Theoretical basis and application of molecular diagnostics

Summary

Molecular biology has brought much progress in understanding physiology and pathophysiology as well as tumor development in thyroidology. The principles of gene organisation, regulation, and expression will be mentioned in regard to the thyroid and thyroid hormones. A growing number of thyroid disorders are linked to molecular events like mutations, deletions, splice errors, gene duplications or aberrant expression. The genetic causes and molecular approaches in diagnosis are most evident in rare inheritable syndromes, such as familial medullary thyroid carcinoma (FMTC, MEN 2), thyroid hormone resistance or non-autoimmune autosomal dominant hyperthyroidism. Furthermore, in toxic nodules, papillary and sporadic medullary thyroid carcinomas somatic mutations have been found, of which the pathogenetic role is still under debate. The molecular tools to diagnose gene mutations are mostly based on the polymerase chain reaction (PCR). Screening methods include single-strand conformation polymorphism (SSCP), denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE), and temperature gradient gel electrophoresis (TGGE). More specific methods like enzyme restrictions or allele-specific PCR require precise knowledge of the mutation which is searched for in genomic DNA. DNA sequencing is the safest but not the cheapest or simplest way to detect a mutation, Some examples will be given for the application of the above mentioned methods in diagnosing certain thyroid diseases.

Zusammenfassung

Die Molekularbiologie brachte große Fortschritte für das Verstehen physiologischer und pathophy-siologischer Vorgänge sowie der Tumorentwicklung in der Thyreologie. Die Prinzipien von Gen-Organisation, -Regulation und -Expression werden im Hinblick auf ihre Relevanz für die Schilddrüse und Schilddrüsenhormone erwähnt. Eine wachsende Zahl von Schilddrüsenerkrankungen wird mit molekularen Ereignissen in Zusammenhang gebracht, wie z. B. Mutationen, Deletionen, Spleißirrtümer, Genverdopplungen oder aberrante Expression. Am offensichtlichsten sind die genetischen Ursachen und molekularbiologischen Ansätze zur Diagnostik bei seltenen vererbten Syndromen wie beispielsweise bei familiären Formen des medullären Schilddrüsenkarzinoms (FMTC, MEN 2), Schilddrüsenhormonresistenz oder der nicht-autoim-munen autosomal-dominant vererbten Hyperthyreose. Darüber hinaus sind somatische Mutationen bei autonomen Adenomen, papillären und sporadischen medullären Karzinomen charakterisiert worden, deren pathogenetische Rolle noch diskutiert wird. Die molekularen Methoden zur Diagnostik von Genmutationen basieren zumeist auf der Polymerase-Kettenreaktion (PCR). Zu den Screening-Methoden gehören die SSCP (Einzelstrang Konformations-Polymorphismen), DGGE (Denaturie-rungs-Gradienten-Gel-Elektrophorese) und die TGGE (Temperatur-Gradienten-Gel-Elektrophorese). Spezifischere Methoden wie die Anwendung von Restriktionsenzymen oder die Al-lel-spezifische PCR benötigen genaue vorherige Kenntnis der Mutation, nach der im genomischen DNA-Material gesucht werden soll. Die DNA-Sequenzierung ist die sicherste aber nicht billigste und einfachste Methode, eine vermutete Genmutation zu entdecken. Einige Beispiele werden gegeben, um die Anwendung der erwähnten Methoden zur molekularen Diagnostik bestimmter Schilddrüsenerkrankungen zu beschreiben.

Key words

DGGE - diagnostics - DNA sequencing - gene structure - germline mutation - inheritance - MEN 2 - PCR - restriction enzyme - somatic mutation - SSCP - TGGE - thyroid hormone resistance