Neue Wege zur Diagnose: Episignaturen erweitern die Möglichkeiten bei Entwicklungsstörungen

Trotz etablierter humangenetischer Diagnostik – Chromosomenanalyse, Array-CGH und Single- bzw. Trio-Whole-Exome-Sequenzierung – bleibt die Ursache bei 40–60 % der Patient:innen mit Entwicklungsstörungen ungeklärt. Eine neue Methode kann diese diagnostische Lücke gezielt verkleinern.

Epigenetik als zusätzliche Informationsebene

Das menschliche Genom kodiert genetische Information in der DNA-Sequenz. Die Nutzung der Informationen wird durch eine zusätzliche Ebene reguliert: die Epigenetik. 

Zu den wichtigsten epigenetischen Mechanismen zählt die DNA-Methylierung – die kovalente Bindung einer Methylgruppe an Cytosin-Reste, typischerweise an der 5‘-Position von Cytosin in CpG-Dinukleotiden. Durch diese Modifikation kann die Zugänglichkeit des Chromatins und damit die Genexpression verändert werden, ohne die zugrundeliegende DNA-Sequenz zu verändern.

Ein weiterer zentraler Regulationsmechanismus ist die posttranslationale Modifikation von Histonproteinen, insbesondere die Methylierung und Acetylierung von Histon-H3-Lysinresten. 

Viele Gene, die mit angeborenen Entwicklungsstörungen assoziiert sind, kodieren für Proteine, die direkt in diese epigenetischen Regulationsprozesse eingreifen – etwa Chromatin-Remodeling-Komplexe, Histon-Methyltransferasen oder -Demethylasen.

Entstehung und Erkennung von Episignaturen

Pathogene Varianten in Genen, die epigenetische Regulatoren kodieren hinterlassen charakteristische, genomweit verteilte Veränderungen des DNA-Methylierungsmusters. Diese sogenannten epigenetischen Signaturen oder Episignaturen sind für das jeweilige Gen bzw. der zugrundeliegenden Fehlfunktion der epigenetischen Regulatoren typisch und reproduzierbar nachweisbar – auch über verschiedene Individuen hinweg.

Beispiele hierfür sind gut charakterisierte Syndrome wie das Cornelia-de-Lange-Syndrom (NIPBL, SMC1A, SMC3, RAD21), das Coffin-Siris-Syndrom (ARID1B, ARID1A, SMARCB1, SMARCA3, ARID2) oder das Kabuki-Syndrom (KMT2D, KDM6A). Bei all diesen Erkrankungen lässt sich eine spezifische Episignatur definieren, die als diagnostisches Referenzmuster dient.

Entscheidend: Episignaturen können auch dann nachweisbar sein, wenn die ursächliche Sequenz- oder Kopienzahlvariante des betroffenen Gens mit konventionellen Methoden nicht oder nicht eindeutig detektiert wurde – etwa bei Varianten unklarer Signifikanz (VUS) oder bei unauffälligem WES-Befund trotz eindeutiger Klinik.

Methodik: Methylierungsanalyse funktionell relevanter Regionen des gesamten Genoms

Die technische Grundlage bildet die Bisulfit-Konvertierung genomischer DNA, gefolgt von einer Hybridisierung auf Hochdurchsatz-Mikroarrays (z. B. Illumina EPIC-Array), die über 800.000 CpG-Positionen in funktionell relevanten Regionen des gesamten Genoms abdecken. Das resultierende Methylierungsprofil wird bioinformatisch mit validierten Referenzdatensätzen bekannter Episignaturen verglichen Klassifikations-Algorithmen - basierend auf Machine-Learning-Verfahren (z. B. Support Vector Machine) – ermöglichen eine standardisierte, datengetriebene Zuordnung zu bekannten Signaturmustern.

Darüber hinaus erlaubt das Methylierungsprofil die Diagnose klassischer Imprinting-Erkrankungen wie dem Angelman-Syndrom oder dem Prader-Willi-Syndrom, die auf Störungen der elternspezifischen Genexpression in der chromosomalen Region 15q11-q13 beruhen. Dabei zeigt sich beim Prader-Willi-Syndrom typischerweise ausschließlich ein maternales Methylierungsmuster der SNRPN-Region, während beim Angelman-Syndrom typischerweise ausschließlich ein paternales Methylierungsmuster nachweisbar ist.

Klinische Einordnung und Mehrwert

Die Episignaturen-Diagnostik ist als komplementäre Untersuchung konzipiert – nicht als Ersatz für bestehende Methoden. Ihr besonderer Wert liegt in folgenden klinischen Szenarien:

• Unauffälliger oder nicht eindeutiger WES-Befund bei klinisch eindeutigem Syndromverdacht
• VUS-Klärung: Eine zur klinischen Diagnose passende Episignatur kann die Pathogenität einer Variante funktionell stützen

In dieser Konstellation ermöglicht die Methode in zusätzlichen 5–10 % der Fälle eine Diagnosestellung.

Praktische Hinweise zur Einsendung

Benötigt wird eine EDTA-Blutprobe, ein ausgefülltes Auftragsformular inklusive Überweisungsschein sowie eine Einverständniserklärung. Sofern aus einer früheren Diagnostik noch aus EDTA-Blut asservierte DNA vorliegt, kann diese direkt verwendet werden. Eine Abrechnung über die GKV ist möglich.

Als Orientierung empfehlen wir eine Stufendiagnostik: Basisdiagnostik inklusive Trio-WES, anschließend Episignaturen. Das Vorgehen lässt sich jedoch flexibel an die individuelle klinische Konstellation anpassen