Funktionelle Konsequenzen von Mutationen im Melanocortin-4-Rezeptorgen bei adipösen Kindern und Jugendlichen

Der Melanocortin-4-Rezeptor spielt eine zentrale Rolle in der Gewichtsregulation, er vermittelt (indirekt) die anorexigenen Effekte des Leptin, indem er nach Aktivierung eine Einstellung der Nahrungsaufnahme und eine Erhöhung der Stoffwechselrate bedingt. Er ist der Familie der G-Protein-gekoppelten-Rezeptoren zuzuordnen und koppelt an ein Gs-Protein, welches die Adenylylcyclase aktivieren kann. Das Rezeptorprotein besteht aus 332 Aminosäuren und wird durch ein einziges Exon in der humanen Chromosomen-region 18q22 kodiert. Den endogenen Agonisten am Melanocortin-4-Rezeptor stellt das alpha-MSH dar, welches dem Vorläuferprotein Proopiomelanocortin (POMC) entstammt. Zahlreiche Mutationen im MC4R-Gen konnten bis zum heutigen Tage gefunden werden, die Hoffnung, hierin eine Hauptursache für die extreme kindliche Adipositas gefunden zu haben, hat sich leider nicht bestätigen können. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine sehr große Patientenpopulation (808 Kinder und Jugendlich mit einem durchschnittlichen BMI> 30 kg/m2), sowie deren Eltern auf Mutationen im Melanocortin-4-Rezeptor-Gen hin untersucht. Dabei ergab sich ein signifikant höherer Anteil von Trägern relevanter Mutationen als in der unter- bis normalgewichtigen Kontrollgruppe. Um die funktionelle Relevanz der 16 neu detektierten Mutationen untersuchen zu können, wurden diese zunächst in den Expressionsvektor pSG5 kloniert. Im Anschluss transfizierten wir COS7-Zellen mit den entsprechenden Proben und führten den cAMP-Akkumulations-Assay durch. Im Rahmen dieser Untersuchung zeigten die 16 Mutationen sehr unterschiedliche Verhaltensweisen. Ein Teil zeigte eine deutliche Reduktion der cAMP-Spiegel unter Stimulation mit alpha-MSH gegenüber denen des Wildtyp-Rezeptors. Ein anderer Teil zeigte Konzentrations-Wirkungskurven, die der des Wildtyps entsprachen. Zwei der von uns untersuchten Rezeptorvarianten (S127L und P230L) zeigten gar ohne Stimulation durch den entsprechenden Liganden Basalwerte, die weit über dem des Wildtyp-Allels lagen, so dass wir hier eine konstitutive Aktivität der Rezeptorproteine postulierten. Gerade die physiologische oder gar die gesteigerte Aktivität der veränderten Rezeptorproteine unter Agonisten-Stimulation lässt sich dabei nur schwer zur Erklärung des adipösen Phänotyps des betroffenen Probanden heranziehen. Der von uns ebenfalls im cAMP-Assay untersuchte, weit verbreitete Polymorphismus V103I zeigte in seiner Dosis-Wirkungskurve nur geringe Abweichungen von den Werten des Wildtyp-Rezeptors. Da sich ein Teil der Ausfälle in der Funktionalität bei Mutationen des MC4R-Gens durch einen gestörten Transport der veränderten Proteine in die Plasmamembran erklären lässt, untersuchten wir einige der Rezeptoren außerdem im Zelloberflächen-ELISA. Im ELISA ergab sich eine Reduktion der Oberflächen-expression der Mutationen G181D und S94R (welche bereits im cAMP-Assay einen totalen Funktionsausfall gezeigt hatten). Die von uns als konstitutiv aktiv deklarierten Rezeptorvarianten S127L und P230L zeigten jedoch wider Erwarten keinen behinderten Transport an die Zelloberfläche, im Gegenteil erschien die Zelloberflächen-Expression gegenüber der des Wildtyp-Rezeptors eher erhöht. Die restlichen im ELISA untersuchten Rezeptorvarianten zeigten eine ähnliche Expression an der Zelloberfläche wie der Wildtyp-MC4R. Auch der intrazelluläre Verbleib der veränderten Rezeptorproteine reicht hier also zur Klärung der Ursache der Fettsucht des betroffenen Patienten nicht aus. Die Frage, welche Bedeutung bestehenden Mutationen im Melanocortin-4-Rezeptor-Gen im Hinblick auf den adipösen Phänotyp des betroffenen Individuums zukommt, konnte von uns nur teilweise gelöst werden: Die Annahme eines autosomal dominanten Erbganges kann vor dem Hintergrund der Ergebnisse der funktionellen Untersuchungen (und vorheriger Beschreibungen schlanker, heterozygoter Träger funktionell relevanter Mutationen) eindeutig verneint werden. Aufgrund der Tatsache, dass in unserer Studienpopulation signifikant mehr Träger einer funktionell relevanten Mutation (15) auftraten (gegenüber keiner funktionell relevanten Mutation innerhalb der Kontrollgruppe) und alle funktionell relevanten Mutationen zudem von den Eltern auf ihre Kinder weitervererbt worden waren, konnten wir einen „major-gene-effect“ von funktionell relevanten MC4R-Varianten auf den Phänotyp des betroffenen Individuums postulieren. Da Melanocortin-4-Rezeptor-Mutationen jedoch nur für einen sehr geringen Prozentsatz der Adipositas-Fälle verantwortlich gemacht werden können, haben sie eine geringe epidemiologische, bei gleichzeitiger hoher individueller Relevanz

Funktionelle Konsequenzen von Mutationen im Melanocortin-4-Rezeptorgen bei adipösen Kindern und Jugendlichen

Der Melanocortin-4-Rezeptor spielt eine zentrale Rolle in der Gewichtsregulation, er vermittelt (indirekt) die anorexigenen Effekte des Leptin, indem er nach Aktivierung eine Einstellung der Nahrungsaufnahme und eine Erhöhung der Stoffwechselrate bedingt. Er ist der Familie der G-Protein-gekoppelten-Rezeptoren zuzuordnen und koppelt an ein Gs-Protein, welches die Adenylylcyclase aktivieren kann. Das Rezeptorprotein besteht aus 332 Aminosäuren und wird durch ein einziges Exon in der humanen Chromosomen-region 18q22 kodiert. Den endogenen Agonisten am Melanocortin-4-Rezeptor stellt das alpha-MSH dar, welches dem Vorläuferprotein Proopiomelanocortin (POMC) entstammt. Zahlreiche Mutationen im MC4R-Gen konnten bis zum heutigen Tage gefunden werden, die Hoffnung, hierin eine Hauptursache für die extreme kindliche Adipositas gefunden zu haben, hat sich leider nicht bestätigen können. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine sehr große Patientenpopulation (808 Kinder und Jugendlich mit einem durchschnittlichen BMI> 30 kg/m2), sowie deren Eltern auf Mutationen im Melanocortin-4-Rezeptor-Gen hin untersucht. Dabei ergab sich ein signifikant höherer Anteil von Trägern relevanter Mutationen als in der unter- bis normalgewichtigen Kontrollgruppe. Um die funktionelle Relevanz der 16 neu detektierten Mutationen untersuchen zu können, wurden diese zunächst in den Expressionsvektor pSG5 kloniert. Im Anschluss transfizierten wir COS7-Zellen mit den entsprechenden Proben und führten den cAMP-Akkumulations-Assay durch. Im Rahmen dieser Untersuchung zeigten die 16 Mutationen sehr unterschiedliche Verhaltensweisen. Ein Teil zeigte eine deutliche Reduktion der cAMP-Spiegel unter Stimulation mit alpha-MSH gegenüber denen des Wildtyp-Rezeptors. Ein anderer Teil zeigte Konzentrations-Wirkungskurven, die der des Wildtyps entsprachen. Zwei der von uns untersuchten Rezeptorvarianten (S127L und P230L) zeigten gar ohne Stimulation durch den entsprechenden Liganden Basalwerte, die weit über dem des Wildtyp-Allels lagen, so dass wir hier eine konstitutive Aktivität der Rezeptorproteine postulierten. Gerade die physiologische oder gar die gesteigerte Aktivität der veränderten Rezeptorproteine unter Agonisten-Stimulation lässt sich dabei nur schwer zur Erklärung des adipösen Phänotyps des betroffenen Probanden heranziehen. Der von uns ebenfalls im cAMP-Assay untersuchte, weit verbreitete Polymorphismus V103I zeigte in seiner Dosis-Wirkungskurve nur geringe Abweichungen von den Werten des Wildtyp-Rezeptors. Da sich ein Teil der Ausfälle in der Funktionalität bei Mutationen des MC4R-Gens durch einen gestörten Transport der veränderten Proteine in die Plasmamembran erklären lässt, untersuchten wir einige der Rezeptoren außerdem im Zelloberflächen-ELISA. Im ELISA ergab sich eine Reduktion der Oberflächen-expression der Mutationen G181D und S94R (welche bereits im cAMP-Assay einen totalen Funktionsausfall gezeigt hatten). Die von uns als konstitutiv aktiv deklarierten Rezeptorvarianten S127L und P230L zeigten jedoch wider Erwarten keinen behinderten Transport an die Zelloberfläche, im Gegenteil erschien die Zelloberflächen-Expression gegenüber der des Wildtyp-Rezeptors eher erhöht. Die restlichen im ELISA untersuchten Rezeptorvarianten zeigten eine ähnliche Expression an der Zelloberfläche wie der Wildtyp-MC4R. Auch der intrazelluläre Verbleib der veränderten Rezeptorproteine reicht hier also zur Klärung der Ursache der Fettsucht des betroffenen Patienten nicht aus. Die Frage, welche Bedeutung bestehenden Mutationen im Melanocortin-4-Rezeptor-Gen im Hinblick auf den adipösen Phänotyp des betroffenen Individuums zukommt, konnte von uns nur teilweise gelöst werden: Die Annahme eines autosomal dominanten Erbganges kann vor dem Hintergrund der Ergebnisse der funktionellen Untersuchungen (und vorheriger Beschreibungen schlanker, heterozygoter Träger funktionell relevanter Mutationen) eindeutig verneint werden. Aufgrund der Tatsache, dass in unserer Studienpopulation signifikant mehr Träger einer funktionell relevanten Mutation (15) auftraten (gegenüber keiner funktionell relevanten Mutation innerhalb der Kontrollgruppe) und alle funktionell relevanten Mutationen zudem von den Eltern auf ihre Kinder weitervererbt worden waren, konnten wir einen „major-gene-effect“ von funktionell relevanten MC4R-Varianten auf den Phänotyp des betroffenen Individuums postulieren. Da Melanocortin-4-Rezeptor-Mutationen jedoch nur für einen sehr geringen Prozentsatz der Adipositas-Fälle verantwortlich gemacht werden können, haben sie eine geringe epidemiologische, bei gleichzeitiger hoher individueller Relevanz