Kollagen Typ II, alpha 1, auch bekannt als Alpha-1-Typ-II-Kollagen, ist ein Protein, das im menschlichen Organismus vom Gen COL2A1 codiert wird. Bei Säugetieren fungiert Kollagen Typ II, ein fibrilläres Kollagen, als Strukturprotein des hyalinen und des elastischen Knorpels. Besonders stark exprimiert ist COL2A1 im Glaskörper, im Gallertkern (Nucleus pulposus) der Bandscheibe und im Innenohr.

Geschichte

Elisabeth Weiss, ehemalige C3-Professorin für molekulare Humangenetik der Ludwig-Maximilians-Universität München, beschrieb 1982 ein isoliertes Kollagen-Gen in einem 40 kb langen Cosmid-Klon (cosHco11), welches Homologien mit der Nukleotidsequenz des Alpha-1(I)-Gens aufwies, aber offensichtlich ein differentes Gen war.

1984 führte die US-amerikanische Genetikerin Ellen Solomon eine molekularbiologische Untersuchungsmethode für die aus somatischen Zellen stammender DNA durch, welches sich Southern Blot nennt, um die Gensequenz des noch nicht identifizierten Gens zu untersuchen. Es stellte sich heraus, dass das Gen sich auf dem Chromosom 17 befindet und keine Syntänie zwischen COL1A2 oder COL1A1 aufwies.

Francis Michael Pope, walisischer Klinikalgenetiker, stellte 1984 bei einer Deletion von 300 bp fest, dass dieses mutierte Gen das Ehlers-Danlos-Syndrom (Klassischer Typ) auslöste. Die Deletion wurde in der Nähe des 3′-Endes des Gens entdeckt. Ebenso wurde dieses mutierte Gen bei vier Babys entdeckt, die unter der letalen Osteogenesis imperfecta Typ III litten.

Charles Strom, US-amerikanischer Genetiker, bestätigte 1984 die Abnormalität dieses Gens (welches inzwischen als COL2A1 bezeichnet wurde) bei einer Mutation am Beispiel von Achondroplasie und Kongenitaler spondyloepiphysärer Dysplasie.

1985 entdeckte der Humangenetiker Bryan Sykes, dass dieses Gen die Alpha-Untereinheit des Kollagens in den Knorpeln codiert. Außerdem stellte man einen Polymorphismus in diesem Gen fest, das oft bei Indern entdeckt wurde.

Genstruktur

COL2A1 beinhaltet insgesamt 67 Exons. Das Gen befindet sich auf dem langen Chromosomenarm (q-Arm) auf der Chromosomenbande 12q13.11 des Chromosoms 12.

Funktion

Kollagen Typ II ist essenziell für das Knorpelgewebe. Außerdem ist es relevant für die normale embryonale Entwicklung des Skeletts, lineares Wachstum und die Fähigkeit des Knorpelgewebes Druckkräfte zu resistieren. Mutationen in diesem Gen werden vor allem assoziiert mit der Achondrogenesie Typ II, Skelettdysplasie, Arthrose, Kongenitalen spondyloepiphysären Dysplasie, Kniest-Dysplasie, dem Stickler-Syndrom Typ I, der Spondyloepimetaphysären Dysplasie Typ Strudwick und weiteren Krankheiten. COL2A1 beinhaltet ein Calcium-bindendes Protein, welches Chondrocalcin genannt wird und das C-terminale Propeptid dieses Kollagenmoleküls bildet. Bei Defekten bei der Prozessierung des Chondrocalcins kann es zur Achondroplasie führen.

Klinische Signifikanz

Mutationen im Gen COL2A1 könnten folgende Krankheiten verursachen:

• Achondrogenesie Typ II: Bei diesem Typ kann eine abnormale Pro-alpha-1(II)-Kette entdeckt werden, das die Produktion einer Kollagenfibrille Typ II beeinträchtigt. Dies wird durch einen Einzelnukleotid-Polymorphismus verursacht, der dazu führt, dass die Aminosäure Glycin gegen Serin an der Nukleotidposition 942 substituiert wird.

• Dysplasie, epiphysäre multiple, Typ Beighton: Verursacht wird dies durch eine heterozygote C-T-Transversion an der Nukleotidposition 2503 des Exons 39 des COL2A1-Gens. Dies wiederum resultiert in eine Substitution von Arginin gegen Cystein an der Position 704, häufig vorkommend an der X-Position des Gly-X-Y-Tripletts der Kollagen-Tripelhelix.

• Hypochondrogenesie: Ursache ist eine G-A-Transition, das zu einer Substitution von Glycin gegen Serin an der Position 943 oder 574 führt. Dadurch wird der interzelluläre Transport und die Sekretion der Kollagenmoleküle beeinträchtigt, sowie die Kollagenfibrille getrennt.

• Kniest-Dysplasie: Es wird eine abnormal kurze Pro-alpha-I(II)-Kette produziert. Es kommt zur Vernetzung mit normal langen Kollagenketten. Das Resultat ist, dass die Kollagenmoleküle Typ II kürzer als sie normalerweise sind.

• Kongenitale Spondyloepiphysäre Dysplasie: Kongenitale Spondyloepiphysäre Dysplasie kann durch verschiedene Mutationen im COL2A1-Gen verursacht werden. Diese Mutationen können in einer inkorrekten Substition einer Aminosäure in der Pro-alpha1(II)-Kette resultieren, was eine Produktion einer abnormal verkürzten Pro-alpha1(II)-Kette zur Folge hat.

• Platyspondylitische Dysplasie Typ Torrance: Weniger als zehn Mutationen im COL2A1-Gen wurden mit der Platyspondylitischen Dysplasie Typ Torrance identifiziert. Die meisten dieser Mutationen werden durch Einzelnukleotid-Polymorphismen in der Pro-alpha1(II)-Kette verursacht. Diese COL2A1-Mutationen führen zu einer abnormalen Variante einer Pro-alpha1(II)-Kette, welches nicht in die Typ-II-Kollagenfibrillen integriert werden kann. Dadurch produzieren die Zellen weniger Typ-II-Kollagen. Die abnormale Pro-alpha1(II)-Kette baut sich in Knorpelzellen (Chondrozyten) weiter auf. Demzufolge wird die Knochenentwicklung gestört, welches in skelettale Abnormalitäten resultiert.

• Spondyloepimetaphysäre Dysplasie Typ Strudwick: Dies wird durch eine Substitution einer anderen Aminosäure für Glycin verursacht, was zu einer Deformation der Konformation der Kollagenmoleküle führen kann.

Weitere Krankheiten, die durch Mutationen im Gen COL2A1 ausgelöst werden können:

• Avaskuläre Nekrose des Femurkopfes, familiäre Form
• Dysplasie, spondylometaphysäre, Corner-fracture-Typ
• Dysplasie, spondylometaphysäre periphere mit kurzer Ulna
• Dysplasie, spondylometaphysäre, Typ Schmidt
• Dysspondyloenchondromatose
• Morbus Perthes
• Netzhautablösung, rhegmatogene, autosomal-dominante
• Osteoarthritis, früh beginnende, mit milder spondyloepiphysäre Dysplasie
• Oto-spondylo-megaepiphysäre Dysplasie
• Spondyloepiphysäre Dysplasie Typ Namaqualand
• Spondyloepimetaphysäre Dysplasie Typ Stanescu
• Spondyloperiphere Dysplasie
• Stickler-Syndrom Typ I
• Stickler-Syndrom Typ III
• Tschechische Dysplasie, metatarsaler Typ
• Weissenbacher-Zweymüller-Syndrom

Tiermodell

Bei einer transgenen Maus, die ein partiell deletiertes menschliches COL2A1-Gen besitzt, kann eine Achondroplasie diagnostiziert werden, das zu einem disproportionierten Kleinwuchs führen kann. Merkmale sind dicke und kurze Extremitäten, kraniale Schwellungen, kurze rüsselartige Nase, gespaltener Gaumen, sowie verzögerte Knochenmineralisation.

Einzelnachweise

1. 1 2 Kollagen-Typ 2α1. In: GeneCards (englisch).
2. ↑ E. H. Weiss, K. S. Cheah: Isolation and characterization of a human collagen alpha 1(I)-like gene from a cosmid library. In: Nucleic Acids Research. 10. Jahrgang, Nr. 6. National Center for Biotechnology Information (NCBI), 25. März 1982, ISSN 0305-1048, S. 1981–1994, doi:10.1093/nar/10.6.1981, PMID 6281728, PMC 320584 (freier Volltext) – (englisch). 
3. 1 2 3 Kollagen-Typ 2α1. In: Online Mendelian Inheritance in Man. (englisch)
4. ↑ F. M. Pope, K. S. Cheah: Lethal osteogenesis imperfecta congenita and a 300 base pair gene deletion for an alpha 1(I)-like collagen. In: British Medical Journal. 288. Jahrgang, Nr. 6415. National Center for Biotechnology Information (NCBI), 11. Februar 1984, ISSN 0267-0623, S. 431–434, doi:10.1136/bmj.288.6415.431, PMID 6419953, PMC 1444740 (freier Volltext) – (englisch). 
5. ↑ C. M. Strom: Achondroplasia due to DNA insertion into the type II collagen gene. In: Patriatric Research. 18. Jahrgang, Nr. 4. Nature, 1984, ISSN 1530-0447, S. 226, doi:10.1203/00006450-198404001-00800 (englisch, nature.com). 
6. ↑ B. Sykes, R. Smith: Exclusion of the alpha-1(II) cartilage collagen gene as the mutant locus in type IA osteogenesis imperfecta. In: Journal of Medical Genetics. 22. Jahrgang, Nr. 3. British Medical Journal (BMJ), 1984, ISSN 0022-2593, S. 187–191, doi:10.1136/jmg.22.3.187, PMID 2989526 (englisch, bmj.com [PDF]). 
7. 1 2 COL2A1 collagen, type II, alpha 1 Homo sapiens (human). In: National Center for Biotechnology Information (NCBI). Abgerufen am 23. Dezember 2015 (englisch). 
8. ↑ UniProt P02458
9. ↑ COL2A1. In: Orphanet (Datenbank für seltene Krankheiten).