Boeksamenvatting bij Medical Genetics - Jorde, Carey, Bamshad - 4e druk


Medische genetica: genen en chromosomen - Chapter 2

Alle genetische aandoeningen hebben betrekking op defecten op het niveau van de lichaamscellen. Om genetische ziekten te kunnen begrijpen, is het dus belangrijk om de basis van de celbiologie te kennen. Op verschillende plekken en momenten kunnen er fouten optreden, bijvoorbeeld tijdens de replicatie van genetisch materiaal of in de translatie van genen naar eiwitten. Dergelijke defecten leiden veelal alleen tot defecten in de aangedane cel. Wanneer er echter een fout optreedt tijdens de celdeling, kunnen er defecten ontstaan met betrekking tot het gehele chromosoom.

Chromosomen bevatten genen, die bestaan uit DNA. Somatische cellen zijn diploïd en hebben 23 paar chromosomen (totaal 46). Elk paar chromosomen bestaat uit één chromosoom afkomstig van de moeder, en één paar afkomstig van de vader. De chromosomen zijn onder te verdelen in 22 autosome homologe paren en 1 paar geslachtschromosomen (niet homoloog). Homoloog wil zeggen dat de inhoud op elkaar lijkt. De menselijke gameten zijn haloïd en hebben in totaal 23 chromosomen. De gameten ontstaan door meiose. Dit wordt later uitgebreider besproken.

DNA-replicatie

De belangrijkste bestanddelen van DNA zijn de vier nucleotide basen: adenine, thymine, cytosine en guanine. Adenine en guanine vormen samen de purines die worden gekenmerkt door twee ringen, terwijl cytosine en thymine pyrimidines zijn die slechts bestaan uit een ring. Daarnaast is het DNA opgebouwd uit een keten van desoxyribose en fosfaatgroepen. Elke subunit van het DNA, bestaande uit een fosfaatgroep, desoxyribose en één van de vier basen, wordt een nucleotide genoemd. DNA heeft een dubbele helixstructuur en is sterk gevouwen. Deze vouwing vindt plaats op drie verschillende niveaus: op het niveau van de nucleosomen, de solenoid en de 100-kb loops.

De replicatie van DNA vindt plaats door de vorming van een nieuwe enkele streng langs een van de oorspronkelijke DNA streng (de dubbele DNA-strengen gaan hiervoor even los van elkaar). De vorming van de nieuwe strengen vindt plaats volgens de correcte en complementaire baseparing. Hierbij ligt A steeds tegenover T en C gaat met G. Tussen deze basen zijn meerdere waterstofbruggen aanwezig. Als de DNA dubbelstrengen even los van elkaar komen te liggen, is er sprake van een replication bubble. Er zijn meerdere replication bubbles op het chromosoom te vinden, waardoor replicatie sneller kan verlopen. Er zijn verschillende systemen in de cellen aanwezig om fouten, die kunnen optreden tijdens de replicatie, op te sporen en te herstellen. Wanneer dit niet adequaat plaatsvindt, kan er een mutatie optreden en aanleiding geven tot een genetische ziekte.

Transcriptie en translatie

DNA-sequenties coderen voor eiwitten en hierbij zijn de processen transcriptie en translatie van belang. Bij beide processen is RNA betrokken. RNA is vergelijkbaar met DNA maar enkelstrengs in plaats van dubbelstrengs. Andere verschillen zijn dat er in RNA gebruik wordt gemaakt van ribose in plaats van deoxyribose en van uracil in plaats van thymine. Bij de transcriptie bindt RNA polymerase II aan een promoter bindingsplek aan de 5’ kant van de antisense streng en maakt zo een nieuwe complementaire mRNA streng. Transcriptie is het proces waarbij er RNA wordt gevormd langs de template streng van het DNA, welke wordt bepaald door de aanwezigheid van de promotor volgorde. Deze streng staat ook wel bekend als de antisense streng. Het gevormde RNA is dan gelijk aan de tegenoverliggende (en niet afgeschreven) DNA streng.

Transcriptie van sommige genen vindt in alle cellen van het lichaam plaats en deze genen coderen voor producten, die nodig zijn voor het in stand houden en metabolisme van de cel. De meeste genen worden echter alleen in bepaalde cellen van het lichaam op een bepaald moment gebruikt: in de meeste cellen zal slechts een fractie van alle genen actief worden afgelezen. Hierdoor kunnen er veel verschillende soorten cellen uit hetzelfde totale genetische materiaal ontstaan.

Door bepaalde factoren en co-factoren kunnen bepaalde delen van het DNA meer of juist minder actief zijn en vaak worden afgelezen. Het grote aantal en de complexiteit van de transcriptiefactoren maken een fijne regulatie van de genexpressie mogelijk. Daarnaast bestaat er heterochromatine, dat een sterk gevouwen vorm van chromatine is, waardoor aan deze stukken niet goed actieve transcriptie kan plaatsvinden. Euchromatine daarentegen is niet sterk gevouwen en wel goed te gebruiken voor transcriptie.

Aan het mRNA transcript (het RNA dat uiteindelijk de celkern zal verlaten en in het cytoplasma van de cel terechtkomt) worden nog een aantal wijzigingen aangebracht, waaronder het uitsplitsen van de intronen. De exonen bevatten namelijk het mRNA, dat voor eiwitten codeert. De functie van intronen is nog steeds onbekend, maar het een van de dingen die eukaryoten onderscheid van prokaryoten.

Aminozuren worden gecodeerd door een combinatie van drie mRNA basen en deze combinatie van basen noemen we codons. Er zijn 64 codons, die coderen voor de 20 verschillende aminozuren: meerdere codons coderen dus voor hetzelfde aminozuur. 3 codons vormen een stopsignaal en de overige 61 codons coderen voor een bepaald aminozuur. Bij translatie plaatsen ribosomen tRNA (met anticodons) en rRNA aan de mRNA-sequentie (die dient als een template voor een specifieke volgorde van aminozuren) en vormen zo eiwitten, die bestaan uit meerdere aminozuren. Na de translatie worden er vaak nog verschillende chemische posttranslatie veranderingen aangebracht in de eiwitten. Deze veranderingen kunnen bijvoorbeeld nodig zijn voor stabilisatie of het mogelijk maken van een goede vouwing van de structuur. Er zijn veel verschillende typen DNA bekend en slechts 5% van het menselijk DNA codeert daadwerkelijk voor eiwitten: het meeste genetische materiaal heeft dus geen functie.

De celcyclus

De celcyclus bestaat uit de deling (mitose (kerndeling) en cytokinese (deling van het cytoplasma)) en de interfase. DNA-replicatie en eiwitsynthese vinden plaats tijdens de interfase, dit is noodzakelijk voordat een cel zich kan gaan delen. De meeste tijd zal een cel zich in de interfase bevinden en deze fase is onder te verdelen in drie fasen:

  • G1 (interval tussen mitose en DNA-replicatie). Tijdens deze fase vindt synthese van RNA en eiwitten plaats.

  • S (synthese fase). Tijdens deze fase vindt DNA-replicatie plaats.

  • G2 (interval tussen S en mitose). Tijdens deze fase is het DNA dubbel aanwezig (twee kopieën van elk chromosoom, deze identieke paren worden zusterchromatiden genoemd). Er vindt repair van opgetreden fouten in de replicatie plaats.

  • Mitose (celdeling)

Daarnaast bestaat er ook een G0 fase, waarin de cel voor een langere in rust is en zich niet kan delen. De lengte van de celcyclus kan tussen verschillende cellen sterk variëren. Belangrijk bij de regulatie van de celcyclus zijn CDKs en cyclines, die samen een complex kunnen vormen. Bij mitose worden er uit één moedercel twee identieke dochtercellen gemaakt. Ook mitose is onder te verdelen in meerdere fasen:

  • Profase = condensatie en opkrullen van de chromosomen, waardoor ze zichtbaar worden. de twee zusterchromatiden liggen samen en zijn verbonden via het centromeer. Tijdens deze fase verdwijnt het kernmembraan, Er worden spoelfiguren gevormd, die hechten aan het centromeer.

  • Metafase = de chromosomen raken het meest gecondenseerd en zijn hierdoor het meest zichtbaar. Hierdoor zijn zij het meest zichtbaar onder de microscoop. De zusterchromosomen zijn nu gerangschikt in het equatoriaal vlak (midden van de cel). De spoelfiguren beginnen de zusterchromatiden uit elkaar te trekken.

  • Anafase = separatie van de zuster chromatiden, waarbij ze beide door het spoelfiguur naar tegenovergestelde uiteinden van de cel getrokken.

  • Telofase = formatie van nieuwe kernmembranen om de twee ontstane zetten chromosomen. De spoelfiguren verdwijnen en de chromosomen decondenseren weer.

Cytokinese vindt meestal plaats na de mitose en hierbij worden er twee cellen van gelijke grootte gevormd.

Meiose

Meiose gaat om het vormen van (haploïde) gameten vanuit diploïde voorlopercellen. Er zijn hierbij twee rondes van celdeling betrokken, waarbij er maar in een van deze rondes DNA-replicatie plaatsvindt. Het gevolg hiervan is dus dat er vier cellen worden gevormd die allemaal de helft van het genetisch materiaal bevatten.

  • Meiose I
    hierbij worden er twee haploïde cellen gevormd vanuit één diploïde cel.

  • Meiose II
    hierbij vindt replicatie plaats van beide haploïde cellen, waardoor uiteindelijk 4 haploïde cellen ontstaan.

Tijdens meiose I profase worden homologen chromosomen gekoppeld. Hierbij kan ook cross-over plaatsvinden tussen de homologe chromosoomparen. Tijdens meiose I anaphase worden de chromosomen niet gedupliceerd. Hierdoor heeft elke dochtercel uiteindelijk maar één chromosoom van het homologe chromosoompaar. De meeste chromosoomafwijkingen worden veroorzaakt door defecten/afwijkingen tijdens de meiose.

Bij spermatogenese zal elk diploïd spermatogonium delen in vier haploïde spermacellen en dit proces kan blijven plaatsvinden tijdens de gehele volwassenheid van de man. Bij de oögenese van de vrouw wordt vanuit het diploïde oögonium één haploïd ovum gevormd en drie haploïde poollichamen. De eerste fase van de oögenese is al volbracht voor de geboorte.

Medische genetica: genetische variatie - Chapter 3

Mutaties

Genetische variatie ontstaat als gevolg van mutaties, wat een verandering in het DNA veroorzaakt. Hierdoor zijn er verschillende genetische sequenties voor een gen, dit worden allelen genoemd. De plaats van een allel op een chromosoom wordt locus genoemd. Wanneer een persoon hetzelfde allel op beide delen van het chromosoompaar heeft, noemen we dit homozygoot. Wanneer de allelen niet hetzelfde zijn, noemen we dit heterozygoot. Van een bepaald gen bestaan vaak meerdere allelen, dit wordt polymorfisme genoemd. In heterozygoten kunnen we spreken van een recessief en dominant allel. Het dominante allel komt tot uiting, terwijl het recessieve gen niet tot uiting komt. Een dominant allel komt zowel tot uiting bij homozygote (AA) als heterozygote (Aa) individuen, terwijl een recessief allel alleen bij homozygote individuen met het genotype aa tot uiting zal komen. Dit onderscheid is van belang.

Er zijn verschillende soorten mutaties, welke klinische consequenties met zich mee kunnen brengen. Sommige mutaties bestaan uit een verandering van het aantal chromosomen in de cel of de structuur van deze chromosomen. Dergelijke grote afwijkingen aan de chromosomen kunnen met behulp van een microscoop worden waargenomen.

Naast deze grote zichtbare afwijkingen aan het genetische materiaal, kunnen er ook heel kleine niet met de microscoop zichtbare (maar wel belangrijke) mutaties aan genen optreden. Wanneer dergelijke mutaties optreden in coderend DNA of in regulatoire gebieden van het genetische materiaal, kunnen er klinische gevolgen optreden.

Een belangrijke mutatie is de enkele-basenpaar substitutie, een mutatie dat één gen betreft. Bij deze mutatie wordt een basenpaar vervangen door een ander basenpaar, dat kan leiden tot een verandering in de aminozuurvolgorde, omdat het coderende codon voor het aminozuur veranderd. Een dergelijke verandering van een basenpaar heeft niet altijd consequenties, omdat de aminozuurvolgorde niet altijd zal veranderen (meerdere codons coderen namelijk voor hetzelfde aminozuur, waardoor het genetische materiaal wel maar het product niet verandert). Dit wordt een stille mutatie genoemd. Er bestaan echter twee soorten enkele-basenpaar substituties waarbij wel gevolgen optreden (verandering van de aminozuurvolgorde), namelijk de missense mutaties en de nonsense mutaties. Bij een missense mutatie treedt er een verandering op in één aminozuur en bij de nonsense mutaties wordt er een stopcodon geproduceerd in het mRNA, waardoor de translatie te vroeg stopt. Het kan ook voorkomen dat juist een stopcodon wordt gemuteerd, waardoor de translatie te lang zal doorgaan. Veranderingen in de aminozuurvolgorde kunnen ernstige consequenties hebben en liggen ten grondslag aan meerdere serieuze genetische ziekten.

Een ander soort mutatie bestaat uit een deletie of een insertie van één of meerdere basenparen. Dergelijke veranderingen van het genetische materiaal zijn met name schadelijk wanneer de deletie of insertie niet bestaat uit het verwijderen of plaatsen van 3 basenparen. Dit omdat de combinatie van 3 opeenvolgende basenparen samen een triplet vormt, dat codeert voor een bepaald aminozuur. Wanneer er dus minder of meer dan 3 basenparen worden toegevoegd of verwijderd bij inserties of deleties, dan leiden deze mutaties tot een verandering van alle volgende codons. Men noemt dit een frameshift mutatie. Vaak wordt er een stopcodon geproduceerd, waardoor de polypeptide wordt afgesneden. Ook duplicaties van hele genen kunnen leiden tot genetische ziekten, waarbij bijvoorbeeld drie kopieën van genen aanwezig zijn in plaats van twee. In sommige gevallen leidt zowel duplicatie als reductie van een bepaald gen tot ziekte. Dit wordt doseringssensitiviteit genoemd.

Een mutatie in de promotor voor een gen kan leiden tot een verminderde productie van mRNA, waardoor minder eiwit wordt gemaakt. Mutaties aan bijvoorbeeld de transcriptiefactoren kunnen hetzelfde effect bewerkstelligen.

Mutaties kunnen ook ontstaan tijdens het splitsen van de intronen bij de vorming van het mRNA. Dit wordt een splice-site mutatie genoemd. Deze ontstaan bij de grens tussen intron en exon en veranderen zo het signaal dat nodig is voor het weghalen van een intron. De mutaties ontstaan altijd bij een GT- of een AG-sequentie, respectievelijk de donor site en de acceptor site, of in de buurt van dit gebied. Als een opgetreden splice-site mutatie slechts een klein beetje verschilt van een normale splice site in een exon, wordt de term cryptische splice site gebruikt. Er kan dan een partiële (maar ook een gehele) deletie van het exon optreden.

Sommige DNA-sequenties kunnen zichzelf vermenigvuldigen en vervolgens op andere locaties in een chromosoom worden geplaatst, waardoor frameshift mutaties kunnen ontstaan. Zulke inserties kunnen leiden tot bijvoorbeeld neurofibromatose type 1, de ziekte van Duchenne, bèta-thalassemie, hemofilie A en B en familiair voorkomende borstkanker en colonkanker.

Een mutatie, welke nu nog genoemd moet worden, is de dynamische mutatie waarbij expansie van trinucleotide repeats optreedt. Wanneer bij een individu bijvoorbeeld TAATAATAA aanwezig is op een locus, dan wordt dit vermeerderd tijdens meiose of bij de vroege ontwikkeling van een foetus tot wel honderd tot duizend repeats. Wanneer dit plaatsvindt in bepaalde gebieden van het genoom, dan kan er ziekte ontstaan. Net zoals andere mutaties kunnen ook dit soort mutaties aan de volgende generatie worden doorgegeven.

Samenvattend kunnen we dus stellen dat de verschillende soorten mutaties de belangrijkste bron voor genetische variatie zijn. Sommige mutaties resulteren in aangeboren ziekten, terwijl de meeste echter geen fysische effecten hebben.

Als we kijken naar de effecten van mutaties op de vorming van eiwitproducten kunnen we onderscheid maken tussen een verlies van functie of een toename van de functie (loss of function & gain of function) met onderexpressie of overexpressie van een eiwit tot gevolg. Niet alleen kan er overexpressie optreden indien er sprake is van gain of function, want er kan ook een heel nieuw eiwit worden geproduceerd of er kan een eiwit tot expressie worden gebracht in type weefsel waar dat niet hoort te gebeuren. Dit komt echter veel minder vaak voor dan overexpressie.

Mutaties hebben invloed op de productie van het genproduct. Dit kan leiden tot een gain of function, waarbij een gemuteerd genproduct bestaat. Deze hebben vaak dominante ziekten tot gevolg, terwijl in het geval van recessieve ziekten vaak loss-of-function mutaties gezien worden. Bij deze mutaties gaat is het gen met de mutatie niet werkzaam. Iemand met een heterozygoot genotype blijft dan gespaard, 50% van het eiwit verloren, terwijl de andere 50% de normale functie behoudt. Maar een homozygoot individu is aangedaan. Wanneer 50% van het eiwit niet voldoende is voor een normale functie, kun je spreken van een dominante ziekte. Dit wordt haploinsufficiëntie genoemd. Als er sprake is van een dominante negatieve mutatie, dan is het eiwitproduct dat wordt gecodeerd door het gemuteerd allel niet functioneel en remt dit aangedane eiwit tevens het eiwit dat geproduceerd wordt door het normale allel in een heterozygoot individu. Dit wordt vaker gezien bij genen die coderen voor multimeren, dus eiwitten die zijn opgebouwd uit meerdere subunits. Een goed voorbeeld hiervan is collageen type I, dat wordt opgebouwd uit drie helixstructuren. Een kleine afwijking aan een van de drie strengen kan dan grote gevolgen hebben voor de algehele structuur van het complex.

Detectie van genetische variatie

Het is belangrijk om genetische variaties te kunnen detecteren. Denk hierbij bijvoorbeeld aan de verschillende soorten bloedgroepen, die voorkomen in de bevolking. Het is belangrijk dat deze bloedgroepen kunnen worden bepaald, bijvoorbeeld als er een bloedtransfusie nodig is. De erythrocyten van verschillende bloedgroepen hebben verschillende antigenen op hun oppervlak. Dit wordt bepaald door de verschillende DNA-sequenties in de genen. Twee systemen om de bloedgroep van mensen onder te verdelen, zijn ABO-bloedgroepsysteem en de Rhesusfactor.

Het ABO-systeem bestaat uit twee verschillende antigenen, namelijk de antigenen A en B. Mensen die bloedgroep A hebben, beschikken over A-antigenen op het oppervlak van hun erythrocyten, bloedgroep B bezit B-antigenen en bloedgroep AB bevat beide de antigenen. Degene die bloedgroep O hebben, laten geen antigenen zien op de erythrocyten. Een individu bevat antistoffen voor de antigenen die niet op de lichaamseigen erythrocyten aanwezig zijn. Het ABO-systeem wordt bepaald door één gen op chromosoom 9 en kan drie allelen bevatten, I(produceert A-antigenen) I (produceert B-antigenen) en I(produceert geen antigenen). Deze allelen zijn dus bepalend voor de bloedgroep van een persoon.

Het voorkomen van de verschillende bloedgroepen varieert veel tussen verschillende bevolkingsgroepen als gevolg van een andere frequentie van het voorkomen van de verschillende allen. Deze bloedgroepen zijn veel bestudeerd. Een ander antigen, dat zich kan bevinden op de membranen van de erythrocyten, is het rhesus-antigen. Ook dit antigen is veel bestudeerd, omdat het veel genetische variatie vertoont. Net als bij het ABO-systeem is het bepalen van het Rh-systeem van belang voordat bloedtransfusie worden gegeven. Tevens is dit systeem betrokken bij de ontwikkeling van een foetus.

Eiwitelektroforese

Dankzij eiwitelektroforese kunnen nu, behalve bloedgroepen en rhesusfactoren, vele polymorfische systemen bestudeerd worden. Door het optreden van een mutatie kan de aminozuurvolgorde veranderen en leiden tot de productie van een ander eiwit. Hierdoor verandert ook de elektrische lading van het eiwit, waarvan bij eiwitelektroforese gebruik wordt gemaakt. De elektrische lading is bijvoorbeeld afhankelijk van het aantal aanwezige carboxylgroepen in een aminozuur en dit kan dus verschillend zijn voor en na het optreden van een mutatie. De eiwitten met een klein verschil in aminozuurfrequentie vertonen een ander migratiepatroon bij de elektroforese, waardoor deze van elkaar onderscheiden kunnen worden,

Elektroforese wordt zo ook gebruikt in het geval van sikkelcelanemie. Er kan dan bekeken worden of iemand normaal hemoglobine bevat of dat er sprake is van een mutatie, welke sikkelcelanemie tot gevolg heeft. Er is dan sprake van een mutatie van glutamine naar valine. Het hemoglobine wordt dan geplaatst in een elektrisch geladen gel, waardoor het gaat migreren. Zo kan het hemoglobine bewegen door de gel, totdat het door middel van een chemische oplossing stil wordt gezet. Men kan opmerken uit de locatie waar het hemoglobine zich bevindt of er sprake is van HbA homozygotie (HbA = normaal hemoglobine), HbS homozygotie (HbS = mutatie dat sikkelcelanemie veroorzaakt) of heterozygotie, waarbij beide allelen aanwezig zijn. Op deze manier wordt het principe van eiwitelektroforese gebruikt voor het onderzoek naar heel veel eiwitten. Nadeel van deze methode is dat de stille mutaties niet worden ontdekt, omdat deze mutaties niet leiden tot een verandering van het eindproduct. Daarnaast leiden sommige andere mutaties wel tot een verschil in de aminozuurvolgorde, maar niet tot een verschil in elektrische lading, waardoor ook deze mutaties niet kunnen worden ontdekt door gebruik te maken van elektroforese. Ongeveer 1/3e van alle mutaties kan op deze manier worden gedetecteerd.

Het humane genoom bestaat uit 3 biljoen basenparen, waarin ongeveer 10 miljoen polymorfisme bestaan. De laatste jaren zijn er steeds meer moleculaire technieken ontwikkeld waarmee deze polymorfisme op DNA-niveau kunnen worden gedetecteerd.

RFLP = restriction fragment length polymorphism

Bij deze methode wordt gebruikt gemaakt van restrictie-enzymen, welke geproduceerd worden door verscheidende bacteriën. Deze enzymen kunnen het DNA op specifieke plekken knippen, namelijk op een restrictie site. Hierdoor zullen er restrictiefragmenten ontstaan. Wanneer er in deze gebieden polymorfisme zouden optreden, kan het zijn dat de restrictiesite verdwijnt, waardoor de restrictiefragmenten veranderen. Bij sommige mensen is dat specifieke stukje DNA daardoor langer, omdat er niet wordt geknipt, of korter doordat er door een mutaties een nieuwe restrictiesite ontstaat. Men heeft geprobeerd dit te visualiseren, zodat we konden zien hoelang de DNA stukken zijn. Daarvoor wordt eerst DNA uit weefsel geïsoleerd, meestal uit het bloed. Vervolgens wordt een restrictie-enzym toegediend, waardoor het DNA wordt geknipt en er vaak meer dan 1 miljoen DNA-fragmenten ontstaan. Hierna worden de DNA-fragmenten gescheiden van elkaar door gebruik te maken van gelelektroforese. Dit lijkt op eiwitelektroforese, alleen bij de gelelektroforese migreren de DNA-fragmenten op basis van de lengte en niet meer op basis van de elektrische lading.

Bij deze methode zullen de kleinere fragmenten sneller migreren dan de langere fragmenten. Het DNA wordt gedenatureerd, dat betekent dat er enkelstrengs DNA wordt gemaakt uit dubbelstrengs DNA. Daarna wordt het DNA overgebracht naar een membraan, die ook wel de “Southern blot” genoemd wordt. Op dit membraan liggen nu duizenden fragmenten, die niet goed van elkaar kunnen worden onderscheiden. Om dit wel te bereiken, wordt gelabelde probe toegevoegd. Probe wordt gemaakt door gebruik te maken van recombinante DNA-technieken en bestaat uit kleine delen enkelstrengs DNA, dat in een bindmiddel wordt geplaatst. Een gelabeld probe wordt dus toegevoegd, waarbij basenparing gaat optreden met de passende DNA-fragmenten op het membraan. Er is veel gehybridizeerd probe nodig om een goede uitspraak te kunnen doen. Daarna wordt de blot belicht via een röntgenfilm, waarbij de posities van de probes donker worden door de transmissie radioactieve deeltjes van de gelabelde probes. Zo kan dus door middel van dit autoradiogram de positie van de banden worden bepaald.

Er zijn duizenden verschillende restrictie-enzymen bekend en er zijn ook duizenden verschillende probes gemaakt, welke elk een ander klein stukje DNA bevatten. Door deze enzymen en probes te combineren, kunnen verschillende polymorfismen in de restrictieplaatsen, inserties, deleties en duplicaties van het DNA worden geïdentificeerd.

Repeat polymorfisme

Bij RFLP wordt de restrictie-site op de aanwezigheid van polymorfisme onderzocht, waarbij slechts twee allelen een rol spelen. Er kan meer diversiteit worden ontdekt als het niet gaat om twee allelen, maar als men kijkt naar de minisatellieten in het DNA, de tandemherhaling van DNA-sequenties. Het aantal herhalingen verschilt per individu en dit vormt dan ook de basis van de genetische variatie.

VNTR staat voor “variable number of tandem repeats”. Dit detecteert men op een bijna gelijke wijze als RFLP, alleen nu worden speciale probes gebruikt, die alleen een bepaalde minisatelliet-regio hybridizeren.

Ook de microsatelliet-regio’s kunnen in lengte variëren doordat het aantal repeats verschilt. Een dergelijke herhaling is kleiner dan bij de minisatellieten en worden dinucleotide -, trinucleotide - of tetranucleotide repeats genoemd. Men noemt dit STRP, “short tandem repeat polymorphisms”. Het verschil met VNTR is niet alleen de grootte, maar ook de detectiewijze. STRP kan niet worden onderzocht door middel van restrictie-sites, maar er is PCR (“polymerase chain reaction”) nodig om het DNA te isoleren. STRP komt meer voor in het DNA dan VNTR. Beide technieken en variaties kunnen worden gebruikt bij forensisch onderzoek.

Single nucleotide polymorphisms zijn de meest voorkomende polyformismen in het humane genoom en deze verschillen kunnen tevens leiden tot aangeboren ziekten, ondanks dat de meeste geen gevolgen hebben. Een andere vorm van DNA-variatie zijn de copy number variants, welke bestaan uit DNA-segmenten van langer dan 1000 kb. Deze zijn bij sommige personen wel, maar bij anderen niet aanwezig.

PCR

Omdat het DNA-molecuul klein is, is het niet mogelijk om variaties in het DNA direct te visualiseren. Alle methoden maken dan ook gebruik van gelabelde probes om te binden aan specifieke delen van het DNA om deze aan te kunnen tonen. Bijna alle methoden behoeven een indirecte labeling van dit DNA. Eerst moeten er dan vele kopieën worden gemaakt, waaraan dit kan plaatsvinden.

Bij Southern blotting, dat gebruikt wordt bij RFLP en VNTR, is veel DNA nodig (microgrammen). Sinds de komst van PCR is het mogelijk om genetische variaties efficiënter te detecteren. Korte DNA-sequenties kunnen hierbij snel worden gerepliceerd. Hiervoor zijn twee primers nodig, die uit 15-20 basen bestaan en corresponderen met de DNA-sequentie, welke onderzocht moet worden. Daarnaast is DNA-polymerase nodig, een enzym dat DNA kan repliceren. Verder heb je een groot aantal vrije DNA-nucleotiden nodig en het uiteraard het DNA van een individu.

De eerste stap bij PCR bestaat uit het denatureren van het DNA bij een temperatuur van ongeveer 95 graden Celsius. Daarna wordt het DNA blootgesteld aan een grote hoeveelheid primers, welke zullen koppelen aan het gedenatureerde DNA bij een temperatuur tussen 35 en 65 graden Celsius. De temperatuur wordt dan weer verhoogd tot ongeveer 70-75 graden Celsius, waarbij door DNA-polymerase een nieuwe DNA-streng wordt geproduceerd wanneer er genoeg vrije DNA-basen aanwezig zijn. Het nieuwe DNA is dubbelstrengs en wordt gedenatureerd, omdat de temperatuur weer wordt verhoogd. Dit proces wordt 20 tot 30 keer herhaald, waardoor veel kopieën ontstaan van het originele DNA. In een paar uur kunnen er dan miljoenen kopieën ontstaan. Bij PCR is weinig DNA nodig (nanogrammen). Ook is het veel sneller dan de Southern blotting. Doordat PCR kopieën maakt van het DNA heb je geen gelabelde probes meer nodig, waardoor het ook een veiligere methode is. Samenvattend kunnen we dus stellen dat PCR een snelle en effectieve methode is om binnen een korte tijd zeer veel kopieën te maken van DNA door gebruik te maken van cycli met hete en koudere temperaturen, waarbij het DNA denatureert en kan worden opgebouwd. Omdat deze techniek zo snel en gemakkelijk te gebruiken is, wordt het veel gebruikt voor het onderzoek naar genetische variatie, de diagnostiek naar genetische aandoeningen en voor forensische onderzoeken.

Toch zijn er ook nadelen van PCR te noemen. Men heeft kennis nodig van de DNA-sequenties welke onderzocht moeten worden. Daarnaast is de techniek zeer gevoelig en bestaat er een kans op “vervuiling” van de test. Grote deleties kunnen niet worden onderzocht, omdat PCR alleen werkt bij sequenties van een aantal kb. Door middel van PCR heeft men zelfs mummies en Neanderthalers ouder dan 30.000 jaar kunnen analyseren.

DNA-sequencing

Dit is een methode die gebruik maakt van dideoxynucleotiden, welke lijken op deoxynucleotiden maar één hydroxylgroep minder hebben. Ze kunnen wel ingebouwd worden in een DNA-streng, maar ze kunnen niet binden aan een vrije DNA-base. Het enkelstrengs DNA waarvan de sequentie bekend gemaakt moet worden, wordt gemixt met gelabelde primers, DNA-polymerase, nucleotiden en een soort dideoxynucleotiden (corresponderend met A, C, G of T). De primer zal eerst binden aan het enkelstrengs DNA en het DNA-polymerase voegt vervolgens vrije basen aan het DNA toe. Wanneer een dideoxynucleotide wordt gebonden in plaats van een normale nucleotide, stopt de ketting. Zo ontstaan fragmenten van verschillende lengte, waarbij elke met dezelfde dideoxynucleotide eindigt. Vervolgens worden de fragmenten van elkaar gescheiden door middel van elektroforese. De posities van de fragmenten kunnen vervolgens van elkaar onderscheiden worden en de DNA-sequentie kan worden bepaald. Deze methode is relatief langzaam. Tegenwoordig wordt DNA-sequentie geautomatiseerd, waardoor de snelheid van DNA-sequencing verbeterd is.

Sommige mutaties hebben als gevolg dat de mobiliteit van de DNA-fragmenten verandert bij gelelektroforese. Bij DGGE (“denaturing gradient gel electrophoresis”) wordt er een techniek toegepast, waardoor de denaturatie beter kan plaatvinden, zoals het verhogen van de temperatuur. Bij SSCP (single-strand conformation polymorphism) kan de migratiesnelheid in een gel veranderen als gevolg van een mutatie. Door het gebruik van deze technieken kan dus verschil worden opgemerkt tussen DNA met mutaties en het “gezonde” controle DNA.

Mutaties kunnen ook nog op een andere manier worden gedetecteerd, namelijk door middel van chemicaliën of enzymen, die het DNA klieven wanneer er een mismatch bestaat tussen de bij elkaar horende DNA-sequenties. Zo worden fragmenten geproduceerd en deze kunnen weer worden onderscheiden van elkaar via een gel. Tegenwoordig werkt men ook met DNA-microarrays of DNA-chips, waarbij oligonucleotiden (kleine DNA-sequenties) worden geplaatst op een glasplaatje. Deze oligonucleotiden bestaan niet alleen uit normale DNA-sequenties, maar ook sequenties waarvan men weet dat ze mutaties bevatten die een ziekte veroorzaken. Het DNA van een persoon wordt gelabeld en toegevoegd. Nu kan worden bekeken of het DNA gaat koppelen aan de normale oligonucleotiden of aan de oligonucleotiden met een mutatie. Verder kunnen DNA-microarrays worden gebruikt om te bepalen welke genen tot expressie worden gebracht.

Genetische variatie in populaties

Ondanks dat mutaties de belangrijkste bron voor genetische variatie zijn, kunnen mutaties alleen niet genoeg zijn voor de substantiële verschillen, die bestaan tussen de incidentie van verschillende genetische aandoeningen bij etnische groepen. Er spelen dus ook andere factoren een rol. Waarschijnlijkheid speelt een centrale rol in de genetica, omdat het onderzoekers helpt om de transmissie van genen over generaties te begrijpen en om genetische variatie te analyseren en te verklaren. Ook is het betrokken bij de risico-inschatting. De waarschijnlijkheid wordt gedefinieerd als het percentage waarin een specifieke uitkomst in een serie van gebeurtenissen zal optreden en deze kan dus zijn gelegen tussen 0 en 1. Hierbij is het van belang of de gebeurtenissen afhankelijk of onafhankelijk van elkaar zijn en of de kansen op een bepaalde uitkomst dus wel of niet zullen veranderen gedurende het onderzoek of het proces.

Bij het doorgeven van genetisch materiaal van de ouders naar hun nakomelingen geldt dat de kans op het doorgeven van een bepaald gen elke keer gelijk is en dus niet veranderd. Doorgifte van genen in het verleden heeft namelijk geen invloed op de samenstelling van de gameten daarna.

De prevalentie van genetische aandoeningen verschilt vaak sterk tussen verschillende populaties. Hierbij spelen genotypefrequentie en genfrequentie een belangrijke rol. Deze termen geven aan in welke mate en in welk percentage een bepaald alleen of genotype in een populatie voorkomt. Met gebruik van de Hardy-Weinberg regel kan dan een schatting worden gegeven van de frequentie van een bepaald genotype wanneer het voorkomen van de allelen bekend is en de overerving hiervan willekeurig geschiedt (panmixia: de overerving heeft geen effect op de selectie). Wanneer bijvoorbeeld bekend is dat de frequentie van het dominante allel A 70% is (p) en de frequentie van het recessieve allel dus 30% is (q), dan kan worden berekend hoe groot de kans is dat een nakomeling dan wel homozygoot recessief (q2) of dominant (p2) of heterozygoot (2pq) is.

Er zijn verschillende oorzaken voor genetische variatie bekend. Hierbij speelt allereerst natuurlijke selectie een belangrijke rol. Een nieuwe mutatie kan namelijk een voordeel opleveren, maar ook een nadeel of geen effect hebben. Door natuurlijke selectie zullen de mutaties met negatieve gevolgen worden uitgeschakeld, maar deze kunnen wel steeds weer opnieuw optreden. Door de aanwezigheid van bepaalde omgevingsfactoren kunnen mutaties die een ziekte veroorzaken ook positieve gevolgen hebben. Een goed voorbeeld hiervan is het voorkomen van sikkelcelziekte. Wanneer een persoon heterozygoot hiervoor is, ondervindt deze hiervan geen significante klachten, maar is deze persoon wel beter beschermd tegen malaria. Als gevolg hiervan zal de mutatie die sikkelcelziekte veroorzaakt relatief vaak voor blijven komen in gebieden waar malaria voorkomt. In de gebieden waar malaria niet voorkomt, levert deze mutatie geen voordeel op en zal deze verdwijnen. Hierdoor kunnen er dus verschillen optreden tussen verschillende bevolkingsgroepen.

Een andere belangrijke factor is genetische drift. Dit is een willekeurig evolutionair proces dat kan leiden tot grotere variaties in genfrequenties bij kleine populaties. Hierbij geldt namelijk dat de genfrequenties in verschillende generaties van kleine populaties veel van elkaar kunnen verschillen, maar dit veel minder waarschijnlijk is in grotere populaties. De genetische drift is dan ook groter in kleinere populaties, waardoor ziekten die bij grote populaties vrijwel niet voorkomen in kleinere populaties wel relatief vaak kunnen worden gezien. Uitwisseling van bepaalde genen kan ook optreden wanneer er sprake is van migratie van personen. In de loop van de tijd zullen de verschillende etnische groepen hierdoor steeds meer op elkaar gaan lijken. Al deze genoemde processen hebben invloed op de verspreiding van genen en de prevalentie van genetische aandoeningen. Er kunnen complexe en soms niet te voorspellen interacties optreden, waarbij ook lethale gencombinaties een rol spelen.

Medische genetica: autosomaal dominante en recessieve overerving - Chapter 4

Monogenetische overerving noemen we ook wel mendeliaanse overerving. Er zijn twee belangrijke kenmerken hierbij betrokken: de genen komen in paren voor en bij seksueel voortplantende organismen krijgen de gameten slechts één gen van dat paar en dit noemen we segregatie. Het tweede kenmerk is onafhankelijke verdeling, dat inhoudt dat de genen op verschillende loci onafhankelijk van elkaar aan de gameten worden gegeven.

Het genotype van een individu wordt gevormd door zijn/haar genetische materiaal op een locus. Het fenotype is de uiting van dit genetische materiaal, dat qua uiterlijk of klinische gegevens gezien kan worden. Een dominante homozygoot en een heterozygoot kunnen hetzelfde fenotype hebben. Dit is bijvoorbeeld het geval bij cystische fibrose, een recessief overervende aandoening waarbij alleen de recessieve homozygoot is aangedaan. Het fenotype is dus wel afhankelijk van het genotype, maar meerdere genotypen kunnen hetzelfde fenotype veroorzaken. Van buitenaf is het genotype dus niet meteen te voorspellen. Daarnaast spelen omgevingsfactoren een rol en kan een genotype daardoor leiden tot meerdere fenotypen.

Cystische fibrose

Cystische fibrose is een van de meest voorkomende single-gene afwijking in de westerse wereld. Er zijn bij de aangeboren aandoening afwijkingen in de longen, pancreas, maag-darmkanaal en zweetklieren aanwezig. De grootste oorzaak van morbiditeit en mortaliteit is de longziekte bij cystische fibrose. Er is namelijk sprake van een chronische bronchitis, dat leidt tot ernstige longschade en fibrose van het longweefsel. De optredende schade en problemen kunnen worden verklaard door een te droog oppervlak van de luchtwegen en een verminderde opname, wat leidt tot de vorming van een dikke mucus. Dit is geassocieerd met infecties met Staphylococcus aureus en Pseudomonas aeruginosa. De combinatie van een obstructie van de luchtwegen, ontsteking en infectie leidt uiteindelijk bij 90% van de cystische fibrose patiënten tot de dood.Cystische fibrose kent een hele variabele expressie, waarbij sommige patiënten slechts milde ademhalingsproblemen hebben en verder een normaal leven kunnen leiden. Andere hebben een veel ernstigere vorm en worden niet ouder dan 20 jaar.

CF wordt veroorzaakt door een mutatie in een gen genaamd CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane conductance Regulator). Het eiwit CFTR is een cAMP gereguleerd Cl-kanaal en reguleert dus het transport van Cl- en door een osmotisch effect gaat er water mee, waardoor het slijm in de luchtwegen en het maag-darmkanaal dun blijft. Een defect in dit eiwit leidt tot de vorming van taaier slijm, dat moeilijker af te voeren is en waardoor infecties sneller kunnen optreden.

De mutatie verklaart ook de hoge concentraties Cl- in het zweet van CF-patiënten. Er zijn meer dan 1500 verschillende mutaties bekend op het CFTR locus. De meest voorkomende (voorkomend in 70% van de gevallen) is een drie-base deletie op positie 508 en deze mutatie geven we dan ook aan met ΔF508. Andere mutaties kunnen eenzelfde beeld geven of milder of ernstiger van aard zijn, afhankelijk van de resterende functie van het eiwit.

Stamboom

Een stamboon is een van de meest gebruikte hulpmiddelen in de medische genetica. Het illustreert de relaties tussen familieleden en toont aan welke van hen zijn aangedaan en welke niet. Hierbij is de mate van verwantschap en dus de graad en generatie erg belangrijk. Eerste graad relaties zijn ouders, broers en zussen. Tweede graad relaties zijn familieleden waar een generatie tussen zit.

Autosomaal dominant overervende aandoeningen komen ongeveer bij 1 op de 200 mensen voor. Elke autosomaal dominant overervende aandoening op zichzelf is erg zeldzaam en daarom is het ook niet waarschijnlijk dat twee aangedane heterozygote personen zich samen zullen gaan voortplanten. Een homozygoot dominant individu is dus erg onwaarschijnlijk. Als een aangedane heterozygoot (Aa) en een niet-aangedaan persoon (aa) zich samen zullen gaan voortplanten, bestaat er een kans van 50% dat hun kind ook aangedaan is. Bij autosomaal dominante overerving worden er geen generaties overgeslagen, zijn er gemiddeld genomen evenveel mannen als vrouwen aangedaan en het is mogelijk dat een vader de aandoening aan een zoon overdraagt.

Het is belangrijk om aan patiënten uit te leggen hoe groot de kansen zijn dat hun nakomelingen aangedaan zullen zijn. Bij het voorbeeld hierboven is dat 50%. Ook al heeft het paar al een kind dat niet aangedaan is, de kans blijft telkens gelijk en dus 50% omdat de kansen onafhankelijk zijn van de eerder plaatsgevonden gebeurtenissen en de uitkomsten hiervan. Dit klinkt logisch, maar wordt vaak niet goed begrepen door de patiënten.

Autosomaal recessief overervende aandoeningen zijn erg zeldzaam. Heterozygoten (dragers) komen hierbij veel meer voor dan aangedane homozygoten. Vaak zijn de ouders van een aangedaan persoon dan ook allebei drager. Er bestaat dan een kans van 25% dat ze een aangedaan kind krijgen (ouders allebei Aa, kind is aangedaan als het aa heeft). Deze kans is ook bij herhaling gelijk.

De recessief overdraagbare aandoeningen worden gekenmerkt door het aangedaan zijn van een of meerdere broers en/of zussen, zonder dat deze aandoeningen worden gezien bij hun ouders of grootouders, terwijl zij wel drager van de betrokken allelen zijn. Mannen en vrouwen kunnen hierbij even vaak zijn aangedaan.

Consanguiniteit komt meer voor in stambomen met autosomaal recessieve aandoeningen. Deze term betekent in het Latijn ‘met bloed’ en het verwijst dan ook naar de familierelatie tussen een voortplantend paar. De kans op het krijgen van een kind met een autosomaal recessieve aandoening is hierbij groter, omdat de kans groter is dat beide ouders drager zijn van hetzelfde betrokken allel dat verantwoordelijk is voor het ontstaan van de ziekte. Door consanguiniteit wordt de frequentie van genetische ziekten en mortaliteit verhoogd. Hoe groter de mate van verwantschap tussen de ouders is, hoe groter het risico is op aangeboren afwijkingen bij de nakomelingen.

Als een homozygoot aangedaan persoon zich voortplant met een heterozygote drager, noemen we het ook wel quasidominant. De kans op dat hun nakomelingen zijn aangedaan is dan 50%, omdat de heterozygote drager een kans van 50% heeft om het aangedane allel aan het kindje door te geven.

Wanneer twee mensen die allebei dezelfde autosomaal recessieve aandoening hebben samen nakomelingen zullen krijgen, zullen al hun kinderen dezelfde ziekte als hun ouders hebben. In principe geldt dus dat een dominant alle ziekte veroorzaakt in een homozygoot en heterozygoot individu. Terwijl een recessief allel alleen ziekte veroorzaakt in een homozygoot individu. Het verschil tussen dominant en recessief overervende aandoeningen lijkt nu heel duidelijk, maar in de praktijk is dit veel moeilijker. In veel autosomaal dominant overervende aandoeningen is de homozygoot ernstiger aangedaan dan de heterozygoot. In autosomaal recessief overervende aandoeningen kan de drager (heterozygoot) ook verschijnselen van de ziekte hebben. De beste manier om onderscheid te kunnen maken is toch om te kijken naar de heterozygoot. In het geval van een dominante aandoening zal deze dan namelijk meestal wel aangedaan zijn, terwijl dit bij recessieve aandoeningen meestal juist niet het geval is.

Ook op basis van de nakomelingen kan er een onderscheid worden gemaakt tussen dominant en recessief. Zoals eerder gezegd, zullen twee mensen die allebei dezelfde autosomaal recessieve aandoening en samen nakomelingen krijgen, alleen aangedane kinderen met dezelfde ziekte als zijzelf kunnen krijgen. Bij dominante aandoeningen geldt dat niet: wanneer beide ouders dezelfde dominant overervende ziekte hebben en daar heterozygoot voor zijn (Aa), kunnen zij wel gezonde kinderen krijgen in 25% van de gevallen (aa). Hieronder zullen de oorzaken van genexpressie, die ziekte veroorzaakt, worden besproken:

Novo mutaties

Nieuwe of de novo mutaties zijn waarschijnlijker bij een aangedaan persoon, waarbij die aandoening niet in de familie voorkomt. Een genetische ziekte kan dan dus ook voorkomen zonder familiegeschiedenis met een verhoogde kans voor deze aandoening. De kans dat een broer of zus van de aangedane persoon de aandoening ook heeft, is hierbij erg klein. De kans dat de nakomelingen van deze aangedane persoon de aandoening zullen erven, is echter wel groot.

Kiemcel mozaicisme

Tijdens de productie van de gameten kan bij er een persoon een mutatie ontstaan. Een dergelijke mutatie zal dan alleen in de gameten aanwezig zijn en deze persoon kan de aandoening daardoor dus doorgeven aan zijn/haar kinderen, maar heeft zelf de aandoening niet in de rest van de cellen van zijn/haar lichaam. De persoon heeft dus zelf niet de ziekte, maar wel een verhoogde kans op nakomelingen met de ziekte. Dit fenomeen is vrij zeldzaam, maar kan significante effecten hebben met betrekking tot de herhalingsrisico’s wanneer het is opgetreden. Ziekten waarbij kiemcel moziaicisme vaak een rol speelt, zijn hemofilie A, de ziekte van Duchenne, neurofibromatosis type I en type II osteogenesis imperfecta.

Verminderde penetrantie

Bij veel genetische ziekten is er sprake van een verminderde (of incomplete) penetrantie. Dit houdt in dat iemand met het genotype de ziekte niet uit in het fenotype, maar de mutatie wel door kan geven aan de volgende generatie. Een voorbeeld is het retinoblastoom: ongeveer 10% van de mensen met de mutatie heeft de ziekte niet. De penetrantie is dan 90%. Ook zijn er veel genetische ziekten die zich niet meteen uitten bij de geboorte, maar pas op volwassen leeftijd. We noemen dit fenomeen leeftijdsafhankelijke penetrantie. Een goed voorbeeld hiervan is de ziekte van Huntington. Symptomen van deze ziekte komen pas tot uiting op de leeftijd van 30 jaar of later. Patiënten hebben vaak al kinderen op het moment dat ze er achter komen dat ze zelf de ziekte hebben. Hierdoor neemt de frequentie in de populatie toe.

Huntington

Huntington komt voor bij 1 op de 20.000 personen in Europa. Het komt veel minder voor onder Japanners of Afrikanen. Meestal uit de ziekte zich tussen de 30 en 50 jaar. Het wordt gekarakteriseerd door een progressief verlies van motorische controle, dementie en psychiatrische stoornissen. Er is een substantieel verlies aan neuronen in de hersenen (MRI). Een vroeg teken van de ziekte is een verlaagde glucose opname in de hersenen (aangetoond met PET). Vooral het corpus striatum wordt aangetast. Het interval tussen het stellen van de diagnose en overlijden is ongeveer 15-20 jaar. Overlijden is vooral aan aspiratie pneumonie (als gevolg van moeilijkheden bij het slikken). Patiënten worden behandeld met benzodiazepines en antipsychotica/tricyclische antidepressiva. Deze medicijnen verminderen de symptomen, maar het beloop kan niet worden beïnvloed. Onderzoek heeft aangetoond dat het bij de ziekte van Huntington gaat om een abnormaal lange CAG herhaling in exon 1. In 90-95% is de mutatie geërfd van een aangedane ouder. Normaal is er een herhaling van 10-26. Personen met 27-35 herhalingen zijn onaangedaan. Personen met meer dan 26 herhalingen kunnen zich presenteren met de ziekte (als is er sprake van een incomplete penetrantie bij 36-40 herhalingen). Hoe meer herhalingen, hoe eerder de ziekte zich zal uitten. Het aangedane gen zorgt normaal gesproken voor een eiwit (huntingtine), dat zorgt voor het transport van blaasjes. Door de CAG herhaling ontstaat er een toegenomen hoeveelheid glutamine, waardoor er een toxisch eiwit ontstaat. Dit eiwit wordt geassocieerd met het vervroegd afsterven van neuronen.

Variabele expressie

Variabele expressie = de graad van ernst van de ziekte. De ernst van genetische ziekten kan enorm variëren, door verschil in mate van expressie. Een ouder met een milde expressie kan zijn zieke allel doorgeven aan zijn kind, die dan een ernstige vorm kan ontwikkelen. Er zijn vele factoren die een invloed hebben op de expressie van een ziekte. Voorbeelden zijn: omgevingsfactoren, zoals dieet, lichaamsbeweging en roken. Andere factoren zijn de interactie met andere genen en allelische heterogeniteit.

Locus heterogenitiet

Een bepaalde ziekte kan worden veroorzaakt door mutaties op verschillende loci, doordat beide genen op deze verschillende loci een overeenkomstige functie hebben. Wanneer en van beide genen wordt aangedaan, ontstaat dezelfde ziekte.

Pleiotrofie

Sommige genen hebben meer dan 1 belangrijk effect op het lichaam en worden pleiotroop genoemd. Deze genen hebben dus meerdere effecten op de fysiologie en anatomie en dit wordt vaak gezien bij humane genen. Ziekten die door mutaties in dergelijke genen worden veroorzaakt, kunnen dan ook veel klinische verschijnselen geven. Voorbeelden van dergelijke ziektebeelden zijn CF, het syndroom van Marfan en osteogenesis imperfecta.

Het Marfan syndroom

Het marfansyndroom is een autosomaal dominant overerfbare aandoening. Hierbij treden defecten op van drie systemen: oog, skelet en cardiovasculair systeem.

  • Oog: myopie en ectopia lentis (verplaatste lens)

  • Skelet: dolichostenomelia (ongewoon lange ledenmaten), pectus excavatum of pectus carinatum, scoliose en arachnodactyly (lange magere vingers). Daarnaast vertonen zij vaak gewrichtshypermobiliteit.

  • Cardiovasculair systeem: prolaps van de mitraalklep (waardoor bloed terugstroomt van ventrikel naar atrium), dilatatie van de aorta (waardoor kwetsbaarheid voor rupturen), hartfalen (door verwijden van het hart).

Meestal wordt het marfan syndroom veroorzaakt door een mutatie in FBN1 gen, dat codeert voor een bindweefsel-eiwit. Meestal gaat het om een missense mutatie, soms frameshifts of nonsense mutaties. Vaak veroorzaakt het missense mutatie een ergere ziekte, door het dominant negatieve effect (het abnormale eiwit verstoort de functie van het normale eiwit).

Behandeling bestaat uit het controleren van de oogfunctie. Daarnaast moet zware inspanning worden voorkomen en krijgen patiënten B-blokkers. Soms kan aan de hartafwijkingen geopereerd worden.

Medische genetica: klinische cytogenetica - Chapter 6

De studie naar de chromosomen en hun afwijkingen wordt cytogenetica genoemd. Afwijkingen aan de chromosomen zijn verantwoordelijk voor een groot deel van de genetische ziekten en ze kunnen de oorzaak zijn van mentale retardie en het mislukken van een zwangerschap. Afwijkingen aan de chromosomen worden namelijk gevonden bij 50% van de spontane abortussen in het eerste trimester en 20% van de spontane abortussen tijdens het tweede trimester. Het is dus een belangrijke oorzaak van morbiditeit en mortaliteit.

Sinds 1950 zijn de mogelijkheden om (individuele) chromosomen te onderzoeken verbeterd. Tijdens de metafase zijn de chromosomen maximaal gecondenseerd en daardoor het gemakkelijkste te zien. Door middel van bijvoorbeeld colchicine (spoelfiguur gif) kunnen delende cellen in de metafase worden gehouden. Het gebruik van een hypotone zoutoplossing laat de cellen opzwellen met ruptuur van de kern als gevolg. Hierdoor kunnen de individuele chromosomen beter worden gescheiden. Tevens kunnen er materialen worden gebruikt, die hechten aan bepaalde delen van een chromosoom, waardoor er lichte en donkere banden kunnen worden onderscheiden. Dit laatste is de staining techniek. De chromosomen worden geanalyseerd vanuit levend weefsel (meestal bloed).

Een karyotype of karyogram toont de chromosomen van een individu gerangschikt op basis van de lengte. Daarnaast worden de chromosomen ingedeeld op basis van de positie van het centromeer (metacentrisch, acrocentrisch of submetacentrisch). Er zijn in een normale cel 22 autosome paren en 1 paar geslachtschromosomen aanwezig.

De banden (staining techniek) van een chromosoom zijn nuttig bij de detectie van deleties, duplicaties en andere structurele afwijkingen en het helpt mee met de identificatie van de individuele chromosomen. De belangrijkste banden van elk chromosoom zijn systemisch genummerd. Een chromosoom heeft een korte p-arm en een lange q-arm.

Een andere techniek is FISH en dat staat voor fluorescentie in situ hybridisatie. Hierbij wordt er gebruik gemaakt van lichtgevende (fluorescente) markers, die kunnen binden aan bepaalde delen van een chromosoom. Deze delen kunnen daardoor zichtbaar gemaakt worden onder een speciale microscoop. FISH kan worden gebruikt als test voor missende of additionele chromosomen (meer of minder dan twee signalen) en voor herschikkingen van chromosomen. Ook structurele afwijkingen kunnen worden gevonden. Er kan van meerdere kleuren tegelijkertijd gebruikt worden gemaakt, om meerdere afwijkingen in een keer te onderzoeken. FISH kan ook plaatsvinden tijdens de interfase van de celcyclus. Hierdoor kan de diagnostiek sneller plaatsvinden. Verlies of duplicaties van een geheel chromosoom of een specifieke regio van een chromosoom kan worden onderzocht met behulp van CGH, dat staat voor comparative genomic hybridization.

Afwijkingen in chromosoomnummer

Wanneer er in de cellen een meervoud van 23 paar chromosomen aanwezig zijn, spreken van euploïdie. Haploïde cellen en diploïde cellen noemen we dus ook wel euploïdie. Er zijn verschillende afwijkingen met betrekking tot het aantal chromosomen in de cel mogelijk. Wanneer cellen een complete chromosoomset extra bevatten naast de 23 paar chromosomen, spreken we over polyploïdie. Het kan in dit geval dan gaan om triploïdie (69 chromosomen) en tetraploïdie (92 chromosomen). Dit zijn afwijkingen die bij mensen kunnen voorkomen. Er zijn hierbij dus een of twee gehele extra sets van chromosomen aanwezig. Omdat het bij deze afwijkingen steeds gaat om een aantal chromosomen die een meervoud van 23 zijn, kan men spreken van euploïdie. De aanwezigheid van extra chromosomen gaat echter wel gepaard met verschillende afwijkingen zoals defecten aan het zenuwstelsel en het hart. De meeste van deze kinderen zullen dan ook tijdens de zwangerschap of vlak na de geboorte sterven.

Wanneer er individuele chromosomen missen of extra aanwezig zijn, is er geen sprake meer van een meervoud van 23 aan chromosomen en spreekt met van aneuploïdie. Meestal is er dan een afwijking te vinden in 1 chromosoom, maar soms zijn meerdere chromosomen aangedaan. Aneuploïdie van de autosome chromosoomparen zijn de belangrijkste afwijkingen aan de chromosomen. We onderscheiden monosomie (1 kopie van een chromosoom) en trisomie (3 kopieën van een chromosoom). Meestal zijn deze afwijkingen lethaal, maar sommige zijn vatbaar voor leven. De meest voorkomende oorzaak van aneuploïdie is nondisjunctie: het falen van de een paar chromosomen om tijdens meiose van elkaar te scheiden, waardoor de gameet twee of geen chromosomen van dit paar zal bevatten. Non disjunctie kan plaatsvinden tijdens meiose I of II. Door samensmelting van het moederlijke en vaderlijke gameet ontstaan hierdoor cellen met respectievelijk drie of één chromosomen/chromosoom.

Hieronder zullen enkele aneuploïde afwijkingen worden besproken:

  • Trisomie 21: dit is de oorzaak van het syndroom van Down en dit is de meest voorkomende autosomale aneuploïdie bij levend geboren kinderen (1/800-1000). Uiterlijke kenmerken bij het downsyndroom zijn bijvoorbeeld: een lage neusbrug, kleine oren, opstaande palpabele fissuren, een afgeplatte maxilla en kaakregio, korte nek, korte en brede handen en voeten, een dwars doorlopende handplooi en verminderde spiertonus. De belangrijkste problemen omvatten mentale retardie, obstructie van de tractus gastro-intestinalis, aangeboren defecten aan het hart en respiratoire infecties. Daarnaast is er een verhoogd risico op leukemie, gehoorverlies, hypothyreoïdie en oogafwijkingen. De verschillend e medische gevolgen leiden tot een mindere overleving. De meeste mannen met downsyndroom zijn onvruchtbaar. Een aantal vrouwen is wel in staat om zich voort te planten. Zij hebben een risico van 50% om een kind met downsyndroom te krijgen. De kans is echter heel klein, door de grote kans op spontane abortus. Het downsyndroom wordt in de meeste gevallen veroorzaakt door nondisjunction van chromosoom 21. In 90% van de gevallen is het extra chromosoom afkomstig van de moeder, meestal door een fout in meiose I.

Er is een relatie tussen de leeftijd van de moeder en de kans op een kind met downsyndroom, doordat op latere leeftijd hogere kans is op nondinsjunctie. In andere gevallen wordt het downsyndroom veroorzaakt door een translocatie in de genen van een van de ouders. In een klein deel van de gevallen is er sprake van een mozaïekvorm en vaak worden er dan wat mildere vormen gezien. Deze patiënten hebben naast cellen met trisomie 21 ook normale cellen. Meestal start dit met trisomie door nondisjunctie, waarna een aantal cellen het extra 21-chromsoom eruit gooien.

  • Trisomie 18 is de oorzaak voor het syndroom van Edwards. Dit is de op een na meest voorkomende trisomie. De daarna meest voorkomende trisomie betreft het chromosomenpaar 13 en in dat geval is er sprake van het syndroom van Patau. Kinderen met een van deze twee afwijkingen zijn soms levensvatbaar, maar ongeveer 95% zal eindigen in een spontane abortus. Ze komen minder vaak voor dan een trisomie 21 en leiden tot meer ernstige beelden, waarbij 95% van de levend geboren kinderen binnen een jaar zal sterven. Ook hierbij is in ongeveer 90% van de gevallen het extra chromosoom afkomstig van de moeder.

Het risico op het optreden van bijna alle autosomale trisomieen stijgt met de leeftijd van de moeder als gevolg van nondisjunctie op oudere leeftijd.

Naast aneuploïdie in de autosome paren kunnen dergelijke afwijkingen ook voorkomen bij de geslachtschromosomen. De gevolgen van dergelijke afwijkingen zijn veelal milder en ontstaan vooral door inactivatie van een X-chromosoom. Verschillende voorbeelden hiervan staan hieronder:

  • Syndroom van Turner. Hierbij is er sprake van een monosomie van het X-chromosoom. Dit syndroom komt dan ook alleen bij meisjes voor en zij hebben een 45,X karyotype. Bij het turnersyndroom is er vertraagde groei en afwezigheid van de eierstokken (onvruchtbaarheid en geen geslachtshormonen). Uiterlijke kenmerken: korte lichaamslengte, brede nek, lymfoedeem, triangel-gevormd hoofd, brede borst en flaporen. Het turner syndroom kent een hoge mate van spontane abortussen tijdens de zwangerschap. Er bestaat een grotere kans op overleving bij de mozaikvorm.

  • Syndroom van Klinefelter met het karyotype 47, XXY. Deze mannen zijn langer dan gemiddeld en ze hebben vaak lange armen en benen, kunnen een verlaagde intelligentie hebben en zijn vaak niet vruchtbaar. Soms wordt er een therapie met testosteron en mastectomie aangeboden.

  • Trisomie X (47, XXX) en het 47, XYY syndroom komen voor bij ongeveer 1 op de 1000 vrouwen en mannen en gaan gepaard met een milde reductie van de intelligentie en slechts weinig fysieke problemen.

Een spontane abortus tijdens de zwangerschap komt vrij vaak voor bij ongeveer een derde van de zwangerschappen. Een belangrijke oorzaak hiervan zijn chromosoomafwijkingen.

Abnormale chromosoom structuur

Er kunnen verschillende structurele afwijkingen aan chromosomen voorkomen. Hierbij onderscheiden we gebalanceerde afwijkingen (geen verlies aan genetisch materiaal) en ongebalanceerde afwijkingen (wel verlies aan genetisch materiaal). Vaak veroorzaken gebalanceerde afwijkingen in het individu geen afwijkingen, maar bij nageslacht kan dit wel een probleem opleveren. Bij ongebalanceerd afwijkingen kan er sprake zijn van een deletie (er ontbreekt een stukje uit een chromosoom) of een partiële trisomie (er is een stukje te veel van een bepaald chromosoom). Hierbij is er dus wel sprake van verlies of een teveel aan erfelijk materiaal, waardoor afwijkingen ontstaan.

Een translocatie is de uitwisseling van genetisch materiaal tussen chromosomen, die niet tot hetzelfde paar behoren. Er zijn twee manieren waarop dit kan ontstaan. De eerste is de reciproque translocatie, dat wordt veroorzaakt door het breken van twee verschillende chromosomen, waarbij materiaal kan worden uitgewisseld. De hierdoor ontstane chromosomen worden derivatieve chromosomen genoemd. De drager van deze aandoening is vaak asymptomatisch, omdat al het genetische materiaal nog wel aanwezig is. Kinderen van dergelijke dragers kunnen echter gedeeltelijke monosomie of trisomie hebben en daardoor een afwijkend fenotype. Bij de reciproque translocatie wisselen de beide chromosomen dus fragmenten uit.

De andere manier omvat de Robertsoniaanse translocatie en hierbij gaan de korte armen van de twee niet homologe chromosomen verloren en zullen de lange armen met elkaar fuseren ter hoogte van het centromeer en daardoor 1 chromosoom vormen. Deze vorm wordt vaak gezien bij de chromosomen 13, 14, 15, 21 en 22, omdat de korte armen van deze chromosomen erg kort zijn en weinig tot geen essentiële genetische informatie bevatten. Deze mensen hebben dus 45 chromosomen in de cellen, maar zijn fenotypisch normaal.

Daarnaast bestaan er deleties. Dit wordt veroorzaakt door een breuk en verlies van genetisch materiaal. Een terminale deletie omvat een enkele breuk, leidend tot een verlies van het uiteinde van het chromosoom, terwijl een interstitiële deletie het gevolg is van twee breuken, waarbij het materiaal tussen deze twee breuken in verloren gaat. Naast de grotere deleties bestaan er ook microdeleties, waarbij dit verlies alleen kan worden aangetoond in gebandeerde chromosomen of door gebruik te maken van speciale technieken in de moleculaire genetica.

Een gedeeltelijke trisomie (of duplicatie) van genetisch materiaal kan ook voorkomen en kan worden gezien bij mensen die drager zijn van een reciproque translocatie. Het kan ook het gevolg zijn van niet gelijke cross-over tijdens de meiose. Vaak veroorzaken duplicaties minder ernstige afwijkingen dan deleties. Dit toont aan dat een verlies van genetisch materiaal ernstiger is dan de aanwezigheid van extra genetisch materiaal.

Een inversie is het gevolg van twee breuken in een chromosoom, gevolgd door het herplaatsen van het tussenliggende stuk genetische materiaal in de omgekeerde volgorde (het tussenliggende stukje draait dus als het ware om binnen de twee breuken). Wanneer de inversie betrekking heeft op het centromeer spreken we van pericentrische inversie en anders spreken we van een paracentrische inversie. Dit zijn relatief vaak voorkomende structurele afwijkingen. De ouders met een inversie hebben veelal een normaal fenotype, maar hun kinderen kunnen deleties en duplicaties ondervinden.

De gebieden in de buurt van de telomeren van de chromosomen hebben de neiging om een hoge densiteit aan genen te hebben. Een herschikking van het genetische materiaal in deze gebieden (zoals deleties en duplicaties) leidt dan ook vaak tot een genetische aandoening. In sommige gevallen treden er deleties aan beide uiteinden van een chromosoom op. De hierdoor ontstane uiteinden van het chromosoom kunnen dan gaan fuseren en een ringvormig chromosoom vormen. Vaak gaan deze chromosomen verloren, resulterend in monosomie in ten minste een aantal cellen. Een isochromosoom ontstaat door het vormen van twee kopieën van de ene arm en het vormen van geen enkele kopie van de andere arm. Dit komt door een veranderde as van deling. Hierbij verandert het genetische materiaal en deze afwijkingen zijn vaak lethaal. De meeste levend geboren kinderen met een isochromosoom hebben een afwijking in het X-chromosoom. Er bestaan veel verschillen tussen chromosomale syndromen, maar toch kunnen er enkele algemene zaken worden gezien: de meeste gaan gepaard met mentale retardie, een verminderde ontwikkeling en afwijkingen aan het gezicht en uiterlijk en daarnaast worden er vaak een groeiachterstand en aangeboren malformaties gezien (zoals aangeboren hartafwijkingen).

Medische genetica: stofwisselingsziekten - Chapter 7

Een mens bestaat uit ingewikkelde moleculen, die zorgen voor de vorming van cellen en weefsels. De elementen in deze moleculen kunnen endogeen worden gemaakt of verkregen zijn uit de omgeving. Ook moleculen worden afgebroken, uitgescheiden en gerecycled bij het stofwisselingsproces en het betreft dus zeker geen statische eenheden. Bij het stofwisselingsproces en bij bijna alle andere biochemische processen maakt het menselijke lichaam gebruik van meerdere verschillende enzymen, die na elkaar worden ingezet om bepaalde processen in het lichaam te katalyseren. Ook in de genen die voor deze enzymen coderen kunnen mutaties optreden, waardoor de effectiviteit van deze enzymen zo laag kan worden, dat er geen sprake meer is van een normaal metabolisme. Hierbij is het belangrijk om je tevens te realiseren dat er variaties in deze enzymsystemen tussen mensen onderling kunnen voorkomen, maar dat slechts een klein gedeelte van deze varianten zal leiden tot ziekte. Inmiddels zijn er meer dan 350 stofwisselingsziekten beschreven, die veroorzaakt worden door een mutatie, maar toch zijn deze aandoeningen zeldzaam.

Er is veel studie gedaan naar alkaptonurie (AKU). Bij deze zeldzame erfelijke genetische afwijking wordt het homogentisinezuur in grote mate uitgescheiden in urine, waardoor de urine donker van kleur wordt. Daarnaast wordt het oxidatieproduct van homogentisinezuur opgeslagen in het bindweefsel, waardoor er een abnormale pigmentatie en artritis ontstaan. Na veel onderzoek is gebleken dat deze ziekte ontstaat door een loss-of-function mutatie in het gen dat codeert voor homogentisate 1,2-dioxygenase. Dit is een enzym dat normaal gesproken verantwoordelijk is voor de afbraak van het homogentisinezuur.

Als je alle stofwisselingsziekten samen neemt, veroorzaken ze een aanzienlijk percentage van de morbiditeit en mortaliteit met als directe of indirecte oorzaak genetische ziekten, ondanks dat veel van deze ziekten op zich zelf heel zeldzaam zijn. De incidentie van stofwisselingsziekten is ongeveer 1 op de 2.500 geboorten. Het is belangrijk om de aanwezige klachten te onderzoeken en de oorzaak hiervan te achterhalen. Sommige oorzaken, bijvoorbeeld een defect in de ureumcyclus of een defect in het vetzuurmetabolisme, zijn namelijk direct te behandelen.

Tegenwoordig is het mogelijk om te testen of iemand drager is van een stofwisselingsziekte en ook is prenataal onderzoek mogelijk. Stofwisselingsziekten erven autosomaal recessief over, dus alleen de individuen waarbij de mutatie op beide allelen aanwezig is, zullen hierbij zijn aangedaan. Dragers van een stofwisselingsziekte ondervinden meestal geen problemen met hun gezondheid, ondanks dat er door het aangedane allel een verminderde enzymactiviteit zal ontstaan (loss-of-function).

Er zijn verschillende manieren om stofwisselingsziekten in te delen, waarbij alle klassen voordelen en nadelen hebben. Zo bestaan er indelingen op basis van het pathologische effect van de ziekte, op basis van het soort proteïne dat is betrokken bij de ontwikkeling van de aandoening (bijvoorbeeld een receptor), op basis van geassocieerde co-factoren zoals vitaminen of metalen en op basis van de betrokken “pathway”, waarbij je kan denken aan bijvoorbeeld de glycolyse en citroenzuurcyclus.

Dieet

Het dieet vormt een belangrijk onderdeel van de behandeling van heel veel stofwisselingsziekten, waarbij de inname van koolhydraten en aminozuren beperkt moet worden gehouden. Verder moet de patiënt niet vasten en moeten co-factoren (die te weinig aanwezig zijn) vervangen worden. Zo kan men bijvoorbeeld vitamine B extra innemen. Deze verantwoordelijkheid moet al vanaf kinds af aan genomen worden en de patiënten zitten meestal levenslang aan een dieet vast.

Wanneer een kind geboren wordt met fenylketonurie zullen verschillende maatregelen genomen moeten worden. Het kind mag niet veel fenylalanine binnenkrijgen, omdat anders de hersenen kunnen worden aangetast. In borstvoeding is veel fenylalanine aanwezig, waardoor deze voeding eerst gemengd moet worden met een op recept verkregen medisch ‘voedsel’ waarin weinig fenylalanine zit. Ook moet de concentratie in het bloed vaak worden gemeten en moet men de patiënt dus goed in de gaten houden en blijven controleren. Als het kind ouder wordt, kan medisch voedsel vervangen worden door voedsel met weinig proteïne. Dit lijkt gemakkelijk, maar dit voedsel kan echt verschillen van het voedsel waarin de normale hoeveelheid proteïne zit: niet alleen is de smaak anders, maar ook de geur verschilt van ‘normaal’ voedsel. Het kan voor deze kinderen moeilijk zijn om anders te moeten leven dan leeftijdsgenootjes en bijvoorbeeld niet mee te kunnen naar een restaurant. Stofwisselingsziekten zijn chronische ziekten, waarbij meestal rekening moet worden gehouden in het dieet. Dit zorgt niet alleen voor veranderingen in het dagelijks leven, maar kan ook leiden tot emotionele problemen. Als arts moet je dan ook goed hierop letten en dit niet vergeten.

Genetica zijn ook van belang wanneer het gaat om farmacogenetica. Ieder persoon reageert namelijk anders op natuurlijke en synthetische chemische stoffen en dit wordt deels bepaald door de verschillende polymorfismen die bestaan in de genen, die zijn betrokken bij de biotransformatie en de aangrijpingspunten van deze stoffen. Genetische testen naar deze polymorfismen en het voorkomen hiervan bij een persoon, met invloed op het metabolisme en de effectiviteit van medicatie, kan leiden tot een betere voorspelling over de reactie hiervan op het lichaam van de patiënt. Door van dit principe gebruik te gaan maken, kan de incidentie van bijwerkingen waarschijnlijk worden verminderd.

Join World Supporter
Join World Supporter
Log in or create your free account

Why create an account?

  • Your WorldSupporter account gives you access to all functionalities of the platform
  • Once you are logged in, you can:
    • Save pages to your favorites
    • Give feedback or share contributions
    • participate in discussions
    • share your own contributions through the 7 WorldSupporter tools
Follow the author: Vintage Supporter
Promotions
verzekering studeren in het buitenland

Ga jij binnenkort studeren in het buitenland?
Regel je zorg- en reisverzekering via JoHo!

verzekering studeren in het buitenland

Ga jij binnenkort studeren in het buitenland?
Regel je zorg- en reisverzekering via JoHo!

Access level of this page
  • Public
  • WorldSupporters only
  • JoHo members
  • Private
Statistics
[totalcount]
Content categories
Comments, Compliments & Kudos

Add new contribution

CAPTCHA
This question is for testing whether or not you are a human visitor and to prevent automated spam submissions.
Image CAPTCHA
Enter the characters shown in the image.