Armin Schneider
Dr. med.
Molekulargenetische Untersuchungen zur Funktion des Proteolipid-Proteins in
natürlichen und transgenen Mausmutanten
Geboren am 15.05.1965 in Neckarsulm
Reifeprüfung am 30.05.1984
Studiengang der Fachrichtung Medizin vom WS 1987 bis SS 1996
Physikum am 05.04.1989 an der Universität Heidelberg
Klinisches Studium in Heidelberg
Praktisches Jahr in San Antonio (USA), Houston (USA), Heidelberg
Staatsexamen am 23.10.1996 an der Universität Heidelberg
Promotionsfach: Neurologie
Doktorvater: Prof. Dr. med. H.-M. Meinck
Das Prinzip der Myelinisierung von Axonen zur Erhöhung der Leitgeschwindigkeit war ein
entscheidender Schritt in der Entwicklung des Nervensystems. Primäre Störungen der
Myelinisierung (Dysmyelinisierung) oder der sekundäre Verlust der Myelinhülle
(Demyelinisierung) verursachen schwere neurologische Krankheitsbilder beim Menschen
(Leukodystrophien, Multiple Sklerose) und bei verschiedenen Tiermodellen.
Als Ursache für die frühletale Dysmyelinisierung bei der seit langem bekannten Mausmutante
jimpy konnte 1987 eine Mutation des Gens für das Proteolipid-Protein identifiziert werden.
Das Proteolipid-Protein (PLP), ein 4-Transmembranprotein mit 276 Aminosäuren, ist das
Hauptprotein des Myelins im Zentralen Nervensystem, und zeichnet sich durch eine extrem
hohe evolutionäre Konservierung aus. 1989 wurden Mutationen des PLP-Gens bei einigen
Patienten mit der seltenen Pelizaeus-Merzbacher Erkrankung, einer Leukodystrophie,
gefunden.
1990 wurde eine neue dysmyelinisierte Mausmutante, rumpshaker, beschrieben, die eine X-
Koppelung ihrer Mutation aufwies. In Teil I der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden,
daß die Ursache des rumpshaker-Phänotyps in einem Aminosäureaustausch des Proteolipid
Proteins liegt (Ile->Thr im zweiten extrazellulären Loop). Da diese Mutation ungleich der
bisher bekannten PLP-Mausmutanten jimpy und jimpymsd nicht letal war, und keinen massiv
erhöhten Oligodendrozytentod zeigte, war dies ein genetischer Beweis dafür, daß Zelltod und
Dysmyelinisierung bei PLP-Mutationen nicht miteinander gekoppelt sind, wie man vorher
annahm.
Ausgehend von den jetzt zur Verfügung stehenden drei PLP-Mausmutanten wurde in Teil II
versucht, diese durch Einbringen eines wt-PLP-Transgens zu komplementieren (da das PLP-
Gen X-Chromosomal lokalisiert ist, existiert in der Natur keine zellulär heterozygote
Situation). Dazu wurde das PLP-Gen auf einem Cosmid kloniert und kartiert. Es wurden zwei
transgene Linien etabliert, die das Transgen ontogenetisch und topologisch korrekt
exprimierten. Diese transgenen Linien wurden mit den Mausmutanten (jimpy, jimpymsd und
rumpshaker) gekreuzt. Trotz angemessener Expressionsstärke der Transgene (ca. 50% bzw.
100% des wt-Levels) blieben die jimpy- und jimpymsd -Mäuse, die das Transgen trugen,
gegenüber ihren nicht-transgenen Geschwistern phänotypisch unverändert. Die rumpshaker-
Mutation konnte hingegen phänotypisch "gentherapiert" werden: Transgene rumpshaker-
Mäuse wiesen nahezu keine Ataxie und keinen Tremor mehr auf. Jimpy-Mäuse, die das wt-
PLP-Gen exprimieren, zeigen jedoch einen reduzierten Oligodendrozytentod gegenüber nicht
transgenen jimpy-Tieren. Ein Modell zur Erklärung dieser Ergebnisse schlägt eine
funktionelle Homo- oder Heterooligomerisierung von PLP vor.
Teil III schließlich untersuchte die erstaunliche Beobachtung näher, daß PLP-transgene Tiere
selbst Dysmyelinisierung zeigen. Die in Teil II erzeugten transgenen Linien zeigten im
homozygoten Zustand die typischen neurologischen Symptome der Dysmyelinisierung.
Gendosisbestimmungen von betroffenen Tieren bestätigten die initiale Vermutung.
Quantifizierungen der Expressionsstärke zeigten eine theoretische 200%ige Überexpression
der PLP-mRNA in einer Linie an. Verschiedene Daten schließen aus, daß es sich bei dem
Effekt um eine Insertionsmutation handeln könnte. Die morphologische Untersuchung der
Tiere ergab eine starke Dysmyelinisierung des ZNS und eine massive Astrogliose. Die
Oligodendrozyten erscheinen weitgehend normal. Der Defekt scheint in einer Störung der
terminalen Oligodendrozytendifferenzierung zu bestehen. Die Schwere des Myelindefektes in
den transgenen Linien korreliert dabei gut mit der festgestellten Gendosis.
In Teil IV schließlich wurden einige Patienten mit der klinischen Diagnose M. Pelizaeus-
Merzbacher auf eine mögliche Mutation des PLP-Gens hin untersucht. Wir konnten jedoch in
keinem Fall einen Hinweis auf Veränderungen des PLP-Gens bei diesen Patienten erbringen.
Dies steht in Übereinstimmung mit Berichten anderer Gruppen, die bei der Mehrzahl
klinischer Verdachtsfälle mit X-Koppelung ebenfalls keine PLP-Mutationen fanden.
Der dysmyelinisierende Effekt der PLP-Überexpression bei den transgenen Mäusen stellt
einen experimentellen Beweis dafür dar, daß die PLP-Dosisverdopplung bei Pelizäus-
Merzbacher Patienten mit einer partiellen X-Chromosomalen Duplikation die wahrscheinliche
Ursache der Erkrankung ist. Dies ist überhaupt der erste uns bekannte Beweis dafür, daß
Dosisveränderungen einzelner Gene Ursache genetischer Erkrankungen sein können, und
fand eine interessante Paralelle bei Patienten mit der Charcot-Marie-Tooth-Erkrankung Typ
Ia. Bei Patienten mit der klinischen Diagnose Pelizäus-Merzbacher und einer X-
chromosomalen Kopplung, bei denen bisher keine Mutationen der kodierenden Bereiche des
PLP-Gens gefunden werden konnten, sollte daher auch nach Mutationen in den
regulatorischen Genregionen gesucht werden, die Dosisveränderungen hervorrufen könnten.
Der Mechanismus, durch den die Dosiserhöhung von PLP zu Dys- oder Demyelinisierung
führt, ist bis jetzt noch unklar.
1994 wurde bei einem Patienten mit X-gekoppelter Spastischer Paraplegie exakt dieselbe
Punktmutation wie bei der rumpshaker-Maus gefunden. Patienten mit Spastischer Paraplegie
zeichnen sich durch einen im Vergleich mit der Pelizaeus-Merzbacher Erkrankung sehr
milden Phänotyp und eine hohe Variabilität des Phänotyps durch verschiedene Generationen
hindurch aus, beides auch Charakteristika der rumpshaker-Maus. Zusammen mit dem
qualitativ anderen Verhalten dieser Mutante gegenüber einer transgenen Komplementation
unterstreicht dies die erstaunliche Parallelität der Tiermodelle.
Insgesamt stellen sich die PLP-Mutationen jetzt als ein breites Spektrum dar, das beim
Menschen von Punktmutationen, die Spastische Paraplegie hervorrufen, über Deletionen und
Duplikationen in zunehmender Schwere des Krankheitsverlaufes hin zu Punktmutationen mit
früh letalem M. Pelizaeus-Merzbacher führt. Das Studium der uns jetzt zur Verfügung
stehenden Mausmodelle, die dieses Spektrum nachbilden, wird uns in Zukunft noch viele
wertvolle Hinweise zum Verständnis der PLP-Mutationen liefern.
