Jahrelang war es Forschern nicht möglich, die häufigste genetische Ursache von ALS zu finden, aber jetzt ist die Behandlung auf dem Vormarsch.
Von Elie Dolgin
In der Familie von Mark Price gibt es eine lange Geschichte neurologischer Erkrankungen. Seine Schwester und sein Onkel starben an Amyotropher Lateralsklerose (ALS) und seine Mutter und Tante litten an Demenz. Doch erst als er 2010, kurz vor der Hochzeit seiner Tochter Sharon, selbst anfing, aus dem Nähkästchen zu plaudern, wurde ihm klar, dass die tragische Krankheitsgeschichte der Familie eine genetische Ursache haben könnte.
Im Laufe des Jahres wurde bei Price ALS diagnostiziert und Sharon fragte sich, ob sie – oder ihre zukünftigen Kinder – die nächsten sein würden. Ich gab meine Pläne für eine Weile auf und sagte mir: ‚Ich kann nicht anfangen, Kinder zu bekommen, bevor das nicht vollständig geklärt ist’“, erinnert sich Sharon, die damals 26 Jahre alt war. Zunächst konnten Sharon Prices Ärzte keine Defizite in den damals bekannten ALS-bezogenen Genen feststellen. Im September 2011 wurde dann bekannt, dass zwei Wissenschaftlerteams ein neues Gen gefunden hatten, das mit ALS in Verbindung steht und das bis zu 40 % der familiären Fälle und 10 % der sporadischen Fälle erklären könnte. Darüber hinaus war dieses Gen die Ursache für etwa 30 % der erblichen Fälle einer Krankheit, die als Frontotemporale Degeneration (FTD) bekannt ist. Und schließlich erklärte es, warum diese neurodegenerative Krankheit häufig Mitglieder von Familien betrifft, die auch an der Motoneuronenkrankheit (ALS) leiden, wie z. B. Price‘ Familie.
Mark Price auf einem Familienfoto mit seinen Töchtern im Jahr 1988. Im Jahr 2011 wurde bei ihm ALS diagnostiziert und es wurde festgestellt, dass er ein defektes C9ORF72-Gen hat.
Der genetische Übeltäter wird C9ORF72 genannt – nach seiner Lage auf Chromosom 9 in einer Region, die als offener Leserahmen (ORF) 72 bekannt ist und ein ungewöhnliches Nukleotidsequenzmuster aufweist. Bei einigen Menschen mit ALS oder FTD wird ein kurzes Stück DNA in einem nicht codierenden Teil von C9ORF72 hunderte oder sogar tausende Male wiederholt; bei gesunden Menschen wird dieselbe Sequenz – GGGGCC – weniger als zwei Dutzend Mal wiederholt.
Anfang 2012 wurde Price auf diesich wiederholende ErweiterungC9ORF72 getestet. Der Test war positiv und er verstarb ein Jahr später. Während Sharon und ihre beiden Schwestern um ihren Vater trauerten, mussten sie sich auch mit der Tatsache auseinandersetzen, dass jede von ihnen eine 50 %ige Chance hatte, die genetische Anomalie zu tragen. Sie mussten nun entscheiden, ob sie sich testen lassen wollten oder nicht.
Haussuche
Die Geschichte von C9ORF72 beginnt mit dem deutschen Psychiater Anton von Braumühl, der 1932 erstmals die Verbindung zwischen ALS und FTD herstellte. Doch erst Mitte der 2000er Jahre, als die Gene mehrerer Generationen großer Familien, die von den beiden Krankheiten betroffen waren, untersucht wurden, begannen die Forscher, sich auf den kurzen Arm von Chromosom 9 als Wirt des fraglichen Gens zu konzentrieren. Bis 2010 hatten sie das Untersuchungsgebiet auf einen Strang von 232.000 Nukleotiden reduziert – winzig für genomische Verhältnisse. Keines der vier Gene in dieser Region enthielt jedoch proteinverändernde Mutationen, die den Zusammenhang zwischen den Krankheiten erklären könnten.
„Es ist so, als ob wir wüssten, welche Straße wir suchen müssen, aber nicht das genaue Haus kennen“, erklärt Ammar Al-Chalabi, Neurologe und klinischer Genetiker am King’s College London.
Die Jagd nach dem verantwortlichen Gen war eröffnet. Mindestens fünf europäische und nordamerikanische Forschungsteams machten sich auf die Suche nach dem Gen. Viele dachten, sie wären aus dem Schneider, aber C9ORF72 erwies sich als „sehr hinterhältig“, erklärt Ekaterina Rogaeva, Molekulargenetikerin an der Universität von Toronto in Kanada. „Es ist nicht gerade ein einfaches Arbeitsfeld“.
Eine Gruppe unter der Leitung von Rosa Rademakers, einer Neurogenetikerin an der Mayo Clinic in Jacksonville, Florida, untersuchte drei Generationen derselben Familie, deren 10 Mitglieder an ALS, FTD oder beidem erkrankt waren. Sie wussten nicht genau, wonach sie in den Genomen dieser Patienten suchen sollten, „also haben wir nach allem gesucht, was verdächtig aussah“, sagt Rademakers. Wir haben also nach allem gesucht, was verdächtig aussah“, erklärt Rademakers. Dazu gehörte auch der GGGGCC-reiche Teil von C9ORF72.
Sie und ihre Kollegen nutzten die Polymerase-Kettenreaktion (PKR), um diese Region zu erweitern, und stellten ein ungewöhnliches Vererbungsmuster fest: Bei jedem Familienmitglied mit einer neurodegenerativen Erkrankung zeigte der PKR-Test zwei identische Kopien von C9ORF72 an, während sie eigentlich unterschiedliche Varianten hätten haben müssen.
Für Rademakers war das ein Rätsel, bis sie erkannte, dass der Gendefekt größer war als die Obergrenze, die PKR auslesen konnte. Also wandten sie und ihre Kollegen eine empfindlichere Technik an, die so genannte Repeat Primer PKR, und beobachteten eine große Expansion der Repeats – allerdings nur bei den betroffenen Familienmitgliedern. Keines der gesunden Familienmitglieder und auch nicht die tausend gesunden Kontrollfälle zeigten diese Repeat-Expansion.
Die Forscher untersuchten 696 andere Menschen mit ALS oder FTD, um sicherzustellen, dass dieses Wiederauftreten nicht nur in der untersuchten Familie vorkam. Sie fanden die C9ORF72-Mutation bei 59 nicht verwandten Personen, darunter 22, in deren Familie keine neurodegenerative Erkrankung bekannt war. Weitere Experimente zeigten, dass der GGGGCC-Strang mindestens 700 Mal wiederholt wurde.
Rademakers erinnert sich an seine Aufregung über diese Entdeckung, die nicht ohne Folgen bleiben konnte. Etwa zur gleichen Zeit machte ein internationales Konsortium unter der Leitung von Bryan Traynor, einem Neurologen und Genetiker am US National Institute on Aging in Bethesda, Maryland, die gleiche Entdeckung. Traynor erfuhr von der Ausweitung der Wiederholungen aufgrund technischer Unzulänglichkeiten bei einer anderen Methode der DNA-Analyse – der Sequenzierung der nächsten Generation. „Es war aufregend, vor dem Computer zu sitzen und herauszufinden, was wirklich los war“, sagt er.
Die beiden Teams veröffentlichten ihre Ergebnisse gleichzeitig im September 2011 in Neuron und schlugen die anderen Gruppen. „Sie waren zwar schneller als wir“, sagt Al-Chalabi, „aber damit waren wir eigentlich zufrieden“.
Dank der In-vitro-Fertilisation konnten Sharon Stone (links) und Jodie Price, die Töchter von Price, vermeiden, das defekte Gen an ihre Kinder weiterzugeben. Foto: Sarah Keayes/The Photo Pitch
Aufregende Zeiten
Diese Entdeckung hatte eine unmittelbare Auswirkung. Die Häufigkeit der C9ORF72-Krankheit bei Patienten „machte jedem, der sich ernsthaft für ALS interessierte, klar, dass wir an diesem Thema arbeiten mussten“, erklärt Pamela Shaw, eine Neurologin an der Universität Sheffield in Großbritannien.
Brian Dickie, Direktor für Forschung und Entwicklung bei der Motor Neurone Disease Association in Northampton, Großbritannien, erinnert sich, wie er im September von London zu einem Treffen in den USA flog. Es war fünf Tage nach der Veröffentlichung der Abhandlungen von Rademakers und Traynor. Mehrere ALS-Forscher und Kliniker waren an Bord, und einer von ihnen hatte Kopien der Manuskripte dabei. „Während des Fluges haben wir sie herumgereicht“, sagt Dickie. „Es war sehr aufregend.
Mehrere Arzneimittelhersteller waren an dieser Entdeckung interessiert. „Es war schwer, die Entdeckung von C9ORF72 zu ignorieren“, erklärt Brian Zambrowicz, Leiter der Abteilung für funktionelle Genomik bei Regeneron Pharmaceuticals, einem Unternehmen mit Sitz in Tarrytown, New York, das gegründet wurde, um neurodegenerative Krankheiten zu bekämpfen, seine Strategie aber vor 20 Jahren erweitert hat, nachdem sein erster Medikamentenkandidat zur Behandlung von ALS gescheitert war. Laut Zambrowicz veranlasste die Entdeckung von C9ORF72 das Unternehmen dazu, sich wieder auf ALS-Therapien zu konzentrieren, und begann mit der Entwicklung eines C9orf72-Mausmodells.
Ionis Pharmaceuticals, das sich auf RNA-basierte Antisense-Therapien spezialisiert hat, die krankheitsverursachende Gene ausschalten können, hat ebenfalls sehr schnell reagiert. „An dem Tag, an dem die Verträge veröffentlicht wurden, haben wir sofort einen Plan ausgearbeitet“, erinnert sich Frank Bennett. Er ist Senior Vice President of Research bei Ionis mit Sitz in Carlsbad, Kalifornien. Innerhalb von zwei Jahren konnten Frank Bennett und seine akademischen Mitarbeiter nachweisen, dass ein Antisense-Medikament die abweichende Menge an C9ORF72 mRNA in Zellkulturen reduzieren konnte. Etwas mehr als zwei Jahre später hatten sie den Wirksamkeitsnachweis für Mausmodelle erbracht. Ein wichtiger Wirkstoffkandidat von Ionis durchläuft derzeit präklinische Toxikologiestudien, die Anfang nächsten Jahres mit Tests am Menschen beginnen sollen.
Laut Lucie Bruijn, der wissenschaftlichen Leiterin der ALS Association in Washington DC, lässt sich die Geschwindigkeit dieser Entwicklungen zum Teil durch den Zustrom von Forschern erklären, die den Mechanismen auf die Spur kommen wollen, durch diedieC9ORF72-Interferenz zur Krankheit führt. Die wiederholte Ausdehnung erinnerte an jene, die bei anderen neurodegenerativen Erkrankungen gefunden wurden, insbesondere bei der Huntington-Krankheit, der myotonen Dystrophie und der spinozerebellären Ataxie. Außerdem gab es eine genetische Überschneidung mit FTD. In der Vergangenheit arbeiteten Forscherinnen und Forscher, die diese Hirnerkrankungen untersuchten, isoliert, doch nach der Entdeckung von C9ORF72 schlossen sie sich zusammen, um ein gemeinsames Ziel zu verfolgen.
„Plötzlich interessierten sich viele Kliniker und Wissenschaftler für ALS“, sagt Bruijn. „Das gab dem Fachgebiet einen enormen Auftrieb“. Die Idee, warum GGGCC-Mutationen ALS oder FTD verursachen könnten, hatte wenig mit der Ausdehnung des Repeats zu tun, sondern vielmehr mit dem normalen Protein C9ORF72. Rademakers fand heraus, dass die Werte des normalen Proteins bei Menschen mit der genetischen Störung reduziert waren. Obwohl wenig über die Rolle dieses Proteins bekannt ist, wird angenommen, dass es am Transport von Molekülen innerhalb der Zellen beteiligt ist. Rademakers‘ Beobachtung deutet darauf hin, dass niedrigere Werte des normalen C9ORF72 für die pathologischen Reaktionen des Gehirns verantwortlich sein könnten.
Erste Studien schienen diese Hypothese zu widerlegen. Mäuse, deren Neuronen wenig oder gar kein C9orf72-Protein exprimierten, zeigten kein Verhalten, das auf eine neurodegenerative Erkrankung hindeuten könnte, und ihre Gehirne wiesen keine für ALS oder FTD typischen molekularen Merkmale auf. In jüngster Zeit haben jedoch mehrere Teams Immunschwächen bei Mäusen festgestellt, denen C9orf72 in allen Geweben fehlte. Zusammengenommen deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass eine geringere Menge an aktivem C9orf72 per se keine neuronale Degeneration verursacht, obwohl veränderte Immunreaktionen die Schwere oder das Fortschreiten der Krankheit verschlimmern können. „Dies könnte ein Faktor sein“, sagt der Neurowissenschaftler Jeroen Pasterkamp vom University Medical Centre Utrecht in den Niederlanden, „aber in Kombination mit anderen Mechanismen“.
Zu erledigende Arbeit
Der offensichtlichste alternative Mechanismus ist die RNA-Toxizität. Andere Krankheiten, die durch Erweiterungen von nicht-kodierenden Wiederholungen verursacht werden, lassen sich durch Aggregate von abweichender RNA im Zellkern erklären, die sich an „Hausproteine“ binden, die normalerweise für das ordnungsgemäße Funktionieren der Zelle verantwortlich sind, sich aber nun festgefressen haben. Auf der Grundlage dieser Hypothese schufen der Molekularneurowissenschaftler Adrian Isaacs und seine Kollegen vom University College London transgene Fruchtfliegen, um zu prüfen, ob diese Aggregate krankheitsauslösend sind. Und sie erlebten eine Überraschung.
Fliegen mit mehr als 100 GGGGCC-Wiederholungen zeigten Anzeichen von C9ORF72-vermittelter Neurodegeneration – aber nur, wenn die RNA, die die Wiederholungen enthält, in ein Protein übersetzt werden konnte, und nicht, wenn die RNA mit Übersetzungsstoppsignalen verwickelt war. Mit anderen Worten: Die RNA-Aggregate als solche reichten nicht aus, um die Krankheit auszulösen. Die missgebildeten Proteine schienen die wahren Übeltäter zu sein. „Ich war überzeugt, dass es sich um RNA-Toxizität handeln würde“, sagt Isaacs, „aber die Daten der Fliegen sprachen eine andere Sprache“.
Proteine, die aus der GGGGCC-Expansion entstehen, werden durch einen ungewöhnlichen Prozess gebildet, der kein Startsignal erfordert und sogar bei wiederholten Sequenzen in nicht-kodierenden Genregionen auftreten kann. Laura Ranum, Neurogenetikerin am University of Florida College of Medicine in Gainesville, beschrieb dieses Phänomen 2010 als Erste anhand von Gewebe von Menschen mit spinozerebellarer Ataxie und myotoner Dystrophie sowie von Mausmodellen dieser Krankheiten.
Laut Ranum wurden seine Erkenntnisse von der Forschungsgemeinschaft weitgehend ignoriert. Viele bezweifelten, dass der Mechanismus wirklich existiert. Doch dann kam das Symposium on RNA Binding Proteins in Neurological Diseases im November 2011 in Arlington, Virginia, wo Rademakers und Traynor über C9ORF72 und Ranum über die ungewöhnliche Form der Proteinübersetzung sprachen. Die Verbindung war schnell hergestellt.
Dieter Edbauer saß im Publikum und hörte Ranum zu. Er erinnert sich, dass er seinen Laptop herausholte, um zu sehen, welche Art von Proteinen die Erweiterung von C9ORF72 erzeugen könnte. Da die Wiederholung sechs Nukleotide lang ist – und die Proteinsynthese von einem Triplett-Code abhängt – erkannte Edbauer, dass C9ORF72 eine Handvoll verschiedener Proteine produzieren könnte, die jeweils zwei Aminosäuren enthalten und sich endlos wiederholen. Er tippte jedes dieser potenziellen Dipeptid-Wiederholungsproteine ein. „Ich schaute nach links und rechts, um zu sehen, ob jemand sah, was ich tat“, erinnert sich Edbauer, der als molekularer Neurowissenschaftler am Deutschen Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen in München tätig ist. „Ich dachte, dass alle die gleiche Idee hatten, aber das war nicht der Fall“.
Fünfzehn Monate später, im Februar 2013, berichteten Edbauer und Kollegen, dass sich diese Proteine in den Gehirnen von Menschen mit C9ORF72 anreichern. Wenige Tage später veröffentlichten Rademakers und Kollegen an der Mayo Clinic unter der Leitung des molekularen Neurowissenschaftlers Leonard Petrucelli ähnliche Ergebnisse. Ranum tat dasselbe noch vor Ende des Jahres.
Seitdem mehren sich die Hinweise darauf, dass zumindest einige der repetitiven Proteine „eindeutig toxisch und bösartig“ sind, sagt Paul Taylor, Molekulargenetiker am St Jude Children’s Research Hospital in Memphis, Tennessee. Es scheint, dass diese Proteine Neurodegeneration verursachen, indem sie den Transport von molekularer Ladung zwischen dem Kern und dem Zytoplasma in den Gehirnzellen stoppen. „Die wesentliche Störung von C9ORF72 ist mit diesem Kerntransport verbunden“, erklärt Jeffrey Rothstein, Neurologe an der Johns Hopkins University School of Medicine in Baltimore, Maryland.
Mit dem Finger auf die Schuldigen zeigen
Einige Forscher sind nun bereit, diese problematischen Proteine als alleinige Schuldige für C9ORF72-vermittelte Krankheiten zu benennen. „Um es ganz klar zu sagen: Die toxischen Polydipeptide tragen nicht zur Krankheit bei, sondern liegen ihr zugrunde“, sagt Steven McKnight, Biochemiker am University of Texas Southwestern Medical Center in Dallas. McKnight glaubt, dass die RNA-Aggregate und die Verringerung des normalen C9ORF72-Proteinspiegels „eher unbedeutend“ sind.
Die meisten Forscher bleiben jedoch skeptisch. „Für diese einfachen Modellsysteme sind die Beweise, dass das Protein giftig ist, überwältigend“, sagt Aaron Gitler, ein molekularer Neurowissenschaftler an der Stanford University School of Medicine in Kalifornien, aber er fügt hinzu: „Im Zusammenhang mit menschlichen Krankheiten könnte es immer eine Kombination von Faktoren sein, und ich muss mir alle Optionen offen halten.“
Die Debatte über die Mechanismen der Krankheit ist nicht nur theoretisch: Sie ist die Grundlage für die Entwicklung von Medikamenten. Einige Unternehmen, darunter Neurimmune in Zürich (Schweiz) und Voyager Therapeutics in Cambridge (Massachusetts), konzentrieren sich ausschließlich auf die Blockierung der sich wiederholenden Proteine oder versuchen, ihre Herstellung zu verhindern, während andere, wie Karyopharm Therapeutics in Newton (Massachusetts), hoffen, Defizite im Kerntransport zu hemmen, ohne direkt auf die Produkte des C9ORF72-Gens abzuzielen.
Einige therapeutische Strategien, wie z. B. Antisense, sind jedoch nicht von der genauen Art des Mechanismus abhängig. Da Antisense-Medikamente die Produktion von RNA und Proteinen stoppen können, spielt es keine Rolle, welcher Faktor in den Gehirnzellen die Ursache ist“, erklärt Paul Bolno, CEO von Wave Life Sciences in Cambridge, Massachusetts, das sich darauf vorbereitet, im nächsten Jahr eine Antisense-Therapie gegen C9ORF72 an Patienten zu testen. Und da die Konzentration der Wiederholungsproteine im Liquor nachgewiesen werden kann, lässt sich leicht feststellen, ob das Medikament wirkt oder nicht. „Man hat einen messbaren Biomarker“, sagt Bolno.
Angesichts der Geschwindigkeit, mit der die Forschung der Arzneimittelhersteller voranschreitet, ist es durchaus möglich, dass eine wirksame Therapie für C9ORF72-vermittelte Krankheiten zur Verfügung stehen wird, wenn Mark Prices Verwandte Symptome der Neurodegeneration zeigen. Seine jüngste Tochter Haley ist von dieser Aussicht ermutigt. „Ich ziehe den Hut vor der wissenschaftlichen Gemeinschaft“, sagt sie. Andererseits macht sie sich Sorgen, dass die politischen Entscheidungsträger nicht genug tun, um die heute verfügbaren präventiven Gesundheitsmaßnahmen zur Vermeidung von C9ORF72-bedingten Krankheiten zu unterstützen.
In dem Wunsch, die Familie zu vergrößern, ließen sich Haley und ihre Schwestern kurz nach dem positiven Test ihres Vaters auch auf C9ORF72 testen. „Leider“, sagt die älteste Schwester Jodie, „gab es schlechte Nachrichten für alle“. Seitdem haben sich beide Schwestern mehrmals einer In-vitro-Fertilisation unterzogen. Dabei haben sie die Embryonen auch auf die C9ORF72-Krankheit untersuchen lassen, bevor sie sie eingepflanzt haben. Emotional, körperlich und finanziell war es für sie alle schwer. Allein die Kosten dafür schätzten sie auf rund 100.000 Euro. Aber am Ende war es „die Bestätigung, dass die Wissenschaft Wunder vollbringt und wir diesen Familienfluch loswerden können“, sagt Haley.
Sharons Sohn Jack feierte kürzlich seinen dritten Geburtstag, Jodie wird Mitte November eine Tochter zur Welt bringen und Haley hat zwei eingefrorene Embryonen, die nach ihrer Hochzeit am 9. Dezember eingesetzt werden können.
Übersetzung: Bart De Becker
Quelle: Natur Ausblick