
DAEFRHDSGYEVHHQKLVFFAEDVGSNKGAIIGLMVGGVVIA
und PSEN2 ist die Funktion der
γ-Sekretase beeinträchtigt, und es beta alpha gamma
entstehen primär (über 80 %) Amyloid 40 42
(80 %) (20 %)
β-Peptide von 42 Aminosäuren, die alpha‐Stoffwechselweg
sAPP‐alpha
stark amyloidogen sind. Eine weitere
p3
Sekretase (α-Sekretase) spaltet beta‐Stoffwechselweg sAPP‐beta
ebenfalls APP, spielt jedoch für die
Aß
Entstehung von Plaques keine Rolle.
74 Justus-Liebig-Universität GießenErster Fall von Alzheimer-Krankheit molekular geklärt
Abb. 5: Krankenakte von Auguste
Deter, die 1996 von Maurer wieder-
entdeckt wurde (aus Maurer et al.,
1997).
Abb. 6: Objektträger mit Gewebe-
schnitt von Auguste Deter, von dem
DNA zur Untersuchung extrahiert
wurde.
gen wirken. Die Präseniline 1 und 2 genome amplification“ (WGA) bezeich-
sind Teil eines Proteinkomplexes, der net wird. Wir haben zur Amplifikation
zusammen mit weiteren Proteinen der DNA eine Variante der „multiple
(Nikastrin, APH-1 (anterior phaynx- displacement amplification“-Methode
defective 1), PEN2 (presenilin enhan- angewendet. Zunächst wird ein Gewe-
cer2)) die γ-Sektretase bildet. Mutati- bestückchen vom Objektträger unter
onen in den Genen PSEN1 und PSEN2 sterilen Bedingungen abgekratzt und
führen zu einer gestörten Funktion das Gewebe denaturiert. Anschließend
der γ-Sekretase und zu vermehrter werden die kleinen fragmentierten
Bildung von Aβ42. DNA-Stückchen ligiert, so dass größe-
Die Krankengeschichte von Augus- re Fragmente entstehen, die dann un-
te Deter, die seit 1909 verschollen ter Verwendung zufällig ausgewählter
war, wurde 1996 in der Abteilung für Hexamere amplifiziert werden können Abb. 7: Sequenzchromatogramm
Psychiatrie der Universität Frankfurt (REPLI-gFFPE kit von Qiagen). Die ge- von 28 Basenpaaren (bp) von Exon 6
wiederentdeckt (Maurer et al., 1997, wonnene DNA wurde dann als „tem des PSEN1-Gens von Auguste Deter.
Abb. 5). Die wahrscheinlich von Alois plate“ zur Amplifizierung und Sequen Durch die Sequenzierung fand sich
Alzheimer selbst von Auguste Deters zierung von Bereichen der Gene PSEN1 eine c.526T->C-Substitution. Die
Gehirn angefertigten Schnitte wurden und PSEN2 verwendet. Abbildung zeigt sowohl die Sequenz
1997 von Manuel Graeber im Keller Bei der Sequenzierung von Exon 6 des Vorwärtsstrangs (a) als auch des
des Instituts für Neuropathologie der des Gens PSEN1 fand sich an Position Rückwärtsstrangs (b). Die Mutation
LMU München gefunden (Graeber et 526 ein Austausch der Base Thymin führt zu einem Aminosäureaustausch
al, 1998). Wir haben eines dieser von durch Cytosin (c.526T>C). Diese Verän- Phe176Leu (F/L).
Auguste Deters Gehirn angefertigten derung führt zur Substitution der Ami-
Präparate (Abb. 6) verwendet, um nosäure Phenylalanin durch Leucin an
DNA zu isolieren und Mutationsanaly- Postion 176 des Präsenilin1-Proteins
sen durchzuführen. (p.Phe176Leu) (Müller et al., 2012, guste Deter ist: 1) An Position 176 des
Durch die Paraffineinbettung, For- Abb. 7). Exon 6 kodiert im Wesentli- PSEN1-Gens wurde kein „single nucle-
malin-Fixierung und Färbung der Prä- chen für die Transmembrandomäne 3 otide polymorphism“ (SNP), also kei-
parate wird die DNA stark geschädigt von Präsenilin 1. Wir haben den Be- ne Variante eines Basenpaars in der
und fragmentiert. Um überhaupt ana- fund in unabhängig voneinander extra- DNA, beschrieben; 2) Phenylalanin an
lysierbare DNA aus Formalin-fixierten hierten DNA-Chargen bestätigt. Position 176 der Transmembran-Do-
Gewebeschnitten gewinnen zu können, Mehrere Befunde sprechen dafür, mäne 3 von Präsenilin ist evolutionär
muss die Gesamt-DNA amplifiziert dass der Phe176Leu-Austausch die hochgradig konserviert (Abb. 8). Dies
werden, ein Vorgang, der als „Whole Ursache für die Erkrankung von Au- spricht dafür, dass diese Aminosäure
Spiegel der Forschung · Nr. 1/2013 75Müller, Winter, Graeber
essentiell für eine normale Funktion dert, zu autosomal dominant vererbter Durch Veränderung der Struktur von
von Präsenilin 1 ist; und 3) Die be- EOAD. Auch dieser Befund belegt die Präsenilin 1 ändert sich die Funktion
nachbarte Aminosäure Phenylalanin funktionelle Bedeutung dieser Region des Proteinkomplexes γ-Sekretase
an Position 177 führt, wenn verän- von Präsenilin 1. (Abb. 4), es werden vermehrt Amy
Die Autoren
Ulrich Müller, Jahrgang 1952, stu- ceedings of the National Academy of in Boston, USA. Die letzten beiden
dierte von 1971 bis 1977 in Freiburg Sciences (USA), Annals of Neurolo- Jahre als Post-Doc verbrachte er im
Medizin und promovierte 1977 zum gy, American Journal of Human Ge- dortigen Labor von Prof. Ulrich Mül-
Dr. med. Von 1977 bis 1984 war er netics, Human Molecular Genetics. ler. Von 1992 bis 1999 baute Prof.
am Institut für Humangenetik der Graeber jeweils ein Labor für Mole-
Universität Freiburg tätig, unterbro- Pia Winter, Jahrgang 1958, absol- kulare Neuropathologie an der LMU
chen durch einen Forschungsauf- vierte eine Ausbildung zur Medi- München und dann am Max-Planck
enthalt am Sloan Kettering Cancer zinisch-technischen Assistentin in Institut für Neurobiologie (Abt.
Center und der Cornell University in Trier. Seit 1981 ist sie Mitarbeite- Kreutzberg) auf. 1995: Center of Ex-
New York von 1979 bis 1980. 1982: rin am Institut für Humangenetik. cellence Visiting Scientist Award des
Habilitation im Fach Humangenetik. Zunächst war sie beteiligt an For- National Institute of Neuroscience,
Mit einem Heisenberg-Stipendium schungsarbeiten zur Proteinana- Tokyo, Japan, und Gastwissenschaft-
ler dort im Herbst 1996. 1997 Grün-
dung der Zeitschrift Neurogenetics
gemeinsam mit Prof. Müller und E.
Hoffman. 1998 sieben Monate als
Visiting Clinician an der Mayo Clinic
in Rochester, MN, USA. 1999: Ruf
auf den neuen Lehrstuhl für Neuro-
pathologie an das Imperial College
London/Hammersmith Hospitals
ging er an die Genetics Division lytik mit Schwerpunkt hereditäre Trust und 2000 Gründung des Uni-
des Children´s Hospital der Harvard Amyloidosen, später dann bei der versity Department of Neuropatho-
Medical School. Von 1987 bis 1992 Etablierung molekulargenetischer logy, das er als Chairman leitete und
war er Assistant und dann Associa- Methoden. Der Schwerpunkt ih- im achten Jahr aufgrund ethischer
te Professor of Pediatrics/Genetics rer Arbeit seit 2000 sind Beiträge Bedenken hinsichtlich der dortigen
an der Harvard Medical School. zur Erforschung neurogenetischer Multiple Sklerose- und Parkinson-
1991: Ruf auf die Professur für Hu- Erkrankungen wie die Alzheimer Hirnbanken wieder schloss. Später
mangentik der Universität Gießen. Krankheit, ALS und Dystonien. im selben Jahr (2007) Gründungs-
Schwerpunkt der Forschung: Neu- vorsitzender (mit D. Troost, Ams-
rogenetik, insbesondere Dystonien, Manuel B. Graeber, Dr. med. (TUM), terdam) der European Fellowship of
spinozerebelläre Ataxien, Alzheimer Dr. med. habil. (LMU) ist ein deutsch- Neuropathology. 2008: Sabbatical
Krankheit, Progressive supranukleä- britischer Neuropathologe und Bar- und Gewinn eines „Whistleblowing“-
re Blickparese, amyotrophe Lateral- net-Cropper Chair of Brain Tumor Prozesses gegen die 2007-Exekutive
sklerose. 1994-2004: Präsident der Research am Brain and Mind Re- von Imperial College London finan-
deutschen Gesellschaft für Neuroge- search Institute (BMRI) der Univer- ziert von der British Medical Asso-
netik. Mitgründer und Herausgeber sität Sydney, Australien. Er war erst ciation. 2009: Head der Division of
der Zeitschrift Neurogenetics seit Doktorand und dann wissenschaft- Neuropathology, King Fahd Medical
1997. Seine Forschungsergebnisse licher Mitarbeiter am Max-Planck- City, Ministry of Health, Riyadh, KSA
wurden in renommierten Zeitschrif- Institut für Psychiatrie in München und Ruf auf den neuen Lehrstuhl am
ten publiziert, u.a. in Cell, Nature (1987-1989), danach drei Jahre Post- BMRI, den er bis heute innehat, und
Genetics, Lancet Neurology, Pro- Doc an der Harvard Medical School Umzug nach Sydney 2010.
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Abb. 8: Evolutionäre Konservie-
nucleotide sequence amino acid sequence
rung von Phenylalanin (Phe) an
ꜜ ꜜ
Position 176 des PSEN1-Proteins Homo sapiens TTGCTGTTCTTTTTTTCATTC LLFFFSF
(grau unterlegt) sowie benachbarter Macaca mulatta TTGCTGTTCTTTTTTTCATTC LLFFFSF
Aminosäuren. Die entsprechenden Mus musculus TTGCTGTTCTTTTTTTCGTTC LLFFFSF
Nukleotid-Sequenzen sind auch Bos taurus TTGCTGTTCTTTTTCTCATTC LLFFFSF
angegeben. Gallus gallus CTGCTTTTCTTTTTTTCATTC LLFFFSF
Anolis carolinensis TTGCTTTTCTTTTTTTCATTC LLFFFSF
Xenopus laevis TTGCTTTTTTTCTTCTCTTAT LLFFFSY
Takifugu rubripes TTGCTTTTCTTCTTCTCCTAC LLFFFSY
loid beta-Peptide von 42 Aminosäuren Danio rerio CTGCTCTTCTTTTTCTCCTTA LLFFFSL
(Aß42) gebildet, die hochgradig amy- Drosophila melanogaster TTGTTGTTCATTTTTACGTAC LLFIFTY
loidogen wirken und zur Ablagerung Caenorhabditis elegans CTTCTTTTCCTATTCACTACA LLFLFSL
der für Neuronen toxischen Amyloid-
Plaques führen. einer möglichen Verwandtschaft mit Maurer K, Volk S, Gerbaldo H (1997):
Vor Entdeckung der c.526T>C Muta- den Wolga-Deutschen widerlegt wer- Auguste D and Alzheimer’s disease.
tion in PSEN1 wurde spekuliert, dass den konnte (Müller et al., 2011). Lancet 349: 1546-1549
Auguste Deter mit den so genannten Unsere historischen Untersuchun- Yu CE, Marchani E, Nikisch G, Mül-
Wolga-Deutschen verwandt gewesen gen haben gezeigt, dass Auguste De- ler U, Nolte D, Hertel A, Wijsman
sein könnte. Bei den Wolga-Deutschen ter an der sehr seltenen, durch eine EM, Bird TD (2010): The N141I mu-
handelt es sich um die Nachfahren ei- Mutation im PSEN1-Gen verursach- tation in PSEN2: implications for the
ner aus Hessen, aus der Nähe von Bü- ten EOAD gelitten hat. Dieser Befund quintessential case of Alzheimer di-
dingen stammenden Personengruppe, würde es grundsätzlich ermöglichen, sease. Arch Neurol 67: 631-633
die in den Jahren um 1760 in das Ge- Nachfahren von Auguste Deter auf das Müller U, Winter P, Graeber MB
biet der südlichen Wolga in Russland Vorliegen der Mutation zu untersu- (2011): Alois Alzheimer’s case, Au-
ausgewandert sind. Im späten 19. und chen. Über das Schicksal des einzigen guste D., did not carry the N141I
frühen 20. Jahrhundert sind viele Wol- Kindes, einer Tochter, von Auguste De- mutation in PSEN2 characteristic
ga-Deutsche in die USA emigriert. ter ist jedoch nichts bekannt. of Alzheimer disease in Volga Ger-
Bei den Wolga-Deutschen tritt Es ist eine Ironie der Medizin-Ge- mans. Arch Neurol 68: 1210-1211
durch eine Mutation im Gen PSEN2 schichte, dass die Alzheimer-Krank- Müller U, Winter P, Graeber MB
(c.422A>T) EOAD häufig auf. Das heit, von der die LOAD-Variante ein (2013): A presenilin 1 mutation in
häufige Vorkommen der früh einset- enormes Gesundheitsproblem in den the first case of Alzheimer´s disease.
zenden Variante der Alzheimer Krank- westlichen Industriestaaten darstellt, The Lancet Neurology 12: 129-130
heit bei dieser Population geht auf ei- ausgerechnet an einer extrem seltenen (doi:10.1016/S1474-4422(12)70307-1)
nen „founder effect“ zurück, d.h. eine Variante (autosomal dominante EOAD)
oder mehrere Vorfahren der Wolga- dieser heute so häufigen Krankheit ent-
Deutschen trugen die zu EOAD füh- deckt worden ist. Schließlich beendet KONTAKT
rende PSEN2-Mutation, die sich infol- die molekulare Aufklärung des ersten Prof. Dr. Ulrich Müller
Justus-Liebig-Universität
ge autosomal dominanter Vererbung Alzheimer-Falles endgültig alle Speku-
Institut für Humangenetik
in der Population ausgebreitet hat. Da lationen über die Ursache der Krank- Schlangenzahl 14
Auguste Deter wie auch die Vorfah- heit von Alois Alzheimers Patientin. • 35392 Gießen
ren der Wolga-Deutschen aus Hessen Telefon: 0641 99-41601
Ulrich.Mueller@humangenetik.med.uni-
stammte und an EOAD erkrankt war,
ǺǺ
giessen.de
wurde spekuliert, dass sie aus dersel- LITERATUR
ben Population stammen könnte, von
der ein Teil an die Wolga ausgewan- Graeber MB, Kösel S, Grasbon-Frodl
dert ist (Yu et al., 2010). Wir haben E, Möller HJ, Mehraein P (1998):
untersucht, ob die c.422A>T-Mutation Histopathology and APOE genotype
in PSEN2 bei Auguste Deter vorliegt. of the first Alzheimer disease pa-
Diese Mutation fand sich bei Auguste tient, Auguste D. Neurogenetics 1:
Deter nicht, wodurch die Hypothese 223-228
Spiegel der Forschung · Nr. 1/2013 77Sie können auch lesen
