Das Feld der Epilepsiegenetik hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht. Hochdurchsatz-Sequenziermethoden (NGS) ermöglichen die Identifizierung einer stetig wachsenden Zahl von Epilepsiegenen und eine umfassende genetische Diagnostik. Diese Fortschritte haben auch das Streben nach einer zunehmenden Personalisierung der Behandlung gefördert. Für viele Behandler ist das Feld der Epilepsiegenetik jedoch kaum noch zu überblicken.
Kommission „Epilepsie und Genetik“
Um die zunehmenden Kenntnisse im Bereich der Epilepsiegenetik in sinnvoller Weise in den klinischen Alltag zu integrieren, wurde im Rahmen der DGfE Jahrestagung 2016 in Jena die Kommission „Epilepsie und Genetik“ gegründet. Die Kommission gibt regelmäßig überarbeitete Empfehlungen heraus und organisiert zudem Symposien zu klinisch relevanten Aspekten der Genetik auf den Jahrestagungen der DGfE.
Indikation für genetische Diagnostik
Die Indikation genetischer Diagnostik bei bestimmten Formen von Epilepsien ist mittlerweile unstrittig. Vor allem bei den sogenannten Entwicklungsbedingten und Epileptischen Enzephalopathien (DEE) ist die genetische Diagnostik kosteneffektiv, zeitsparend und kann andere aufwendige und belastende diagnostische Maßnahmen unnötig machen. Der Nachweis einer genetischen Diagnose bei Kindern mit Erkrankungsbeginn vor Vollendung des 3. Lebensjahres impliziert bei ca. 80 % spezifische therapeutische Maßnahmen. Bei Erwachsenen ergeben sich etwa bei einem Drittel der erkrankten Personen relevante therapeutische Konsequenzen. Präzisionstherapien im Sinne von Drug Repurposing stehen zunehmend zur Verfügung. Auch gentherapeutische Ansätze befinden sich z. Zt. in Entwicklung und werden in Zukunft gezielte Behandlungsansätze für bestimmte Syndrome ermöglichen. Darüber hinaus ermöglicht die Kenntniss der genetischen Diagnose gegebenenfalls eine gezielte pränatale Diagnostik und in besonderen Situationen das Screening im Rahmen der In-vitro Fertilisation. Die Beratung der Betroffenen und derer Familien wird zudem erleichtert und kann sich an publiziertem Erfahrungswissen über den Erkrankungsverlauf orientieren. Dies ermöglicht letztendlich eine bessere Planung von notwendigen sozialen, therapeutischen und pädagogischen Ressourcen zur bestmöglichen Versorgung für Betroffene. Nicht zuletzt darf die psychologische Bedeutung einer genetischen Diagnose nicht unterschätzt werden. Oftmals spielen in betroffenen Familien Schuldgefühle für die Erkrankung des Kindes eine Rolle.
Vererbungsmodi
Um die Diagnostikmethoden und ihren potenziellen Nutzen zu verstehen, ist es hilfreich, vorab einen Überblick über die möglichen Vererbungsmodi zu haben. Viele Epilepsien haben genetische Ursachen, die nicht den Mendelschen Regeln folgen, und einige Epilepsien können genetisch bedingt sein, obwohl sie nicht vererbt werden.
Monogene Epilepsien
„Monogene“ Epilepsien werden durch eine Veränderung in einem einzelnen Gen verursacht, folgen grundlegenden Vererbungsmustern (autosomal dominant (AD), autosomal rezessiv (AR), X‑chromosomal, mitochondrial) und sind Hauptziel der genetischen Diagnostik. Zusätzliche genetische „Modifikatoren“ könnten jedoch eine Erklärung für einige der phänotypischen Variationen darstellen. Monogene Epilepsien sind selten, machen aber zusammen einen signifikanten Anteil der genetischen Epilepsien aus. Die meisten familiären selbstlimitierenden Epilepsiesyndrome haben eine monogene Ursache, während isolierte (nicht familiäre) Fälle mit generalisierter (GE) oder fokaler Epilepsie (FE) ohne Entwicklungsverzögerung nur selten monogen bedingt sind. Zu den monogenen Epilepsien gehören auch Epilepsien, die auf einer de novo (neu entstandenen) Veränderung basieren. Dies trifft auf die überwiegende Mehrheit der DEEs zu. In 5 bis 10 % der Fälle kann jedoch ein sogenanntes Keimzellmosaik bei einem Elternteil vorliegen, welches ein höheres Wiederholungsrisiko darstellt - ein wichtiger Punkt für die genetische Beratung. Pathogene genetische Varianten umfassen u. a. Einzelnukleotidvarianten (SNV) und Kopienzahlvarianten (CNV) oder Repeat-Expansionen.
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Erbgänge und Wiederholungsrisiken
| Erbgang | Betroffene Allele | Ursprung | Risiko für Nachkommen die Variante zu tragen | Risiko für Geschwister die Variante zu tragen | Zusätzliche Informationen |
|---|---|---|---|---|---|
| Autosomal dominant | Ein betroffenes Allel (Heterozygotie) | Vererbt von einem Elternteil | 50 % | 50 % | Penetranz (Nachweis der genetischen Veränderung muss nicht zwangsläufig mit klinischen Symptomen einhergehen) Expressivität (Klinische Symptome können trotz identischer genetischer Veränderung bei Betroffenen einen unterschiedlichen Schweregrad aufweisen) |
| de novo | < 1 % (Keimzellmosaik liegt in < 10 % der Fälle vor) | ||||
| Autosomal rezessive | Beide Allele sind betroffen Homozygotie (gleiche Variante auf beiden Allelen) oder Compound-Heterozygotie (auf jedem Allel eine andere Variante) | Eine Veränderung von jeweils einem Elternteil | Abhängig vom Träger:innenstatus des Partners | 25 % | Heterozygote Träger:innen sind nicht betroffen |
| X‑chromosomal | Männlich: Hemizygotie (nur ein Allel vorhanden, dieses ist betroffen) | Maternal | Alle Töchter sind Trägerinnen, Söhne nicht | 50 % der Schwestern sind Trägerinnen | 50 % der Brüder sind symptomatische Träger |
| de novo | < 1 % für Brüder (Keimzellmosaik liegt in < 10 % der Fälle vor) | Heterozygote Trägerinnen sind meist nicht betroffen Hemizygote (männliche) Personen können je nach Entität sehr schwer betroffen sein oder die genetische Veränderung ist ggf. | |||
| Weiblich: Heterozygot | Vererbt von einem Elternteil | 50 % der Töchter sind Trägerinnen, 50 % der Söhne symptomatische Träger | 50 % der Schwestern sind Trägerinnen | 50 % der Brüder sind symptomatische Träger |
Genetische Risikofaktoren bei häufigen Epilepsien
Die Genetik spielt auch bei vielen häufigeren Epilepsien eine wichtige Rolle, einschließlich der idiopathisch generalisierten Epilepsie (IGE) und der nicht erworbenen fokalen Epilepsie (NAFE). Es wird angenommen, dass die Mehrheit dieser häufigen Epilepsien eine multifaktorielle Ätiologie aus verschiedenen genetischen (oligogenen oder polygenen) sowie epigenetischen und Umweltfaktoren hat. Bisher wurden mehrere genetische Risikofaktoren oder Suszeptibilitätsallele für häufige Epilepsien identifiziert. Dennoch ist mittelfristig mit einer klinischen Nutzung von polygenen Risikoscores (PRS) zu rechnen, welche den additiven Effekt vieler genetischen Varianten darstellt, die mit einer Epilepsie verbunden sein können.
Besonderheiten der Vererbung
Neben den aufgezählten Erbgängen sind die Besonderheiten der extrachromosomalen mitochondrialen Vererbung sowie das Vorliegen eines Mosaiks zu erwähnen. Das Genom in den Mitochondrien wird nur maternal an Nachkommen weitergegeben, d. h. die menschliche Zygote erhält alle ihrer Mitochondrien von der Eizelle. Wird ein Mosaik diagnostiziert bedeutet dies, dass nicht alle Zellen die Veränderung in der DNA tragen, sondern nur ein bestimmter Zelltyp oder Gewebe, z. B. das Gehirn oder eine bestimmte Körperregion. Mosaike entstehen meist postzygotisch neu (nach dem „Einzellstadium“) und werden, sofern die Keimbahn nicht betroffen ist, weder an Nachkommen noch Geschwister weitergegeben.
Ablauf einer genetischen Testung
Vor Einleitung einer genetischen Testung sollte stets eine eingehende Beratung der Betroffenen und deren Familien stehen sowie eine genaue Erhebung des klinischen Phänotyps erfolgen. Im Rahmen der Beratung sollten u. a. Aspekte wie Indikation, Wahrscheinlichkeit eines positiven Befundes, etwaige Bedeutung eines positiven Befundes für die weitere Behandlungsstrategie und die etwaige Bedeutung für weitere Familienangehörige oder potenzielle Nachkommen besprochen werden. Es ist hierbei wichtig, einen realistischen Erwartungshorizont aufzubauen, v. a. auch in Hinblick auf präzisionsmedizinische Konsequenzen, welche trotz zunehmenden Anwendungsfeldern doch aktuell nur einem kleinen Anteil der Personen zugutekommen werden. Die Betroffenen sollten ebenfalls über das wahrscheinliche Auftreten von Varianten unklarer Signifikanz (VUS) und die damit verbundenen Schwierigkeiten der Interpretierbarkeit aufgeklärt werden. Ebenso sollte auch eine Aufklärung über sogenannte Zusatzbefunde erfolgen. Diese stehen nicht mit der ursprünglichen Fragestellung in Verbindung, können aber dennoch eine medizinische Bedeutung für den Betroffenen haben (z. B. Varianten in Onkogenen wie BRCA1/BRCA2). Das ACMG gibt hierzu eine Liste mit Genen heraus. Es sollte vorab mit den Betroffenen besprochen werden, ob sie über mögliche Zusatzbefunde informiert werden wollen. Die genetische Testung von symptomatischen Personen darf gemäß Gendiagnostikgesetz von jeder Ärztin/jedem Arzt beauftragt werden. Es muss den Betroffenen im Rahmen der Ergebnismitteilung eine genetische Beratung angeboten werden. Im Fall von nicht-erkrankten Personen, d. h. bei einer prädiktiven genetischen Testung, ist eine Aufklärung durch eine Fachärztin/einen Facharzt für Humangenetik notwendig bzw. durch eine Fachärztin/einen Facharzt mit einer entsprechenden Zusatzqualifikation. Als Vorbereitung der genetischen Testung sollte der klinische Phänotyp der Betroffenen möglichst detailliert beschrieben und dem humangenetischen Labor mitgeteilt werden. Dies folgt dem Prinzip des ACMG, demzufolge die Phänotypisierung der genetischen Analyse vorausgehen sollte. Zur Plausibilisierung und Interpretation der genetischen Befunde ist der Abgleich mit dem Phänotyp ein unerlässlicher Baustein. Die Kostenübernahme der genetischen Untersuchung erfolgt in Deutschland bei gesetzlich versicherten Personen durch die Krankenkassen. Bei privat versicherten Personen sollte vor der Testung eine Kostenübernahmezusage der jeweiligen Krankenkasse eingeholt werden. Die tatsächlichen Kosten für die jeweilige Untersuchung ändern sich dynamisch. In Österreich erfolgt die Kostenübernahme durch die Krankenkassen. Bei der Indikationsstellung genetischer Diagnostik bei Personen mit Epilepsie ist zuerst der zu erwartende klinische Nutzen zu berücksichtigen. Der Nutzen ist am größten für Personen mit schwerwiegenden, therapieresistenten, nicht-erworbenen Epilepsien.
Methoden der genetischen Diagnostik
Es gibt verschiedene Methoden der genetischen Diagnostik, die sich in ihren Möglichkeiten und ihrer diagnostischen Ausbeute unterscheiden.
| Methode | Möglichkeiten des Nachweises | Diagnostische Ausbeute | Vorteile | Nachteile | Anwendung |
|---|---|---|---|---|---|
| Next-Generation-Sequencing (NGS)-Methoden | |||||
| Exom-Sequenzierung (ES) | Kodierende und angrenzende intronische Bereiche | Bis 45 % | Umfassender als Panel-Diagnostik Nachweis von SNV und CNV Hohe Kosteneffizienz Exom-basierte Panelauswertung möglich | Intra- und intergenische nicht kodierende Bereiche nicht abgedeckt Geringere Nachweisrate von Mosaiken | Höchster diagnostischer Ertrag, v. a. als Trio-Exom-Analyse (Indexperson mit beiden Eltern) |
| Genom-Sequenzierung (GS) | Sequenzierung der gesamten DNA | Bis 48 % | Zusätzlich Erfassen von intronischen, intra- und intergenischen nicht-kodierenden Bereichen. Nachweis von SNV und CNV Bessere Detektion von Repeat- und Strukturvarianten | Höherer Kostenaufwand Größere Herausforderungen bei der Interpretation von nicht-kodierenden Varianten (Höhere Anzahl an VUS) und bei der Datenspeicherung | Beginnende Anwendung in Deutschland in der Routine-Diagnostik |
| Panel-Diagnostik | Sequenzierung der kodierenden DNA-Abschnitte einschließlich angrenzender Splice-Regionen | Bis zu 25 % | Hohe Abdeckung der ausgewählten Gene erlaubt das Erkennen von niedriggradigen Mosaiken | Ausgewählte Genlisten können im individuellen Fall sehr unvollständig sein (aufgrund der rasanten Entdeckung neuer Gene) Kaum Kostenvorteil Kaum Nachweis von CNV Geringe Wahrscheinlichkeit für Zusatzbefunde | Da Panel-Design meist schon nach Implementierung „veraltet“ ES/GS bevorzugen |
| Array-Diagnostik (CMA) | Genomweite Untersuchung auf CNV, z. B. Deletionen, Duplikationen | 5-15 % | Deutlich höhere Auflösung als bei CA Sub-mikroskopische CNV (< 10 Mb) | SNV und balancierte chromosomale Strukturvarianten werden nicht erfasst CNV werden durch ES/GS gleich gut oder besser erfasst | |
| Einzelgen-Sequenzierung (Sanger) | Nachweis von SNV und sehr kleinen CNV in meist sehr kleinen Bereichen (einzelenen Exons) | Sehr gering | Untersuchung auf bereits bekannte familiäre Variante Segregationsanalyse | Niedrige diagnostische Ausbeute. Ungünstiges Kosten-Nutzen-Verhältnis. Vulnerabel für „allelic drop-out“ | Quasi obsolet in Primärdiagnostik |
| Konventionelle Karyotypisierung (CA) | Mikroskopische Untersuchung auf numerische oder strukturelle Veränderungen des Chromosomensatzes | Sehr gering | Indiziert bei spezifischen Fragestellungen, z. B.: |
Next-Generation-Sequencing (NGS)
NGS-Methoden, insbesondere die Exom-Sequenzierung (ES) und die Genom-Sequenzierung (GS), haben sich als besonders effektiv erwiesen. Die ES zielt auf die kodierenden Bereiche der DNA ab und erreicht eine diagnostische Ausbeute von bis zu 45 %. Die GS hingegen sequenziert die gesamte DNA und kann somit auch intronische und intergenische Bereiche erfassen, was zu einer noch höheren diagnostischen Ausbeute von bis zu 48 % führt.
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Panel-Diagnostik
Die Panel-Diagnostik, bei der nur ausgewählte Gene sequenziert werden, ist zwar kostengünstiger, aber aufgrund der rasanten Entdeckung neuer Gene oft unvollständig.
Array-Diagnostik (CMA)
Die Array-Diagnostik (CMA) wird zur genomweiten Untersuchung auf Kopienzahlvarianten (CNV) eingesetzt.
Einzelgen-Sequenzierung
Die Einzelgen-Sequenzierung (Sanger-Sequenzierung) wird nur noch selten in der Primärdiagnostik eingesetzt, da sie eine sehr geringe diagnostische Ausbeute hat.
Dauer eines Gentests
Die Dauer eines Gentests kann variieren. Ein einzelner Test, der gezielt sucht, dauert wahrscheinlich ca. 2 Monate, sonst kann das auch mal 12 Monate dauern. Wenn beim Gentest nach einer bestimmten Krankheit gesucht wird, dauert es wenige Wochen.
Gentest bei familiärer hemiplegischer Migräne
Bei Verdacht auf familiäre hemiplegische Migräne werden Gene wie CACNA1 und SCN1A untersucht. SCN1A ist verantwortlich für eine Art von Epilepsie und Migräne.
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Bedeutung von SCN2A
Eine seltene, aber wichtige Ursache von Epilepsien bei Kindern sind Mutationen im Natriumkanal-Gen SCN2A. Sie lösen schwer verlaufende und sehr schwierig zu behandelnde Epilepsien aus, die auch mit Entwicklungsstörungen einhergehen. Kinder mit einem frühen Krankheitsbeginn profitierten der neuen Untersuchung zufolge deutlich von einer medikamentösen Therapie mit Natriumkanal-Blockern.
Selbstlimitierende fokale Epilepsien im Kindesalter
Selbstlimitierende fokale Epilepsien im Kindesalter umfassen eine Gruppe von Erkrankungen, die altersgebunden auftreten, gemeinsame Charakteristika zeigen, sich in Ausprägung, Schweregrad und Prognose aber deutlich unterscheiden können. Die Forschung hat in den letzten Jahren stetige Fortschritte in der Entschlüsselung genetischer Ursachen von Epilepsien gemacht. Insbesondere das Wissen um verantwortliche Gene von meist früh beginnenden und schwer verlaufenden Epilepsien und epileptischen Enzephalopathien mit Entwicklungsstörungen (DEE) nimmt beinahe täglich zu. Parallel dazu wird die genetische Diagnostik bei betroffenen Kindern und Jugendlichen immer mehr zur klinischen Routine.
GRIN2A
Nach Identifikation von Patienten mit Mikrodeletion 16p13.2 und wenigen Patienten mit Entwicklungsstörungen, Epilepsien und Mutationen in den Genen GRIN2A und GRIN2B wurde das für die Ausprägung der Epilepsie wahrscheinlichste Kandidatengen GRIN2A in größeren Kohorten von Patient*innen mit fokalen Epilepsien des Kindesalters untersucht. NMDA-Glutamat-Rezeptoren sind ligandengesteuerte Ionenkanäle, die aus 2 Glycin-bindenden GluN1-Untereinheiten (kodiert durch GRIN1) und 2 Glutamat-bindenden GluN2-Untereinheiten (kodiert durch GRIN2A‑D) gebildet werden. Parallel konnten 3 verschiedene Forschergruppen die Bedeutung dieses Gens für fokale Epilepsien, insbesondere auch solche mit Sprachstörungen und Aphasie, klären und publizieren.
mTOR-Signalweg
Neben den im Rahmen der tuberösen Sklerose gut bekannten Genen TSC1 und TSC2, deren Produkte als Regulatoren des mTOR-Signalwegs wirksam sind, wurden in den letzten Jahren weitere Gene/Proteine dieses Signalwegs identifiziert, die relevant für Entwicklungsstörungen, Hirnfehlbildungen und Epilepsien sind.