Patchwork mutations current a brand new frontier for autism analysis | Spectrum
In den späten 1990er Jahren, als Christopher Walsh daran arbeitete, das Gen zu identifizieren, das eine neurologische Entwicklungsstörung namens Doppelkortex-Syndrom verursacht, bemerkte Christopher Walsh etwas Seltsames: Die Genmutation, die er für verantwortlich hielt, die er bei zwei Geschwistern mit der Krankheit beobachtet hatte, war ebenfalls vorhanden bei ihrer nicht betroffenen Mutter.
„Wir wussten nicht, was wir damit anfangen sollten“, sagt Walsh, Leiter der Abteilung für Genetik und Genomik am Boston Children’s Hospital. “Also haben wir es irgendwie ignoriert.”
Doch als Walsh später etwas Ähnliches in einer anderen Familie bemerkte, machte er sich auf die Suche nach einer Erklärung. Jede Mutter, stellte er bald fest, war genetisch „mosaisch“ – was bedeutet, dass einige ihrer Zellen die gleiche Mutation wie ihre Kinder trugen, andere jedoch nicht. Irgendwann während der Embryonalentwicklung jeder Mutter hatte eine Zelle die Mutation spontan entwickelt und unter anderem an ihre Eizellen weitergegeben – so erhielten ihre Kinder eine mutierte Kopie des Gens. Aber den Gehirnzellen der Mütter, die aus einer anderen Entwicklungslinie stammten, fehlte die Mutation.
Seit dieser zufälligen Entdeckung vor mehr als zwei Jahrzehnten hat sich Walsh zu einem führenden Experten für Mosaikmutationen entwickelt. Er und andere Forscher haben Beweise dafür gefunden, dass eine Vielzahl von Mosaikmutationen bei Autismus eine Rolle spielen und sogar zu 3 bis 5 Prozent aller Autismusfälle beitragen können.
Trotz der vermuteten Prävalenz von Mosaikmutationen hat sich deren Auffindung als technische Herausforderung erwiesen. „Mosaikvarianten übersehen man leicht, und es ist auch leicht, Kandidaten zu finden, die nicht wirklich wahr sind [mosaics]“, sagt Jonathan Pevsner, Leiter der Abteilung für Genomikforschung am National Institutes of Mental Health.
Im Jahr 2016 haben die National Institutes of Health eine Gruppe namens Brain Somatic Mosaicism Network (BSMN), zu der Pevsner und sein Labor gehörten, einberufen, um Mosaik bei neuropsychiatrischen und neuroentwicklungsbedingten Erkrankungen zu untersuchen und Verfahren dafür zu standardisieren. Um ihre Prozesse zu optimieren, arbeiteten die BSMN-Teams unabhängig voneinander daran, Mosaikmutationen in einer einzigen Probe von Hirngewebe zu identifizieren.
„Anfangs gab es alle möglichen Unterschiede – jeder fand andere Dinge“, sagt Flora Vaccarino, Professorin für Neurowissenschaften an der Yale University, deren Labor ebenfalls Mitglied des Netzwerks war. “So schwierig ist es.” Durch die Zusammenarbeit hat das Netzwerk jedoch eine Reihe von Best Practices festgelegt, die es im März veröffentlicht hat.
Da sich die Werkzeuge zur Identifizierung von Mosaikmutationen verbessern, hoffen die Forscher, ein besseres Verständnis dafür zu erlangen, wie sie zu Autismus beitragen. Bisher deutet die Forschung darauf hin, dass sich Mosaikmutationen in vielen Fällen nicht allzu sehr von „Keimbahn“-Mutationen unterscheiden, die in allen Zellen einer Person vorhanden sind. Aber sie haben gelegentlich unerwartete Auswirkungen, und die Untersuchung dieser Fälle könnte zu einem differenzierteren Bild der genetischen Grundlagen des Autismus führen.
Fleisch und Blut:
Mosaik sei in der Genetik keineswegs eine neue Idee, sagt Anne Goriely, außerordentliche Professorin für Humangenetik an der Universität Oxford im Vereinigten Königreich. Der einflussreiche Genetiker Thomas Hunt Morgan beschrieb vor mehr als 100 Jahren Fliegen mit Mosaikmerkmalen – einer Mischung aus männlichen und weiblichen Geschlechtsmerkmalen.
Beim Menschen tritt Mosaik am deutlichsten in der Haut auf, wo gestreifte und gesprenkelte Verfärbungen Hautbereiche markieren können, die von einer einzigen mutierten embryonalen Zelle stammen. Die Entwicklungsgeschichte von Menschen mit diesen Hautmustern ist buchstäblich auf ihren Körper geschrieben.
Nach seiner ersten zufälligen Entdeckung beim Doppelkortex-Syndrom konzentrierte sich Walsh auf das neurologische Äquivalent dieser Hauterkrankungen: die fokale kortikale Dysplasie, eine Form der Epilepsie, die durch kleine Hirnläsionen verursacht wird, die auf einem Gehirnscan leicht zu erkennen sind. Der Nachweis, dass diese Epilepsien auf Mosaikmutationen zurückzuführen sind, war relativ einfach: „Die Chirurgen entfernen bequem [the lesion] und legen Sie es in Ihre Hände“, sagt Walsh. Die Sequenzierung der Genome dieses Gewebes zeigte, wie es sich von den übrigen Körperzellen unterschied.
Aber es hat sich als viel komplizierter erwiesen, Mosaikmutationen bei Autismus zu identifizieren. Walsh wurde inspiriert, solche Mutationen von seiner Arbeit über fokale kortikale Dysplasie zu suchen, basierend auf der Theorie, dass eine Mutation in einem Teil des Gehirns und nicht in einem anderen dazu beitragen könnte, die Mischung von Merkmalen einer autistischen Person zu erklären – Schwierigkeiten mit sozialen Fähigkeiten, aber Stärken in anderen Bereiche. „Wir dachten: ‚Nun, mein Gott, vielleicht passiert das gleiche bei Autismus’“, sagt er.
Theoretisch können Wissenschaftler Mosaikmutationen in Sequenzierungsdaten leicht erkennen, indem sie ein Maß verwenden, das als “Allelfraktion” bezeichnet wird. Eine Mutation, die eine Kopie eines Gens in allen Zellen des Körpers betrifft, hat einen Allelanteil von 50 Prozent. Alles darunter weist auf eine Mosaik-Mutation hin; je niedriger die Allelfraktion, desto weniger Zellen sind von einer Mutation betroffen. Aber darin liegt die Herausforderung: Mutationen, die in wenigen Zellen vorkommen, haben so kleine Allelanteile, dass sie in den Daten schwer von zufälligem Rauschen zu unterscheiden sind.
Um Mosaikmutationen genau zu identifizieren, ist eine hohe „Sequenzierungstiefe“ erforderlich – das heißt, dieselbe Region des Genoms muss viele Male sequenziert werden. In der Vergangenheit war es unerschwinglich, eine ausreichende Sequenzierungstiefe zu erhalten, um Mosaikmutationen bei einem einzelnen Individuum zu untersuchen, sagt Vaccarino.
Aber in den letzten 20 Jahren, sagt sie, sind diese Kosten um das 100-fache gesunken. Als Ergebnis waren Walsh und andere in der Lage, Mosaikmutationen in Blutproben von autistischen Menschen und ihren nicht-autistischen Verwandten zu finden.
Mosaikzellen sind jedoch nicht gleichmäßig über den Körper verteilt. Eine Mutation, die im Blut fehlt, könnte also immer noch im Gehirn vorhanden sein. „Der Nachteil von Blutuntersuchungen besteht darin, dass man nur Mutationen identifizieren kann, die während der ersten Dutzend Zellteilungen auftreten.“ [in an embryo]“, sagt Walsh, „denn danach werden Blut und Gehirn getrennt. Wir wissen also nicht, wie viele Mutationen sich im Gehirn verstecken.“
So haben er und seine Kollegen auch postmortales Hirngewebe auf der Suche nach Mosaikmutationen bei Autismus untersucht. Hier besteht die Herausforderung darin, dass diese Muster knapp sind. Unter Proben von mehr als 50 autistischen Menschen fanden sie einige interessante Fälle – darunter eine Mutation des mit Autismus verbundenen Gens CACNA1A in 10 Prozent der Gehirnzellen einer Person. Da die Anzahl der Proben jedoch so gering war, konnte nicht festgestellt werden, inwieweit eine der gefundenen Mosaikmutationen tatsächlich zu Autismus beigetragen hatte.
Zelluläre Hinweise:
Die Jagd nach Mosaikmutationen mag wie eine undankbare Suche erscheinen – sie können schwer zu finden sein und tragen wahrscheinlich nur zu einem kleinen Bruchteil der Autismusfälle bei. Aber „das Studium des Mosaikismus ist Teil eines systematischen Versuchs, mögliche Ursachen von . zu verstehen [phenotypic] Abwechslung“, sagt Pevsner.
Als Walsh und seine Kollegen in Blutproben von Autisten nach Mosaikmutationen suchten, identifizierten sie einige in mit Autismus verbundenen Genen wie SCN2A. Vermutlich hatten viele dieser Mosaik-Mutationen die gleiche Wirkung wie Nicht-Mosaik-Mutationen in denselben Genen – nur in weniger Zellen. Sie fanden aber auch Mutationen in Genen, die zuvor nicht mit Autismus in Verbindung gebracht wurden, wie SMARCA4, bei dem Nicht-Mosaik-Mutationen eine seltene neurologische Entwicklungsstörung namens Coffin-Siris-Syndrom verursachen können.
Und als sich das Team auf Variationen der Kopienzahl konzentrierte – Mutationen, bei denen ein erheblicher Teil eines Chromosoms dupliziert oder gelöscht wurde – fanden sie bei Menschen mit Autismus erneut zuvor unbekannte Varianten. Aber überraschenderweise traten Mosaikmutationen in mit Autismus verbundenen Kopienzahlvarianten wie 16p11.2 nur bei nicht-autistischen Menschen auf. „Es gibt fast nicht überlappende Mutationen, die Ihnen Mosaik-Autismus verleihen, im Gegensatz zu Keimbahn-Autismus, wenn wir über Varianten der Kopienzahl sprechen“, sagt Walsh.
Bei genauerer Betrachtung der SMARCA4-Mutationen stellten Walsh und seine Kollegen fest, dass es sich bei den Mutationen um „Missense-Mutationen“ oder einzelne DNA-„Buchstaben“-Vertauschungen handelt, die potenziell signifikante Abweichungen im Protein eines Gens verursachen. Diese Missense-Mutationen scheinen ein anderes mit Autismus verbundenes Gen, GRIN2B, herunterzuregulieren.
Die Untersuchung von Mosaikmutationen könnte Wissenschaftlern helfen, mehr Missense-Mutationen bei Autismus zu finden, sagt Elaine Lim, Assistenzprofessorin für Molekular-, Zell- und Krebsbiologie an der University of Massachusetts, die Postdoc in Walshs Labor war. Forscher könnten Mosaik-Missense-Mutationen übersehen, die dazu führen, dass ein Protein besser oder auf eine neue Weise funktioniert, sagt sie. Aber einige Missense-Mosaik-Mutationen könnten zum Beispiel dazu führen, dass sich Zellen vermehren, was diesen Mutationen einen höheren Allelanteil verleihen würde – was ihre Entdeckung erleichtert.
In anderen Fällen könnte das Auffinden von Mosaikmutationen bei autistischen Menschen den Forschern helfen, Gene zu erkennen, die zuvor nicht als Träger von Mutationen beobachtet wurden, sagt August Yue Huang, Dozent für Pädiatrie an der Harvard Medical School. „Einige der Gene sind vielleicht zu wichtig“, sagt Huang. „Der menschliche Körper kann es also nicht tolerieren [a] Keimbahnmutation“, die alle Körperzellen betrifft. Aber wenn nur einige Zellen betroffen sind, kann die Person, die diese Mutation trägt, möglicherweise überleben – und Wissenschaftler können dann das Gen identifizieren.
Diese Situation erklärt einige seltene Fälle von Männern mit Rett-Syndrom – eine Erkrankung, die fast ausschließlich bei Frauen auftritt. Die verantwortlichen Mutationen in einem Gen auf dem X-Chromosom sind ohne zusätzliche, nicht mutierte Versionen des Gens tödlich. Frauen haben eine zweite Kopie des X-Chromosoms und damit eine Sicherungskopie des Gens; Männchen mit Mosaikmutationen können auch überleben, da in einigen ihrer Zellen noch gesunde X-Chromosomen vorhanden sind.
Gelegentlich können Mosaikmutationen völlig unerwartete Auswirkungen haben. Zum Beispiel erkennen sich Zellen während der Entwicklung gegenseitig anhand ihrer Version des X-chromosomalen Gens PCDH19. Wenn alle Zellen die gleiche Version tragen, ob mutiert oder nicht, läuft die Gehirnentwicklung wie gewohnt ab. Bei einer PCDH19-Mosaikmutation können sich entwickelnde Zellen jedoch nicht richtig erkennen, was letztendlich zu Epilepsie führt.
Eine ähnliche Mischung aus mutierten und nicht mutierten Zellen könnte zu Autismus beitragen, sagt Walsh, obwohl er bisher keine Beweise dafür gefunden hat. „Einige dieser Mosaikdinge können auch Unheil anrichten, nur weil die Zellen nicht gleichwertig sind“, sagt er. “Aber das wissen wir nicht genau.”
Patchwork-Rätsel:
Obwohl Mosaikmutationen bei autistischen Menschen mysteriös bleiben, hat ihre Anwesenheit bei nicht betroffenen Eltern bereits ihren Weg in die Klinik gefunden. Wie die Mutter, die Walsh ursprünglich inspirierte, sind einige Eltern von Kindern mit syndromalen Formen von Autismus – solche, die durch Mutationen eines einzelnen Gens verursacht werden – ein Mosaik für dieselben Gene. Wenn die Mutation einige Teile ihres Körpers, einschließlich des Gehirns, verschont, aber ihre Spermien oder Eizellen betrifft, können sie sie unwissentlich an ihre Kinder weitergeben.
Das Wissen um die Mosaikmutation eines Elternteils kann die genetische Beratung und Familienplanung beeinflussen. So werden die meisten Fälle des Rett-Syndroms durch de novo-Mutationen verursacht, die spontan in einzelnen Spermien oder Eizellen oder nach einer Befruchtung entstehen. In solchen Fällen ist es äußerst unwahrscheinlich, dass Eltern andere Kinder mit der gleichen Erkrankung haben. Aber wenn einer der Elternteile tatsächlich ein Mosaik für diese Mutation ist und ein Kind hat, das die Mutation geerbt hat, werden zukünftige Kinder mit viel größerer Wahrscheinlichkeit denselben Zustand haben. “Das Risiko [of recurrence] ist entweder nichts oder extrem hoch“, sagt Goriely.
Während Gruppen wie die Teams, die das Brain Somatic Mosaicism Network bildeten, ihre Techniken verfeinern, könnten Wissenschaftler beginnen zu klären, wie Mosaikmutationen zu Autismus beitragen. Eine billigere Sequenzierung bedeutet, dass Wissenschaftler immer seltenere Mutationen finden können; neue Einzelzelltechniken ermöglichen es Wissenschaftlern, die Beziehung zwischen Mosaikmutationen und Genexpression zu untersuchen; und Forscher haben möglicherweise einen Weg gefunden, die Einschränkungen von Gehirnproben zu überwinden, indem sie Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit zur Identifizierung von Gehirnmosaik-Mutationen verwendet haben, was ihnen bei einigen lebenden Menschen mit Epilepsie gelungen ist.
Mosaikforscher, die sich auf neurologische Entwicklungsstörungen konzentrieren, sagen, dass sie diese technologischen Entwicklungen mit Spannung erwarten. Im Moment, sagt Pevsner, “tauchen wir wirklich in das Unbekannte ein.”
Zitiere diesen Artikel: https://doi.org/10.53053/NGKS2219
