Congenital Disorders of Glycosylation (CDG)
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Schön, dass Sie uns besuchen. Wir möchten Ihnen hier einen kleinen Einblick in unsere Arbeit geben und erläutern, was Glykosylierung bedeutet und was sich hinter den Congenital Disorders of Glycosylation (CDG), also angeborenen Defekten der Glykosylierung, verbirgt. Dabei möchten wir Ihnen sowohl grundlegende Informationen als auch Einblicke in Diagnostik, Forschung und das klinische Spektrum von CDG vermitteln.
ALLGEMEINES
Die Glykosylierung von Proteinen und Lipiden bezeichnet die Anheftung von Zuckerstrukturen (Glykanen) auf ein Eiweiß- oder Fettmolekül. Die auf ein Protein übertragenen Zuckerketten gewährleisten u.a. die Funktionalität der Proteine beispielsweise als Enzyme oder Rezeptoren und greifen in eine Vielzahl lebenswichtiger Prozesse wie Wachstum, Differenzierung, Entwicklung von Organen, Signalübertragung, Entzündungsabwehr sowie maligne Entartung ein. Die Glykosylierung ist für das Leben absolut essentiell und muss daher fortlaufend in jeder unserer Körperzelle ablaufen. Aufgrund der Wichtigkeit der angehängten Zuckerstrukturen führen angeborene Defekte, die die Synthese oder die Prozessierung der Glykane betreffen, daher zumeist zu multiorganischen Symptomen und werden als "Congenital Disorders of Glycosylation" (CDG = angeborene Defekte der Glykosylierung) bezeichnet.
Mittlerweile sind über 200 verschiedene CDG-Typen bekannt, deren Zahl in den kommenden Jahren noch weiter zunehmen wird. CDG zählt zu den seltenen Stoffwechselerkrankungen. Es ist aber von einer hohen Dunkelziffer an bislang unerkannten Patienten auszugehen.
Die Benennung der einzelnen CDG-Defekte erfolgt anhand des jeweils betroffenen Proteins zusammen mit dem Kürzel `-CDG´. Ein Defekt in der Phosphomannomutase 2 (PMM2) wird daher als `PMM2-CDG´ bezeichnet.
KLINISCHES SPEKTRUM VON CDG
Klinische Auffälligkeiten beinhalten beispielsweise:
- Neurologische Symptome (geistige und psychomotorische Retardierung, Kleinhirnatrophie, Epilepsie, Ataxie, neuronale Migrationsstörung, schlaganfallähnliche Episoden, zerebrale Thrombose, Autismus, Hypotonie, Strabismus, abnormale Augenbewegungen und Polyneuropathie)
- Allgemeine Symptome (Hydrops fetalis, Gedeihstörung, Mikrozephalie, rezidivierende Infektionen)
- Hautmanifestationen (invertierte Mamillen, abnorme Fettpolster bzw. Fettverteilung, Ichthyose, Hyperkeratose, Cutis laxa, abnorme Hautpigmentierung)
- Ophthalmologische Symptome (Strabismus, Retinitis pigmentosa, Optikusatrophie, Kolobom, Katarakt)
- Hormonelle Störungen (Wachstumsverzögerung, Hypogonadismus, verzögerte oder ausbleibende Pubertät, Hyperinsulinismus)
- Orthopädische Probleme (Osteopenie, Gelenkkontrakturen, Exostosen)
- Gerinnungsstörungen (Thrombosen, Blutungsneigung, Phlebitis)
- Herzerkrankungen (Kardiomyopathie, Perikarderguss, Perikarditis in der Neugeborenenperiode)
- Gastrointestinale Erkrankungen (Aszites, zyklisches Erbrechen, chronische Diarrhö, Proteinverlustenteropathie, Hepatomegalie, hepatitis-ähnliche Erkrankung, Leberhistologie mit Fibrose sowie Lipid- und Glykogenvakuolen)
- Nierenerkrankungen (Proteinurie, kongenitales nephrotisches Syndrom, Mikrozysten, proximale Tubulopathie in der Neugeborenenperiode)
Nicht alle Symptome treten bei den Patienten gleichzeitig auf und auch die jeweilige Ausprägung ist von Patient zu Patient verschieden (keine klare Genotyp-Phänotypkorrelation). CDG sollte grundsätzlich bei allen Patienten mit noch unklarer Erkrankungsursache in Betracht gezogen werden, die unter mehreren der oben genannten Symptome leiden.
Die entsprechende biochemische Abklärung kann in unseren spezialisierten Laboren anhand von Analysen des N-Glycoms aus dem Blut mittels LC-MS durchgeführt werden. Diese erlaubt es sogar, einzelne CDG-Typen bereits anhand ihrer spezifisch auffälligen Glykanstrukturen direkt zu identifizieren und ermöglicht dadurch eine rasche Diagnosestellung für die Patienten. Zudem lassen sich hierüber Krankheits- oder Therapieverlauf oder das Einhalten von Diäten bei sekundären Glykosylierungsdefekten wie hereditärer Fruktoseintoleranz, klassischer Galaktosämie oder Alkoholabusus monitoren (siehe auch Diagnostisches Angebot).
DIAGNOSTIK
Seit 1984 gilt die Analyse des Glykoproteins Transferrin mittels isoelektrischer Fokussierung, Kapillarzonenelektrophorese, Hochleistungsflüssigkeitschromatographie oder massenspektrometrischer Verfahren weltweit als biochemisches Erstlinienscreening und diagnostischer Goldstandard bei Verdacht auf N-Glykosylierungsstörungen. Zu bedenken ist hierbei allerdings, dass Transferrin nur zwei relativ einfach aufgebaute Zuckerketten (sog. biantennäre nicht-fukosylierte N-Glykane vom Komplextyp) und damit nur eine von vielen Hundert möglichen Zuckerstrukturen, die bei uns im Blut vorkommen, trägt. Folglich bleiben breite Klassen von N-Glykosylierungsdefekten, darunter Störungen der Glykanverzweigung, der Fukosylierung, der Reifung sowie subtilere Prozessierungsschritte, systematisch unerkannt, was möglicherweise einen Grund für die hohe Dunkelziffer an Patienten im CDG-Bereich darstellt. Problematisch ist weiterhin, dass sich bis zum Alter von 12 Lebenswochen eine teilweise noch unvollständige Glykosylierung des Transferrins in der Analytik zeigt, was wiederum zu falsch-positiven Befunden führen kann (Thiel et al 2013. Screening for congenital disorders of glycosylation in the first weeks of life. J Inherit Metab Dis. 2013; 36:887-92; https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22991164/).
Unser Team in Heidelberg hat deshalb einen integrierten, auf UPLC-FLR/QTOF-Massenspektrometrie (LC-MS) basierenden Workflow für die umfassende Analyse von N-Glykanen in Serum oder Plasma etabliert (Analysen in Trockenblut nach vorheriger Absprache ebenfalls möglich) und bietet diese LC-MS-Untersuchungsmethode als einziges Zentrum in Deutschland bereits im Rahmen der initialen CDG-Diagnostik für die einsendenden Kliniken und Praxen an.
Anders als die transferrin-fokussierte CDG-Untersuchung stützt sich unsere globale N-Glykananalyse auf die Zuckerstrukturen sämtlicher Glykoproteine aus dem Blut, womit sie völlig unabhängig vom Expressions- oder Mutationsstatus eines einzelnen Markerproteins und somit außerordentlich robust verläuft.
DIAGNOSTISCHES ANGEBOT UND PROBENEINSENDUNG
Wir analysieren gerne für Sie:
Primäre Glykosylierungsstörungen: Die diagnostische Auflösung und Spezifität unseres Systems erlaubt es, verschiedene CDG-Subtypen wie PMM2-, MPI-, ALG1-, ALG2-, ALG3-, PGM1-, B4GALT1-, MAN1B1-, diverse SLC-Transporter-, V-ATPase- oder COG-CDG bereits anhand ihrer hochcharakteristischen N-Glykan-Signaturen zu erkennen, was eine schnelle und direkte biochemische Identifizierung des zugrunde liegenden Defekts erlaubt. Unser Fokus liegt auf Defekten innerhalb der N-Glykosylierung. Zudem werden Mucin-type Core-1-O-Glykosylierungsdefekte sowie kombinierte N-/O-Glykosylierungsdefekte anhand des Apolipoproteins CIII überprüft (LINK ZUM ANFORDERUNGSBOGEN PRIMÄRE CDG).
Sekundäre Glykosylierungsstörungen: Sekundäre Glykosylierungsstörungen wie hereditäre Fruktoseintoleranz, klassische Galaktosämie oder chronischer Alkoholmissbrauch können ebenfalls analysiert und der jeweilige diätetische Therapieverlauf anhand der Glykosylierung der Blutproteine gemonitort werden (LINK ZUM ANFORDERUNGSBOGEN SEKUNDÄRE CDG).
Varianten unklarer Signifikanz (VUS) in CDG-Genen stellen in der humangenetischen Diagnostik von Patienten mit bislang ungeklärter Genese eine zunehmende Herausforderung dar. Da bei der großen Mehrzahl der CDG-Betroffenen biochemische Auffälligkeiten im Blut nachweisbar sind, empfiehlt es sich, die potenziell krankheitsverursachende Wirkung einer VUS mit Hilfe unserer Diagnostik abklären zu lassen (LINK ZUM ANFORDERUNGSBOGEN VUS).
Erhöhter CDT-Wert (CDT=Carbohydrate-Deficient Transferrin): CDT bezeichnet Transferrin-Isoformen mit einem veränderten Muster der angehängten Zuckerstrukturen (Glykan). Wichtige Pitfalls in der CDT-Analyse stellen neben CDG-Defekten, Lebererkrankungen, Schwangerschaft sowie anderen metabolischen Erkrankungen vor allem auch Mutationen im Transferrin-Gen dar, die das Laufverhalten des Transferrins in der Analyse so verändern, dass dadurch ein scheinbar pathologisches CDT-Profil erzeugt wird. Ein isoliert erhöhter CDT-Wert wird in der klinischen Praxis häufig mit chronischem Alkoholkonsum assoziiert. Für betroffene Patientinnen und Patienten kann eine solche Fehldeutung erhebliche persönliche und berufliche Konsequenzen haben, beispielsweise im arbeitsmedizinischen Kontext oder bei verkehrsmedizinischen Begutachtungen. Eine differenzierte Abklärung der Ursache eines erhöhten CDT-Werts ist daher in vielen Fällen medizinisch und sozial relevant. Unsere Arbeitsgruppe bietet diese weiterführende diagnostische Analyse für Patientinnen und Patienten mit isoliert erhöhter CDT-Konzentration unklarer Ursache an. Dieses spezielle Analysepaket umfasst zum einen die biochemische Untersuchung zum Nachweis einer Transferrinmutation mit Hilfe einer isoelektrischen Fokussierung des Transferrins. Diese wird einmal mit und einmal ohne Sialidaseabbau der Zuckerstrukturen durchgeführt, womit eine Mutation im Transferrinprotein zum Vorschein kommt. Zum anderen schließt sich eine LC-MS Untersuchung der N-Glykane aus dem Blut an, wodurch zusätzlich primäre und sekundäre Glykosylierungsdefekte als Ursache für die CDT-Erhöhung ausgeschlossen werden können (LINK ZUM ANFORDERUNGSBOGEN CDT).
Weiterführende biochemische und/ oder genetische Analysen auch zu anderen Glykosylierungswegen von Proteinen sind grundsätzlich möglich. Hier bitten wir aber um vorherige Kontaktaufnahme und Besprechung der Untersuchungen.
Probeneinsendung:
Bitte senden Sie Probenmaterial ausschließlich über medizinische Praxen oder Kliniken sowie mit vollständig ausgefülltem und gestempeltem Anforderungsbogen ein.
Um die Untersuchungen durchführen zu können, benötigen wir lediglich eine kleine Menge an Serum oder Plasma (ca. 0,5ml). Einsendung von Trockenblutkarten bitte nur nach vorheriger Absprache.
Serum bitte immer zentrifugieren und den klaren Überstand in ein frisches, beschriftetes Leerröhrchen überführen. Probe möglichst bis zum Versand bei -20°C lagern, Versand der gefrorenen Probe zusammen mit Kühlakku o.ä.
PATIENTENVERSORGUNG ALLGEMEIN
Da CDG mit chronischen Krankheitsverläufen einhergehen und zugleich eine progressive Pathologie aufweisen, die sich allerdings im mittleren Kindesalter stabilisieren kann, ist ein ausgewogener interdisziplinärer Betreuungsansatz essenziell. Psychosoziale Unterstützung und genetische Beratung im Hinblick auf pränatale Diagnostik sind wichtig, um Familien bei der Bewältigung der Erkrankung zu helfen und informierte Entscheidungen zu ermöglichen. Physiotherapie, Logopädie sowie orthopädische Hilfsmittel sind unverzichtbar. Darüber hinaus können Selbsthilfegruppen wie der in Deutschland sehr engagiert tätige Bundesverein CDG-Syndrom „GlycoKids“ e. V. (www.glycokids.de) betroffenen Familien wertvolle emotionale Unterstützung und praktische Ratschläge bieten. Regelmäßige Verlaufskontrollen zum Glykosylierungszustand und zu begleitenden Manifestationen sollten zumindest einmal pro Jahr durchgeführt werden. Bei Patienten, die eine Zuckertherapie (z.B. Mannose, Fukose, Galaktose) erhalten oder eine Zuckerdiät einhalten (z.B. Fruktose, Galaktose) oder sich alkoholfrei ernähren, empfiehlt sich eine zumindest zweimalige Überprüfung des Glykosylierungszustands im Jahr. Da bei CDG eine erhöhte Neigung zu Blutungen und Thrombosen besteht, erfordern Gerinnungsstörungen besondere Aufmerksamkeit. Erhöhte Körpertemperatur und/oder Dehydratation müssen strikt vermieden und unverzüglich behandelt werden! Dies gilt auch während Anästhesie und chirurgischen Eingriffen. In diesen Situationen sollten Elektrolyte, Blutzucker, Gerinnungsfaktoren, insbesondere Faktor IX und Faktor XI, sowie die Proteine C, S, Antithrombin III und Heparin-Kofaktor II engmaschig überwacht werden, auch wenn die partielle Thromboplastinzeit normal ist.
GLYKOSYLIERUNG VON PROTEINEN
Die Glykosylierung stellt eine der häufigsten Formen der Modifikation von Proteinen beim Menschen dar und findet sich auch bei Tieren, Pflanzen und sogar bei Mikroorganismen. Glykokonjugate treten in subzellulären Organellen wie dem endoplasmatischen Retikulum, dem Golgi, den Lysosomen, den Peroxisomen aber auch im Cytoplasma auf. Sie sind sowohl in zellulären Membranen als auch in extrazellulären Flüssigkeiten und Matrices vertreten. Glykoproteine greifen in eine Vielzahl lebenswichtiger Vorgänge ein und müssen laufend neu synthetisiert werden. Im Rahmen der Glykoproteinbiosynthese werden Kohlenhydratketten schrittweise durch eine Reihe von Glykosyltransferasereaktionen erzeugt und anschließend kovalent an Aminosäurereste eines Glykoproteins angeheftet.
Die Synthese von Glykoproteinen ist ein höchst komplexer Vorgang, der im Cytoplasma, an der cytosolischen Seite der Membran des Endoplasmatischen Reticulums (ER), im Lumen des ER und im Golgi-Apparat abläuft. Die N-Glykosylierung beginnt an der cytosolischen Seite der ER-Membran, wo schrittweise zwei N-Acetylglucosamin (GlcNAc; blaue Quadrate) und fünf Mannose-Reste (Man; grüne Kreise) auf das Lipid Dolicholphosphat (hellgelbes Fässchen mit -P) übertragen werden, so dass das Intermediat Man5GlcNAc2-PP-Dolichol entsteht. Dieses Intermediat wird nun in das Lumen des ER geflippt. Hier erfolgt die Übertragung von vier weiteren Mannoseresten sowie drei Glucoseresten (Glc; blaue Kreise), so dass das vollständige Oligosaccharid `G3Man9GlcNAc2-PP-Dolichol´ entsteht. Die Oligosaccharyltransferase (OST) transferriert das Oligosaccharid anschließend „en bloc“ auf die Asparaginreste von wachsenden Polypeptiden. Noch während sich das Protein in seine richtige Konformation faltet, werden die Glucosereste sowie ein Mannoserest von zwei Glucosidasen und einer Mannosidase wieder abgespalten. Das Protein wird in den Golgi-Apparat transportiert, wo weitere Trimming und Elongationsschritte mit weiteren Zuckerresten aus N-Acetylglucosamin, Galaktose (gelber Kreis), Fucose (rotes Dreieck) und Sialinsäure (pinker Diamant) stattfinden.
PMM2-CDG: der häufigste CDG-Typ
Mehr als die Hälfte der bislang bekannten CDG-Defekte entfallen auf den Bereich der N-Glykosylierung, wobei PMM2-CDG mit 50-60% aller CDG-Erkrankten zudem den mit Abstand häufigsten Defekt aller Glykosylierungsarten repräsentiert.
PMM2-CDG wird durch die verminderte Aktivität des Enzyms Phosphomannomutase 2 (PMM2) hervorgerufen. PMM2 setzt im Cytosol Mannose-6-Phosphat zu Mannose-1-Phosphat um, welches für die Synthese von GDP-Mannose, GDP-Fucose und Dolichol-Phosphat-Mannose benötigt wird. Durch die verminderte Bereitstellung von GDP-Mannose und Dolichol-Phosphat-Mannose kommt es bei PMM2-Patienten (ebenso wie übrigens auch bei den meisten anderen Patienten mit einem frühen CDG-I-Defekt) zu einem Mangel an dolichol-verknüpften Oligosacchariden. Dies führt nachfolgend zu einem partiellen oder sogar kompletten Verlust von Glykanen auf Glykoproteinen. Erkennbar ist dies z.B. an erhöht vorliegenden Mengen an Asialo- und Disialotransferrin bei IEF, HPLC oder Kapillarzonenelektrophorese. Die verminderte Enzymaktivität der PMM2 hat ihre Ursache in Mutationen im PMM2-Gen, das beim Menschen auf Chromosom 16p13 lokalisiert ist. Alle Patienten besitzen eine Restaktivität von PMM2, da ein vollständiger Aktivitätsverlust der Phosphomannomutase unvereinbar mit dem Leben ist.
THERAPIEN UND THERAPEUTISCHE ANSÄTZE
Einfache und überwiegend gut verträgliche Therapiemöglichkeiten liegen für einige CDG-Defekte bereits vor:
MPI-CDG: orale Mannosegabe. Hinweis: im Vorfeld unbedingt die Restaktivität
der betroffenen Phosphomannose Isomerase (MPI) bestimmen lassen, da bei starkem MPI-Aktivitätsverlust die Möglichkeit des Honeybee-Effekts besteht und hierdurch ein lebensbedrohliches Energiedefizit erzeugt werden kann)
GFUS-CDG: orale Fukosegabe
SLC35C1-CDG: orale Fukosegabe
FUT8-CDG: orale Fukosegabe
PGM1-CDG: orale Galaktosegabe
SLC35A2-CDG: orale Galaktosegabe
SLC39A8-CDG: orale Galaktose- und Mangangabe
TMEM165-CDG: orale Galaktosegabe
CAD-CDG: orale Uridingabe
GNE-CDG: orale ManNAc-Gabe
PMM2-CDG: fortgeschrittene Patientenstudie für Acetazolamid (AZATAX). Diese
zeigte beim motorischen Kleinhirnsyndrom der getesteten Patienten einen klinischen Nutzen durch verminderte Ataxie. Weiterhin auch fortgeschrittene Patientenstudie zur Überprüfung eines Liposoms mit Mannose-1-phosphat. Dies soll das bei PMM2-CDG nicht ausreichend produzierte Stoffwechselprodukt in die Zellen bringen und den PMM2-Defekt somit biochemisch umgehen.
Obwohl weltweit von klinischen und biochemischen Arbeitsgruppen stark geforscht wird, bestehen für die meisten CDG-Typen nur symptomatische Behandlungsmaßnahmen.
Verwendung des Vitamins D-Biotin für ALLE Patienten mit CDG-I und CDG-II
Bislang stellt die Gabe des Vitamins D-Biotin die weltweit einzige generelle Therapieoption bei CDG dar. Aber warum kann D-Biotin helfen? Bei der Biotinidase handelt es sich um ein Glykoprotein mit mehreren N- und O-Glykosylierungsstellen. Eine veränderte Glykosylierung setzt die Enzymaktivität der Biotinidase herab. Physiologisch dient die Biotinidase dazu, Biotin aus Biocytin und biotinylierten Peptiden freizusetzen und damit das Vitamin zu recyceln. Das so bereitgestellte Biotin wird als essenzieller Kofaktor für mehrere Carboxylasen benötigt, die für Glukoneogenese sowie den Aminosäure- und Fettsäurestoffwechsel zentral sind. Ist nicht ausreichend Biotin vorhanden, kann dies mit Hautausschlägen, Alopezie, Hypotonie, Krampfanfällen, Ataxie, Entwicklungsverzögerung, häufigen Entzündungen, Hör- und Augenproblematik einhergehen. Die Gabe von D-Biotin kann dieses Recyclingdefizit umgehen. In einer von uns durchgeführten Studie zeigten über 60% der Teilnehmenden mit PMM2-CDG sowie auch mit anderen CDG-I und CDG-II Defekten ein positives Ansprechen auf die Vitamingabe, wobei es insbesondere zu Verbesserungen in der Kognition, in Sprache und Sprechvermögen, in der motorischen Koordination, in Stimmung und Verhalten, bei Tremor bzw. Ataxie, in dem allgemeinen Gesundheitszustand einschließlich Haut- und gastrointestinalen Symptomen sowie bei Schlaf und Müdigkeit gekommen ist. Die meisten Effekte traten bereits innerhalb von 2 bis 12 Wochen auf (Himmelreich N, Garbade SF, Okun JG, Hengst S, Geiger V, Barone R, Wortmann SB, Thiel C. Exploring Secondary Biotinidase Deficiency and Biotin Supplementation in PMM2-CDG. Neuropediatrics. 2026;57(1):42-50. doi: 10.1055/a-2708-3016. PMID: 41052538; https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41052538/).
Therapien für weitere CDG-Defekte sind in der Erprobungsphase.
Die oben aufgeführte Zusammenstellung dient lediglich der Information und ersetzt keine (kinder-)ärztliche Beratung.
FORSCHUNG
Neben der Identifizierung neuer, bisher unbekannter Defekte des CDG-Typs sind wir besonders an der Aufklärung pathophysiologischer Vorgänge bei CDG und den damit verbundenen Einblicken in die generelle Bedeutung der Proteinglykosylierung sowie an der Entwicklung therapeutischer Strategien für CDG interessiert. So haben wir in den letzten Jahren die molekularen Ursachen für eine ganze Reihe von CDG-Typen identifiziert und charakterisiert. Durch die apparative Ausstattung unserer Labore können sowohl die eingehenden Patienten- als auch Forschungsproben umfassend biochemisch, genetisch, zellbiologisch oder histochemisch im eigenen Haus analysiert werden. Für Forschungskooperationen zu spannenden Projekten haben wir immer ein offenes Ohr.
