Prävalenz von Melanocortin-4-Rezeptor(MC4R)-Mutationen und Polymorphismen bei adipösen Kindern und Jugendlichen in einer konsekutiven pädiatrischen Inanspruchnahmepopulation

Zusammenfassung

Die Prävalenz der Adipositas im Kindesalter nimmt zu. Gewichtsregulation und Nahrungsaufnahme unterliegen komplexen Regulationsmechanismen. Eine entscheidende Rolle kommt dem leptinerg-melanocortinergen Regelkreis zu. Ziel: Identifizierung von Mutationen im Melanocortin-4 Rezeptorgen (MC4R) und Analyse phänotypischer Effekte identifizierter Mutationen, ebenso wie familiärer und kardiovaskulärer Risikofaktoren bei deutschen adipösen Kindern und Jugendlichen. Patienten: Konsekutive Rekrutierung von 90 deutschen adipösen Kindern und Jugendlichen, im Alter von 3 bis 16 Jahren, mit einem mittleren BMI-SDS von + 2,6. Methoden: Eine Mutationssuche im MC4R wurde mittels denaturierender Hochdruck-Flüssigchromatographie (dHPLC), und anschließender Re-Sequenzierung der Proben mit aberrantem dHPLC Muster, durchgeführt. Essverhalten und Adipositas-assoziierte familiäre Erkrankungen wurden mittels semi-strukturierter Interviews erhoben. Metabolische Evaluation umfasste: Orale Glukosetoleranztests (OGTT, WHO-Kriterien), Berechnung der Insulinresistenz (Homeostasis Model Assessment, HOMA) und -sensitivität (ISI); Lipidpanel für den Lipidstatus, Blutdruckbestimmung und abdominellen Ultraschall. Ergebnisse: Drei Patienten waren heterozygot für jeweils eine MC4R Mutation (Thr112Met, Ala175Thr und Gly181Asp). Gly181Asp geht mit einem kompletten Funktionsverlust einher; bei Ala175Thr und Thr112Met ist die Rezeptorfunktion eingeschränkt. BMI, Cholesterinspiegel und Taillen/Hüft-Quotienten (W/H-Ratio) der Patienten mit MC4R-Mutationen waren nicht unterschiedlich zu den Patienten ohne MC4R-Mutationen. Im Gesamtkollektiv korrelierten Hypercholesterinämie (22 %) und -triglyceridämie (34 %) mit der W/H-Ratio. Eine pathologische Glukosetoleranz zeigte sich bei 12 % des gesamten Patientenkollektivs. Patienten mit einer normalen Glukosetoleranz hatten zu 68 % eine erhöhte Insulinresistenz (HOMA: 3,12; Referenzwert < 1,9) und eine erniedrigte Insulinsensitivität (ISI: 4,3; Referenzwert > 7,2). Patienten mit MC4R-Mutationen zeigten eine normale Glukosetoleranz mit zur Kontrollgruppe vergleichbaren Werten. Bluthochdruck wurde bei 24 % aller Patienten gemessen und korrelierte mit dem BMI (r = + 0,8). Keiner der Patienten mit MC4R-Mutationen hatte eine Hypertonie. Die Leptinspiegel der Patienten mit MC4R-Mutationen unterschieden sich nicht von den Werten des restlichen Patientenkollektivs. Vier Patienten waren heterozygot für zwei MC4R Polymorphismen (Val103Ile und Ile251Leu), einer war homozygot für den Val103Ile Polymorphismus. Phänotypisch waren sie nicht von den Patienten ohne MC4R-Varianten zu unterscheiden. Schlussfolgerung: Wir fanden bei unserem Untersuchungskollektiv, einer konsekutiven Inanspruchnahmepopulation von 90 adipösen Kindern und Jugendlichen bei 3,3 % MC4R Mutationen (Thr112Met, Ala175Thr und Gly181Asp) und bei 5,5 % MC4R Polymorphismen (Val103Ile, Ile251Leu). Kinder mit MC4R-Mutationen wiesen kein erhöhtes metabolisches Risiko auf verglichen mit adipösen Kindern und Jugendlichen ohne Rezeptorveränderungen. Das gesamte untersuchte Patientenkollektiv zeigte jedoch erhöhte Risikofaktoren für die spätere Entwicklung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen.

Abstract

Background: The prevalence of childhood obesity is steadily increasing. Weight regulation and food intake are subject to complex regulatory mechanisms. The leptinergic-melanocortinergic system is known to be of major importance. Aim of the study: Identification of mutations in the melanocortin 4 receptor gene (MC4R) and of phenotypic effects of detected mutations in German obese children and adolescents. Family specific and cardiovascular risk factors were also analysed. Patients: Consecutive ascertainment of 90 obese children and adolescents with a medium BMI SDS of + 2.6, age range 3 to 16 years. Methods: Mutation screen within the MC4R was carried out by denaturing high performance liquid chromatography (dHPLC) and re-sequencing of samples with aberrant dHPLC patterns. Eating behaviour and obesity-associated diseases within the families were evaluated by semi-structured interviews. Metabolic evaluation included: oral glucose tolerance test (OGTT, WHO criteria) for calculation of insulin resistance (Homeostasis Model Assessment, HOMA) and insulin sensitivity index (ISI), lipid panel for lipid status, blood pressure measurement and abdominal ultrasound. Results: Three patients were heterozygous MC4R mutation carriers (Thr112Met, Ala175Thr and Gly181Asp). Gly181Asp leads to a complete loss of function; whereas Thr112Met and Ala175Thr lead to a reduced receptor function. The patients with heterozygous MC4R mutations had BMIs, cholesterol levels and waist to hip ratios (W/H) that did not differ from the rest of our study group. The overall occurrence of hypertriglyceridemia (34 %) and hypercholesterinemia (22 %) was correlated with the W/H-ratio. The overall incidence of impaired glucose tolerance was 12 %. In those with a normal glucose tolerance 68 % already had an increased HOMA (mean 3.12; reference value < 1.9) and decreased ISI (mean 4.3; reference value > 7.2). The patients with MC4R mutations had a normal glucose tolerance with similar HOMA and ISI values compared to the rest of the patients. Hypertension was found in 24 % of all cases and blood pressure was correlated with BMI (r+ 0.8). None of the patients with MC4R mutations were hypertensive. Leptin levels did not discriminate between patients with MC4R mutations and the other patients. Five patients harboured one of the MC4R polymorphisms (Val103Ile, Ile251Leu). These were phenotypically indistinguishable from the individuals without MC4R variants. Conclusion: We detected MC4R mutations (Thr112Met, Ala175Thr and Gly181Asp) in 3.3 % and MC4R polymorphisms (Val103Ile, Ile251Leu) in 5.5 % of the analysed obese children and adolescents, respectively. The patients with MC4R mutations did not show a higher metabolic risk compared to obese children and adolescents without mutations. However the total study group is prone to an increased risk for developing metabolic and cardiovascular diseases.

Adipositas - Kind - metabolisches Risiko - Leptin - Insulin - MC4-Rezeptor-Gen

obesity - childhood - metabolic risk factors - leptin - insulin - MC4-receptor-gene

Literatur

• 1 Ahima R S, Flier J S. Leptin.  Annu Rev Physiol. 2000;  62 413-437
• 2 Behrman R E, Kliegman R M, Jenson H B. Nelson Textbook of pediatrics. Defects in metabolism of lipids. 17th ed. WB Sanders Company 2003
• 3 Benecke A, Vogel H. Übergewicht und Adipositas. In: Robert Koch-Institut (Hrsg). Gesundheitsberichtserstattung des Bundes. Heft 16. Berlin 2003
• 4 Biebermann H, Krude H, Elsner A, Chubanov V, Gudermann T, Gruters A. Autosomal-dominant mode of inheritance of a melanocortin-4 receptor mutation in a patient with severe early-onset obesity is due to a dominant-negative effect caused by receptor dimerization.  Diabetes. 2003;  52 2984-2988
• 5 Blum W F, Englaro P, Hanitsch S. et al . Plasma leptin levels in healthy children and adolescents. Dependence on body mass index, body fat mass, gender, pubertal stage and testosterone.  J Clin Endocrinol Metab. 1997;  822 904-910
• 6 Blum W F, W K iess, Rascher W. Leptin - The voice of adipose tissue. Leptin: Reference ranges of serum leptin levels according to body mass index, gender, and developmental stage. Edition J&J. JA Barth Verlag 1997
• 7 Blundell J E, Mac Diarmid J I. Fat as a risk for overconsumption: satiation, satiety, and patterns of eating.  J Am Diet Assoc. 1997;  97 S 63-S 69
• 8 Caro J F, Kolaczyski J W, Nyce M R, Ohannesian J P, Opentanova I, Goldman W H, Lynn R B, Zhang P L, Sinha M K, Considine R V. Decreased cerebrospinal-fluid/serum leptin ratio in obesity: a possible mechanism for leptin resistance.  Lancet. 1996;  348 159-161
• 9 Cheung C C, Clifton D K, Steiner R A. Proopiomelanocortin neurons are direct targets for leptin in the hypothalamus.  Endocrinology. 1997;  138 4489-4492
• 10 Dubern B, Clement K, Pelloux V, Froguel P, Giradet J P, Guy-Grand B, Tounian P. Mutational analysis of melanocortin-4 receptor, agouti-related protein, and alpha-melanocyte-stimulating hormone genes in severly obese children.  J Pediatr. 2001;  139 2004-2009
• 11 Farooqi I S, Yeo G SH, Keogh J M, Aminian S, Jebb S A, Butler G, Cheetham T, O'Rahilly S. Dominant and recessive inheritance of morbid obesity associated with melanocortin 4 receptor deficiency.  J Clin Invest. 2000;  106 271-279
• 12 Ferro-Luzzi A, Martino L. Obesità and physical activity. Review.  Ciba Found Symp. 1996;  201 207-221
• 13 Gantz I, Miwa H. et al . Molecular cloning expression,and gene localization of a fourth melanocortin receptor.  J Biol Chem. 1993;  268 15174-15179
• 14 Geller F, Reichwald K, Dempfle A, Illig T, Vollmert C, Herpertz S, Siffert W, Platzer M, Hess C, Gudermann T, Biebermann H, Wichmann H E, Schafer H, Hinney A, Hebebrand J. Melanocortin-4 receptor gene variant I103 is negatively associated with obesity.  Am J Hum Genet. 2004;  74 572-581
• 15 Gu W, Tu Z. et al . Identification and functional analysis of novel human melanocortin-4 receptor variants.  Diabetes. 1999;  48 635-639
• 16 Heinze E, Holl R W. Test of β-cell function in childhood and adolescence. In: Ranke MB (Hrsg). Diagnostics of endocrine function in children and adolescents. 3rd ed. Karger, Basel 2003
• 17 Heinze E, Horn T, Wabitsch M, Wudy S, Sorgo W, Homoki J. Bestimmung von Insulinresistenz und Insulinsensitivität bei Kindern und Jugendlichen.  Monatsschr Kinderheilkd. 2002;  150 1095-1100
• 18 Herpertz S, Siffert W, Hebebrand J. Binge eating as a phenotype of melanocortin 4 receptor gene mutations.  N Engl J Med. 2003;  349 606-609
• 19 Hinney A, Hohmann S, Geller F, Vogel C, Hess C, Wermter A K, Brokamp B, Goldschmidt H, Siegfried W, Remschmidt H, Schafer H, Gudermann T, Hebebrand J. Melanocortin-4 receptor gene: case-control study and transmission disequilibrium test confirm that functionally relevant mutations are compatible with a major gene effect for extreme obesity.  J Clin Endocrinol Metab. 2003;  88 4258-4267
• 20 Hinney A, Schmidt A, Notteborn K. et al . Several mutations in the melanocortin-4 receptor gene including a nonsense and a frameshift mutation associated with dominantly inherited obesity in humans.  J Clin Endocrinol Metab. 1999;  84 1483-1486
• 21 Jacobson P, Ukkola O, Rankinen T, Snyder E E, Leon A S, Rao D C, Skinner J S, Wilmore J H, Lonn L, Cowan G S, Sjostrom L, Bouchard C. Melanocortin 4 receptor sequence variations are seldom a cause of human obesity: the Swedish obese subjects, the HERITAGE family study, and a Memphis cohort.  J Clin Endocrinol Metab. 2002;  87 4438-4441
• 22 Larsen L H, Echwald S M, Sorensen T I, Andersen T, Wulff B S, Pedersen O. Prevalence of mutations and functional analyses of melanocortin 4 receptor variants identified among 750 men with juvenile-onset obesity.  J Clin Endocrinol Metab. 2005;  90 219-224
• 23 Lubrano-Berthelier C, Durand E, Dubern B, Shapiro A, Dazin P, Weill J, Ferron C, Froguel P, Vaisse C. Intracellular retention is a common characteristic of childhood obesity-associated MC4R mutations.  Hum Mol Genet. 2003;  12 145-153
• 24 MacNeil D J. et al . The role of melanocortins in body weight regulation: opportiunities for the treatment of obesity.  Eur J Pharmacol. 2002;  440 141-157
• 25 Marti A, Corbalan M S, Forga L, Martinez J A, Hinney A, Hebebrand J. A novel nonsense mutation in the melanocortin-4 receptor associated with obesity in a Spanish population.  Int J Obes Relat Metab Disord. 2003;  27 385-388
• 26 Miraglia Del Giudice E, Cirillo G, Nigro V, Santoro N, D'Urso L, Raimondo P, Cozzolino D, Scafato D, Perrone L. Low frequency of melanocortin-4 receptor (MC4R) mutations in a mediterranean population with early-onset obesity.  Int J Obes Relat Metab Disord. 2002;  26 647-651
• 27 Nijenhuis W A. et al . Poor cell surface expression of human melanocortin-4 receptor mutations associated with obesity.  J Biol Chem. 2003;  278 22 939-22 945
• 28 Perusse I, Tremblay A, Leblanc C, Bouchard C. Genetic and environmental influences on level of habitual physical activity and exercise participation.  Am J Epidemiol. 1989;  129 1012-1022
• 29 Raab M, Hinney A, Grassl W, Remschmidt H, Hebebrand J. Bedeutung des melanokortinergen Systems für die Gewichtsregulation.  Dtsch Med Wochenschr. 2003;  128 447-452
• 30 Rohner-Jeanrenaud F, Cusin I, Siansbury A, Zakrzewska K E, Jeanrenaud B. The loop system beteween neuropeptide Y and leptin in normal and obese rodents.  Horm Metab Res. 1996;  28 642-648
• 31 Sina M, Hinney A, Ziegler A. et al . Phenotypes in three pedigrees with autosomal dominant obesity caused by happloinsufficiency mutations in the melanocortin-4 receptor gene.  Am J Hum Genet. 1999;  65 1501-1507
• 32 Stumvoll M. et al . Use of the oral glucose tolerance test to assess insulin release and insulin sensitivity.  Diabetes Care. 2000;  23 295-301
• 33 Tritos N A, Maratos-Flier E. Two important systems in energy homeostasis: melanocortins and melanin-concentrating hormone.  Neuropeptides. 1999;  33 339-349
• 34 Vaisse C, Clement K, Durand E, Hercberg S, Guy-Grand B, Froguel P. Melanocortin-4 receptor mutations are a frequent and heterogeneous cause of morbid obesity.  J Clin Invest. 2000;  106 253-262
• 35 Valli-Jaakola K, Lipsanen-Nyman M, Oksanen L, Hollenberg A N, Kontula K, Bjorbaek C, Schalin-Jantti C. Identification and characterization of melanocortin-4 receptor gene mutations in morbidly obese finnish children and adults.  J Clin Endocrinol Metab. 2004;  89 940-945
• 36 Wabitsch M, Kunze D. Adipositas im Kindes- und Jugendalter. Basisinformationen und Leitlinien für Diagnostik, Therapie und Prävention.  Monatsschr Kinderheilkd. 2001;  149 805-806
• 37 Williams C L, Hayman L L. et al . Cardiovascular health in childhood: A statement for health professionals from the Committee on atherosclerosis, hypertension and obesity in the young (AHOY).  Circulation. 2002;  106 143-160
• 38 Yeo G S, Lank E J, Farooqi I S, Keogh J, Challis B G, O'Rahilly S. Mutations in the human melanocortin-4 receptor gene associated with severe familial obesity disrupts receptor function through multiple molecular mechanisms.  Hum Mol Genet. 2003;  12 561-574