Susan Peters, MSc
Spierziekten en genetica Chromosomen en genen Ons lichaam is opgebouwd uit miljarden cellen. Zij ontstaan door celdeling. Eerst is er alleen een bevruchte eicel. Deze deelt zich in tweeën, zodat er twee cellen zijn. Die delen zich ook weer in tweeën, met als resultaat vier cellen, enzovoort. Na vele delingen
ontstaat
er
uiteindelijk
een
volgroeide baby. Elke cel bevat een kern. Daarin bevinden zich
de
chromosomen.
Zij
bevatten
genetische informatie die noodzakelijk is voor het ontwikkelen, in stand houden en voortplanten chromosoom
van
het
bestaat
individu.
Een
uit
DNA
(DesoxyriboNucleic Acid): één langgerekt, spiraalvormig molecuul. Normaal bevat elke lichaamscel 46 chromosomen die twee aan twee ongeveer gelijk zijn. Iedere cel heeft dus 23 chromosomenparen. Van elk paar is het ene chromosoom afkomstig
Figuur 1 Ontstaan van een mens
van de moeder en het andere van de vader. Eén van die paren bepaalt het geslacht: de geslachtschromosomen. Deze worden aangegeven met een X of een Y (zie figuur 2). Een vrouw (XX) heeft van zowel haar moeder als vader een X-chromosoom gekregen. Een man (XY) heeft een X-chromosoom van zijn moeder en een Y-chromosoom van zijn vader gekregen. Het chromosoom dat de man afgeeft, bepaalt dus het geslacht van het kind. De overige 22 paar chromosomen noemen we autosomen. Bij de deling tot voortplantingscellen (zaad- of eicellen) verdelen de chromosomen zich, zodat het aantal wordt gehalveerd van 46 naar 23. Bij bevruchting ontstaat uit de 23 chromosomen van de eicel en 23 van de zaadcel weer een cel met 46 chromosomen.
1
Figuur 2 Een zoon of dochter
Op de chromosomen liggen de genen, waarvan de mens er naar schatting 30.000 heeft. Ieder gen is een stukje afgebakend DNA dat als het ware een recept vormt voor een eiwit. Van elk chromosoom hebben we twee exemplaren. De daarop liggende genen hebben we dus ook in tweevoud. Eén gen is afkomstig van moeder en het andere van vader. Alle genen vormen samen het genoom, dat in iedere lichaamscel hetzelfde is. Ofschoon alle cellen in het lichaam dezelfde genen bevatten, hebben ze niet allemaal dezelfde rol. Dit wordt veroorzaakt doordat niet elk gen altijd ‘aangezet’ wordt. Dat hangt onder andere af van de plaats in het lichaam waar de cel zich bevindt. Het totaal aan genen dat een mens heeft, is uniek en vormt zijn genotype. Hoe deze genen uiteindelijk tot uiting komen, bijvoorbeeld in het uiterlijk van iemand of de ziekten die hij krijgt, noemen we het fenotype.
Figuur 3 Weergave van de opbouw van een chromosoom (links) uit DNA (rechts) A. Schematische weergave (sterk vergroot) van een chromosoom. B. Het materiaal waaruit een chromosoom is opgebouwd wordt DNA (desoxyribonucleïnezuur) genoemd. Dit DNA is gerangschikt in een spiraalvorm. C. De spiraal is opgebouwd uit een aantal kleinere eenheden (nucleïnezuren), die onderling met elkaar verbonden zijn in de vorm van een wenteltrap. D. Een aantal van de kleinere eenheden vormen een gen, dat codeert voor een bepaalde eigenschap. Bij een verandering in één zo’n eenheid kan er al sprake zijn van een (erfelijke) afwijking.
2
Van gen naar eiwit Bijna alles draait om eiwitten. Zij zijn de bouwstenen van ons lichaam en essentieel voor een cel. Ze zorgen voor stevigheid en bepalen de celfunctie; of het bijvoorbeeld een spiercel, zenuwcel of huidcel wordt. Sommige eiwitten zijn enzymen, welke bijvoorbeeld een belangrijke rol hebben in de stofwisseling. Eiwitten vormen dus de basis voor het goed functioneren van ons lichaam. Wanneer er iets fout gaat met een eiwit kan dat leiden tot ziekte. Bijvoorbeeld een fout met dystrofine (een eiwit dat zorgt voor de stevigheid van de spiercel en het vermogen om samen te trekken) veroorzaakt Duchenne en Becker spierdystrofie. Een ander voorbeeld van een eiwit is frataxine (dat waarschijnlijk ijzermoleculen transporteert) dat is aangetast bij de ataxie van Friedreich. Eiwitten zijn opgebouwd uit aminozuren, hun volgorde bepaalt de eiwiteigenschappen. De aminozuren moeten echter eerst aan elkaar gekoppeld worden. Dat gebeurt via de recepten van het DNA. DNA is opgebouwd uit vier basen; adenine, guanine, cytosine en thymine (AGCT). In de celkern wordt het DNA overgeschreven in RNA (RiboNucleic Acid). RNA maakt als het ware een kopie van het DNA (zie figuur 4). Thymine (T) wordt hierbij vervangen door uracil (U). De code op dit RNA kan worden opgedeeld in telkens drie achtereenvolgende basen. Deze noemt men een triplet of codon. Zij coderen voor een aminozuur. Er kunnen zo’n twintig verschillende aminozuren worden gevormd. Het codon CGU codeert bijvoorbeeld voor arginine. Er bestaan ook codons die voor de genregulatie zorgen. Zo is er een codon dat zegt dat begonnen moet worden met overschrijven (startcodon) en er is een codon dat aangeeft dat het klaar is (stopcodon).
Figuur 4 Dubbele DNA-streng die na splitsing in RNA wordt overgeschreven
3
Mutaties Veranderingen in het erfelijk materiaal die bij celdelingen aan andere cellen kunnen worden doorgegeven, noemen we mutaties. Mutaties zijn eigenlijk foutjes in het DNA. Deze kunnen onschuldig zijn, maar ook heel ernstige gevolgen hebben. Met name als een mutatie optreedt in een belangrijk deel van een gen, kunnen de gevolgen groot zijn. Mutaties kunnen in alle cellen optreden, maar zijn alleen overerfbaar als ze in een geslachtscel voorkomen. We onderscheiden verschillende soorten mutaties: allereerst op chromosoomniveau. Daarbij is er bijvoorbeeld een chromosoom teveel of te weinig, of ontbreekt een deel. Bij spierziekten komen dit soort mutaties vrijwel niet voor. De tweede soort is gelegen in een gen. Een gen kan een deel missen (we noemen dit een deletie), er kan juist een stuk inzitten dat er niet hoort (insertie), er kunnen delen omgeruild zijn (inversie) of er kan één base verruild zijn voor een andere (puntmutatie). Een deletie kan tot gevolg hebben dat een eiwit één of meerdere aminozuren mist. Stel dat een gen bestaat uit basen die de zin ‘zij had een kat’ vormen. Bij een deletie waardoor de basen van ‘een’ wegvallen, komt er te staan: ‘zij had kat’. Deze zin valt nog aardig te begrijpen. Ernstiger wordt het wanneer de deletie er toe leidt dat de rest van de boodschap een andere betekenis krijgt. Dit gebeurt bijvoorbeeld als er één enkele base ontbreekt, bijvoorbeeld de letter ‘h’. De drieletterwoorden van de DNA-boodschap schuiven dan allemaal één base op, zodat ze van betekenis veranderen. De zin luidt dan: zij ade enk at’. Deze zin is onbegrijpelijk. Er is een soort niet werkend ‘onzin-eiwit’ ontstaan (missense mutatie). Ook wanneer er door een mutatie te vroeg een stopcodon voorkomt (nonsense mutatie) of juist ontbreekt kan dat problemen opleveren. Het eiwit wordt dan maar deels gemaakt of er komt een heel stuk bij. Deleties zien we veelvuldig bij de spierdystrofieën van Duchenne en Becker. Bij Becker ontbreekt een stukje van het dystrofine-eiwit. Het eiwit is dus niet helemaal goed, maar voor een groot gedeelte werkt het nog wel. Bij Duchenne heeft het deel van de boodschap na de deletie echter ook zijn betekenis verloren. Er wordt een ‘onzin-eiwit’ gemaakt. Vandaar dat Duchenne spierdystrofie ernstiger is. ‘Loss-of-function’ en ‘gain-of-function’ mutaties Een ‘loss-of-function’ mutatie resulteert in vermindering of volledig verlies van activiteit van het eiwit. Wanneer één van de twee genen van een genenpaar gemuteerd is, zal in het ergste geval slechts de helft van de normale hoeveelheid eiwit worden gemaakt. Zeker bij enzymen is de werking van het normale genproduct meestal ruim voldoende om de reacties uit te voeren. Er is een overcapaciteit. Bij een mutatie op beide genen kan echter helemaal geen eiwit worden gemaakt. Daardoor treedt de ziekte op. Veel recessief geërfde ziekten betreffen een ‘loss-of-function’ mutatie, bijvoorbeeld de ziekte van Pompe.
4
Een ‘gain-of-function’ mutatie is het tegenovergestelde, dat leidt juist tot verhoogde activiteit of een totaal nieuwe functie van het genproduct. Hierdoor functioneert het niet zoals het zou moeten en dat leidt tot ziekte. Het gemuteerde gen overheerst het andere. Thomsen myotonie is een voorbeeld van een ziekte veroorzaakt door een dergelijke mutatie.
Overervingspatronen Soms wordt een ziekte veroorzaakt door een verandering in één gen. Of het gemuteerde gen op een geslachtschromosoom ligt of op één van de andere chromosomen (de autosomen), bepaalt het overervingspatroon. Van de geslachtschromosomen is met name het Xchromosoom van belang aangezien het Y-chromosoom vrijwel geen genen bevat. De genen die een genenpaar vormen, zijn bovendien niet altijd even ‘sterk’. Zo bestaan er dominante (overheersende) en recessieve (verborgen) genen. Een dominant gen zal altijd tot uiting komen, ook als het maar op één van de twee chromosomen voorkomt. Een recessief gen komt daarentegen alleen tot uiting wanneer beide chromosomen ditzelfde gen hebben. Als een persoon slechts op één van de chromosomen een schadelijke recessieve mutatie heeft, is hij gezond. Hij draagt echter wel de erfelijke informatie die codeert voor de ziekte en daarom noemen we hem drager. Dit alles is belangrijk voor de kans op de ziekte voor de kinderen. De meest voorkomende overervingspatronen worden hieronder uitgelegd. Autosomaal recessieve overerving Het gemuteerde gen ligt hierbij op een autosoom en de ziekte komt niet tot uiting als ook een normaal exemplaar van het gen aanwezig is. Het gezonde gen zorgt dan voor compensatie. Iemand met een autosomaal recessieve spierziekte heeft twee gemuteerde genen en geeft daarvan dus altijd één aan zijn kind. Een gezonde partner, die het gemuteerde gen niet draagt, geeft het kind een gezond gen. Het kind wordt in dit geval altijd drager. Een kind wordt alleen ziek als het van beide ouders het gemuteerde gen krijgt. Meestal zijn dan beide ouders drager. Hun kinderen hebben 25% kans om van allebei het gemuteerde gen te krijgen en dus ziek te worden; 50% kans om gezond maar drager te zijn, en 25% kans om gezond en geen drager te zijn. Deze kansen gelden bij elk kind opnieuw. Het kan dus gebeuren dat in een gezin twee kinderen achtereen de ziekte krijgen, maar ook dat juist geen enkel kind het krijgt. Jongens en meisjes hebben bij deze overervingswijze gelijke kansen. Als de partner van de patiënt wel drager is, hebben de kinderen 50% kans op de ziekte. Voorbeeld van autosomaal recessieve spierziekten zijn de spinale spieratrofie typen I, II en III, en de ataxie van Friedreich.
5
Figuur 5 Schema van een autosomaal recessieve overerving als beide ouders drager zijn.
Autosomaal dominante overerving Hierbij ligt het gendefect eveneens op een autosoom. Eén gemuteerd gen is al voldoende om ziek te worden. Mensen met een dergelijke aandoening zullen meestal een partner treffen die geen mutatie in hetzelfde gen bezit. De zieke ouder kan het gemuteerde gen of het gezonde gen doorgeven, allebei met een even grote kans. De gezonde ouder geeft altijd een gezond gen door. Hun kinderen hebben daardoor 50% kans op overerving van het gen en daarmee de ziekte. Ook hier is geen kansverschil tussen de geslachten. Voorbeelden van ziekten met deze overervingswijze zijn FSHD en myotone dystrofie.
Figuur 6 Schema van autosomaal dominante overerving als een der ouders aangedaan is.
6
Geslachtsgebonden recessieve overerving Het gendefect ligt hierbij op het X-chromosoom. De gemuteerde aanleg komt meestal niet, of zwak, tot uiting als ook de normale aanleg aanwezig is. Vrouwen (XX) kunnen draagster zijn. Zij hebben dan naast het gemuteerde gen op het ene X-chromosoom een normaal gen op het andere. Een man (XY) heeft slechts één X-chromosoom. Als het gen daarop gemuteerd is, heeft hij niet de compensatie van een tweede X-chromosoom zoals een vrouw. Geslachtsgebonden aandoeningen treffen daarom meestal mannen (jongens) en maar zelden vrouwen (meisjes). Dit heeft bijzondere gevolgen voor de overervingskansen. Een man geeft aan zijn zoons altijd een Y-chromosoom. Daardoor kan een zieke man de aandoening niet doorgeven aan zijn zoons. Al zijn dochters erven echter wel zijn Xchromosoom met de gemuteerde aanleg. Een dochter zal daarom altijd draagster worden. Elk van haar kinderen heeft dan weer 50% kans om het gemuteerde gen te krijgen. Bij een dochter leidt dat tot dragerschap, bij een zoon tot de ziekte. Deze overervingswijze zien we bijvoorbeeld bij de spierdystrofieën van Duchenne en Becker.
Figuur 7 Schema van geslachtsgebonden recessieve overerving als de vrouw draagster is.
Geslachtgebonden dominante overerving is voor spierziekten niet bekend. Mitochondriële overerving Ook buiten de celkern bestaat erfelijke informatie (DNA), namelijk in de mitochondriën. Dit zijn celonderdelen die voor energievorming zorgen. Bij het samensmelten van de geslachtscellen neemt een zaadcel zijn mitochondriën niet mee, maar de eicel wel. Een mutatie in het mitochondriële DNA wordt daarom alleen door de moeder doorgegeven. Het geslacht van het
7
kind maakt geen verschil. Bij de ziekten MERRF en MELAS vinden we een dergelijke
overerving. Hoewel een cel maar één kern heeft, heeft het daarentegen meerdere mitochondriën. Het kern DNA is in principe gelijk in iedere cel van een individu. Het mitochondrieël DNA kan echter verschillen, zelfs binnen één cel, omdat daar verschillende mitochondriën zijn. Dit fenomeen heet heteroplasmie. Hierdoor kan het gebeuren dat er in verschillende weefsels van een individu zowel normale als foute eiwitten worden gemaakt. De verhouding tussen normaal en gemuteerd mitochondrieël DNA kan binnen een persoon variëren per weefsel en kan ook veranderen met de tijd. Het verschilt ook per weefsel hoe schadelijk het gemuteerde DNA is. De hoeveelheid en verdeling van mitochondriën met een mutatie verklaren soms het verschil in fenotypen bij personen met erfelijke mitochondriële aandoeningen. Binnen één familie kunnen de symptomen van de ziekte daardoor sterk verschillen.
Figuur 8 Mitochondriële overerving
Mosaïcisme Bij mosaïcisme heeft een deel van de lichaamscellen een andere erfelijke samenstelling dan de rest. Het betreft voornamelijk nieuwe gendefecten. Stel bijvoorbeeld dat in een willekeurige celdeling na de bevruchting in één cel een mutatie optreedt, dan zullen alle daaruit voortkomende cellen die mutatie bevatten. In de overige cellen is dit echter niet het geval. Het kan daardoor voorkomen dat iemand maar gedeeltelijk ziek of drager is. Met name dat laatste blijkt zich nogal eens voor te doen bij Duchenne spierdystrofie. Soms wordt bij een jongen met deze aandoening een mutatie vastgesteld, die bij bloedonderzoek bij zijn moeder niet wordt teruggevonden. De mutatie is dus niet terug te vinden in haar lichaamscellen. Dan moet er rekening gehouden worden met de mogelijkheid dat de mutatie wel in een deel van haar eicellen voorkomt. Daarmee bestaat toch een herhalingsrisico.
8
Epigenetische fenomenen Chromosomen
zijn
opgebouwd
uit
chromatine:
een
combinatie
van
DNA
en
chromosoomeiwit (histonen). We onderscheiden twee soorten chromatine; euchromatine dat uit de actieve genen bestaat en heterochromatine dat het inactieve DNA bevat. Door chemische veranderingen van het DNA of de histonen kan de chromatinestructuur wijzigen zonder dat de basenvolgorde verandert. Dit noemen we epigenetische fenomenen. Dit gebeurt met name door methylering, dat de overschrijving van DNA naar RNA kan verhinderen. Het is belangrijk voor de genregulatie, dus of genen wel of niet tot uiting komen. Hieronder staan enkele epigenetische fenomenen beschreven die van belang kunnen zijn voor bepaalde spierziekten. Imprinting Bij imprinting is er sprake van een verschil in het tot uitdrukking komen van erfelijk materiaal, afhankelijk of het van vader ofwel van moeder is geërfd. Dezelfde genetische informatie afkomstig van vader (paternaal) of moeder (maternaal) kan hierbij resulteren in een verschillend fenotype. Imprinting veranderd genen in de geslachtscellen waardoor die genen inactief worden. Bij maternale imprinting wordt het gen dat van moeder is geërfd inactief gemaakt en komt dat van vader juist tot uitdrukking. Imprinting van het gen van vaders kant (paternale imprinting) zorgt ervoor dat het gen vaders kant inactief wordt en dat van moeder tot uitdrukking komt. Wanneer het gen dat niet inactief wordt gemaakt een mutatie bevat, kan dat tot ziekte leiden. Dus als de moeder een gemuteerd gen doorgeeft en er is sprake van paternale imprinting, dan komt het gemuteerde gen bij het kind tot uiting. Wanneer er echter maternale imprinting plaats zou vinden, dan komt het bij het kind niet tot uitdrukking. Deze kan het gen dan op zijn beurt wel weer doorgeven aan zijn of haar kinderen. Het geslacht van het kind is voor imprinting niet van belang, alleen dat van de ouder die het gen doorgeeft. Genetische imprinting van een gen is altijd óf paternaal óf maternaal, dat ligt dan vast voor dat gen en verandert ook niet. Een belangrijk aspect van imprinting is het uitwissen en opnieuw instellen van het gen bij elke generatie. Zo blijft het consistent met het geslacht van de ouder. Een gen met maternale imprinting wordt in de mannelijke geslachtscel weer actief. Bij een gen met paternale imprinting daarentegen zal hier opnieuw imprinting plaatsvinden. De precieze werkwijze is onbekend.
9
X-chromosoom inactivatie Bij alle vrouwen wordt één van de twee X-chromosomen in elke cel grotendeels geïnactiveerd. Dit gebeurt willekeurig, in een vroeg stadium van de embryonale ontwikkeling. Vrouwen die draagster zijn van een recessieve X-gebonden aandoening zijn in het algemeen gezond of vertonen slechts lichte verschijnselen. Het gezonde gen op het andere Xchromosoom werkt voldoende. Toch kunnen vrouwen soms ernstig zijn aangedaan wanneer het normale X-chromosoom in het grootste deel van de cellen is geïnactiveerd. Dit kan voorkomen bij draagsters van Duchenne. Instabiele grootte repeats Sommige erfelijke (spier)ziekten worden veroorzaakt door een vergroot aantal herhalingen (repeats) van een bepaald codon. Voorbeelden hiervan zijn ataxie van Friedreich, FSHD en myotone dystrofie. De grootte van dit aantal is niet altijd stabiel. Bij een instabiel aantal herhalingen varieert de grootte tussen de generaties. Dit komt voor bij ataxie van Friedreich en myotone dystrofie. Als gevolg van instabiele herhalingsgrootte kan anticipatie optreden. Dat betekent dat de ziekte in elke volgende generatie op jongere leeftijd begint en het ernstiger verloopt. We zien dit bijvoorbeeld bij myotone dystrofie.
Genomics en proteomics Genomics is de term voor grootschalig onderzoek naar erfelijkheid en genen, afgeleid van het woord genoom. Men wil de bouwstenen van het leven ontdekken. De DNA-samenstelling wordt ontrafeld om de menselijke genoomkaart te maken. Een essentiële rol is weggelegd voor de bioinformatica. Daarmee is het mogelijk geworden om alle informatie te verzamelen, op te slaan, te organiseren, te interpreteren, te analyseren en te communiceren. Via het internet is veel informatie voor iedereen toegankelijk. Proteomics is een vervolg op genomics. De naam proteomics komt van het woord ‘proteïne’, dat eiwit betekent. Zoals al eerder beschreven kunnen cellen van dezelfde persoon, met allemaal hetzelfde DNA, toch zeer uiteenlopende verschijningsvormen hebben. Proteomicsonderzoek bekijkt welke eiwitten in welke mate in het lichaam voorkomen. Daarnaast worden veranderingen en interacties tussen eiwitten onderzocht. Een belangrijk doel van proteomics is de koppeling hiervan aan biologische eigenschappen, zoals de ontwikkeling van cellen en weefsels, maar ook aan het ontstaan van ziekten. Wanneer eiwitinteracties beter bekend zijn, kunnen meer diagnostische tests voor aandoeningen worden verwacht. Het zou eveneens aanknopingspunten voor behandeling kunnen bieden.
10
Bij het schrijven van deze tekst is gebruik gemaakt van onderstaande website en literatuur: -
www.erfelijkheid.nl, Erfocentrum
-
‘Handboek spierziekten’, Vereniging Spierziekten Nederland
-
e ‘Genen in beweging Erfelijkheid in de 21 eeuw’, Elsevier
-
th ‘Emery’s elements of medical genetics’ 11 edition, Mueller and Young
-
‘Informatiefolder Myotone dystrofie voor medici’, Vereniging Spierziekten Nederland
-
‘Proteomics, van techniek tot inzicht’, Mediator - april 2005 - jaargang 16 - nummer 3
11
