Mutationen im SLC19A3-Gen bei einer Familie mit Biotin-abhängiger Basalganglienerkrankung

Abstract

Die BBGD gehört zur Gruppe der progredienten vitaminabhängigen Enzephalopathien. Sie ist gekennzeichnet durch subakute Episoden fortschreitender Bewusstseinsminderung, spastisch dystoner Bewegungsstörung und epileptischer Anfälle. Die neurologischen Symptome können infolge eines febrilen Infekts oder bei kataboler Stoffwechsellage auftreten und manifestieren sich überwiegend erstmals im frühen Kindesalter. Es ist bekannt, dass autosomal-rezessiv vererbte Mutationen im SLC19A3-Gen, das einen zerebralen Thiamin-Transporter kodiert, der BBGD zugrunde liegen. Mit einer Biotin- und/oder Thiamin-Therapie ist die Erkrankung meist dauerhaft behandelbar, jedoch in ihrer Wirkqualität uneinheitlich. Dies lässt die Hypothese zu, dass die Aktivität des SLC19A3 durch verschiedene Mutationen in unterschiedlicher Weise beeinflusst wird. In der vorgelegten Arbeit wurde erstmals ein Zusammenhang zwischen dem genetischen Profil des SLC19A3-Gens und der SLC19A3-Aktivität sowie der SLC19A3-Expression in Fibroblasten unter Hypoxie- und Azidosebedingungen hergestellt. Bei einem Kollektiv von zehn Patienten mit dem klinischen Bild einer progredienten Enzephalopathie wurden DNA-Sequenzanalysen u.a. des SLC19A3-Gens durchgeführt. Hierbei wurden bei zwei betroffenen Brüdern zwei compound-heterozygote Mutationen nachgewiesen. Es handelte sich um die Missense-Mutation p.W94R und die Deletion p.Q393fs. In transient transfizierter humaner embryonaler Nierenzellkultur (MSR293) zeigten kinetische Transportmessungen der p.W94R-Mutante eine 6,5-fach niedrigere Affinität zu Thiamin als der Wildtyp. Die Q393fs-Variante führte zum vollständigen Funktionsverlust. Mittels indirekter Immunfluoreszenz wurde die Lokalisation von Wildtyp- und W94R-Protein in kaniner Nierenzellkultur (MDCK) an der Zelloberfläche und in intrazellulären Kompartimenten nachgewiesen. Im Gegensatz dazu zeigte sich keine Integration des p.Q393*fs-Proteins in die Zellmembran. Pathoanatomisch zeigten sich ältere und neuere nekrotisch-hämorrhagische Läsionen im postmortalen Hirngewebe des verstorbenen Patienten und eine erheblich verringerte Expression von SLC19A3 in Basalganglien und Kortex in Real-Time PCR und Western-Blot. In vitro fand sich unter Azidose- und Hypoxiebedingungen eine Hochregulation von SLC19A3 in Kontroll-Fibroblasten, jedoch keine Steigerung der SLC19A3-Aktivität in Patienten-Fibroblasten. Aus diesen Ergebnissen lässt sich schlussfolgern, dass die Lokalisation, die Aktivität wie auch die Induzierbarkeit von SLC19A3 abhängig von Mutationen im SLC19A3-Gen sind. Außerdem lassen die Ergebnisse vermuten, dass die BBGD die phänotypische Ausprägung einer Kombination von herabgesetzter Thiamin-Transportkapazität und fehlender Induzierbarkeit der SLC19A3-Expression unter zellulärem Stress darstellt. BBGD depends to progredient vitamine-dependant encephalopathies. This disorder is characterized by subacute episodes of confusion, dystonia and epileptic seizures. Manifestation of neurological symptoms may be preceded by a febrile illness or occur during catabolic state and manifest predominantly in early childhood. BBGD ist caused by recessively inherited mutations in the SLC19A3 gene coding a second human thiamine transporter. Administration of biotine, thiamine or both may reverse or ameliorate neurological dysfunction, although response to treatment has been inconsistent. It could be hypothesized, that the SLC19A3 activity is influenced in a different manner by any number of mutations. A correlation between genetic profile of SLC19A3 gene and SLC19A3 protein activity as well as SLC19A3 expression in fibroblasts under hypoxic and acidic conditions could be illustrated for the first time in this research study. In a collective of ten patients with progredient encephalopathy genetic analysis of a.o. SLC19A3 gene were performed. SLCA19A3 sequencing revealed two compound heterocygote mutations in two brothers, a missense mutation p.W94R and a deletion of exon five p.Q393fs. Kinetic transport measurements revealed a decreased affinity of p.W94R- compared with wildtype-SLC19A3 in transient transfected human embryonic kidney cellculture (MSR293). The p.Q393fs mutation entirely abolished thiamine transport. Immunofluorescence demonstrated a localization of wildtype- and W94R-protein in canine kidney cellculture (MDCK) on the cell surface and in intracellular compartments. In contrast no integration of p.Q393*fs-protein in cell membrane was observed. Neuropathological findings diclosed old and newer necrotic and hemorrhagic lesions in postmortal brain tissue of the deceased patient as well as greatly decreased expression of SLC19A3 in basal ganglia and cortex in real-time PCR and Western-Blot. Under conditions of hypoxia or acidosis an upregulation of SLC19A3 in control fibroblasts, but no increasing effect of SLC19A3 acitivty in patients fibroblasts could be disclosed in vitro. Considering these results localization, activity and inducibility of SLC19A3 depends on mutation in SLC19A3 gene. Furthermore this trial provided evidence that BBGD phenotype ist the result of a reduced thiamine transport acitivity and impaired stress-mediated induction of SLC19A3 expression.