A betegségek Molekuláris Biológiája

Átírás

1 A betegségek Molekuláris Biológiája DIA 1 A betegségek fajtái Az emberi betegségeket többféle szempont alapján kategorizálhatjuk. A betegség genetikai tényezői alapján a következő rendszert állíthatjuk fel. 1. Monogénes betegségek 2. Multifaktoriális betegségek 3. Mitokondriális betegségek 4. Kromoszómális rendellenességek 5. Nem-öröklődő genetikai betegségek (pl. a rák legtöbb fajtája) 6. Epigenetikai betegségek 7. Nem genetikai betegségek (pl. fertőző betegségek, sérülések, mérgezés, stb.) A betegségek csoportosíthatóak egy vegyes rendszer szerint is, amely magában foglalja pl. az érintett szerveket, az okozott betegség tüneteit, stb. Eszerint beszélhetünk szív-és érrendszeri betegségekről, rákbetegségekről, autoimmun betegségekről, anyagcsere betegségekről, demenciát okozó betegségekről, stb. Külön előadásban volt/lesz szó a kromoszómális betegségekről, az idegrendszeri rendellenességekről és a rákról. A fertőző betegségekről csak érintőlegesen beszéltünk pl. a Rák Molekuláris Biológiája és Vírusok c. előadásokban (ez a témakör más tárgyak keretében kerül majd tárgyalásra); néhány epigenetikai betegségről is volt szó (pl. Prader-Willi szindróma). Jelentőségéhez képest keveset említünk a genetikai szabályozó régiók mutációi által okozott betegségekről, melynek oka az, hogy egyelőre nem sokat tudunk ezekről. A szabályozó elemek mutációi gyakoribbak, mint a kódoló régióban bekövetkezett mutációk, de rendszerint kevésbé súlyos következményekkel járnak. Szemben a kódoló régióban bekövetkezett mutációkkal (kivéve a néma mutációkat), a szabályozási mutációk rendszerint nem járnak a funkció teljes elvesztésével, ezért nem is hat rájuk olyan erőteljesen a negatív szelekció. Sokan úgy vélik, hogy elsősorban a szabályozási mutációk szolgáltatják az evolúció nyersanyagát; más szóval, a populációk természetes fenotípusos varianciájának döntő hányadát a genetikai szabályozásban való különbözőségek produkálják. Az epigenetikai betegségekről sem tudunk még sokat, de valószínűnek látszik, hogy a metilációs mintázatokban és a nem-kódoló RNS-ekben való változékonyság rendkívül fontos lehet a betegségek kialakulásában, ill. a betegségekre való fogékonyság meghatározásában. 1 DIA 2 A betegség kontinuum Egy betegséget rendszerint genetikai és környezeti tényezők együtt alakítanak ki. A monogénes (mászóval, egygénes vagy Mendeli) betegségek esetében a genetikai tényező rendszerint döntő hatású: egy domináns jellegnél az egyik, egy recesszív jellegnél mindkét hibás allél jelenléte esetén a betegség elkerülhetetlenül bekövetkezik (kivéve persze, ha létezik terápia ellene). A domináns és recesszív hatás között valójában folytonos az átmenet, rendszerint az egy kópiában jelenlévő normális allél nem képes 100%-osan ellátni a funkcióját, ill., egy recesszív allél egyetlen kópiában is fejthet ki hatást. A monogénes és poligénes betegségek mellett, megkülönböztethetünk oligogénes (kevés génes) betegségeket is, de ezeket rendszerint besoroljuk a másik két típus valamelyikébe. Az egygénes betegségeket pl. több gén is okozhatja; azért nevezzük ezeket mégis monogénes rendellenességeknek, mert bármelyikük hibás funkciója elegendő a betegség kialakulásához. A monogénes betegségek esetében egyre gyakoribb az a felismerés, hogy más gének bizonyos alléljai erősíthetik, vagy csökkenthetik a betegség súlyosságát, sőt a környezeti hatások is fontosak lehetnek. Tehát, a monogénes és multifaktoriális (másszóval komplex, poligénes) betegségek közötti határ egyáltalán nem éles. A multifaktoriális betegségek esetén betegségre hajlamosító allélvariánsokról (ill. genetikai hajlamosító tényezőkről) beszélünk, hibás allélok helyett. A környezeti tényezők és az életmód, szerepet játszik abban, hogy adott genetikai háttér esetén kialakul-e a betegség vagy sem. Nyilvánvalóan, a különböző allélkombinációk is számítanak, azaz egy hajlamosító genetikai faktor penetranciája függ más gének allélvariánsainak az adott egyedben

2 való jelenlététől vagy hiányától. Ezzel a tényezővel egyelőre nem tudunk számolni, mivel nem ismerjük a tényezők közötti pontos kölcsönhatásokat. A monogénes rendellenességek ritkábbak, mint a multifaktoriális betegségek, de rendszerint jóval súlyosabbak. Mi lehet az oka a monogénes és a multifaktoriális betegségek közötti különbségnek? A monogénes betegségek esetében rendszerint az adott gén funkciója elromlik egy mutáció következtében. Ezeknél a betegségeknél a mutáció gyakran érinti gén kódoló szakaszát, ami aminosav cserét, vagy aminosavak kiesését eredményezi, vagy olyan a szabályozó szakaszokon történő mutációk, ill. az epigenetikai változások olyan mértékűek, hogy a gén kifejeződése drasztikusan megváltozik. A komplex betegségek esetén inkább a gének szabályozása változik meg genetikai vagy epigenetikai szinten, vagy ha aminosav csere történik, az kémiailag hasonló aminosavat eredményez. A lényeg az, hogy a komplex betegségek esetében a fehérjék működése nem romlik el, hanem inkább valamelyest megváltozik. Ezért, a betegség kialakulásához nem elegendő egyetlen gén variáns jelenléte, hanem több gén megfelelő alléljének is jelen kell lennie, amelyek a környezeti hatásokkal együtt alakítják ki a betegséget. Sok komplex betegséget egyetlen gén drasztikus mutációja is kialakíthat. DIA 3 A komplex betegségek elleni szelekció A komplex betegségek azért lehetnek gyakoriak, mert (1) nem hat ellenük erős szelekció. Ennek fő oka az, hogy ezek a betegségek rendszerint a kései életkorban jelennek meg, amikor már vannak utódaink. Korábban kevesen élték meg azt a kort, amikor ezek a modernkori betegségek megjelennek: a genomunk ugyanis kőkorszaki, tehát, az emberi civilizáció megjelenése után nem sokat változott. A hajlamosító tényezők csak bizonyos allélvariációban okoznak nagy eséllyel betegséget, s így ezek, a recesszív jellegekhez hasonlóan, rejtettek maradnak a populáció gén pool-jában. (2) A komplex betegségek nagy gyakoriságának másik oka az lehet, hogy ezek eszközök az evolúció kezében az élettartamunk meghatározásában. Az élettartam ugyanis optimalizált, ha túl sokáig élünk nem leszünk képesek elegendő mértékű genetikai variációt produkálni. Az (1) és (2) okok nem függetlenek egymástól. 2 Monogénes betegségek alapkövetelmény DIA 4 Több mint 6000 monogénes rendellenesség ismert, melyek összesen 200 születésből 1 gyermeket érintenek (0,5%-os gyakoriságúak; a színérzékelésbeli anomáliák nincsenek ide számítva!). A monogénes betegségek lehetnek autoszómához vagy nemi kromoszómához (X, Y) kötöttek, s lehetnek dominánsak vagy recesszívek. Kodomináns öröklésmenetnél mind a két allél kifejeződik a fenotípusban. Intermedier öröklésmenetnél pedig a fenotípus átmeneti (intermedier) lesz a nem teljes dominancia miatt. Az intermedier öröklést a betegségek esetén azok a példák jelentik, amikor egy recesszív mutáció egy heterozigótában enyhe, vagy kisebb eséllyel megjelenő betegséget okoz DIA 5 Heterozigóta fölény Ha egy monogénes betegség viszonylag gyakori, akkor valószínűleg heterozigóta formában valamilyen kedvező sajátságot biztosít a hordozó számára; ezt nevezzük heterozigóta fölénynek. A heterozigóta fölény klasszikus példája a sarlósejtes vérszegénység (ld. később). Megjegyzem, hogy nem feltétlenül minden magas arányban jelenlévő allélvariáns adaptív, lehet, hogy ez csupán kapcsolt más gének előnyös allélvariánsaival, s potyautasként terjed. A hibás allél eltüntetéséhez idő kell. DIA 6 XY beteg férfiak Az X kromoszóma csupán egyetlen a 23 emberi kromoszóma közül, mégis jóval gyakrabban érintett a monogénes betegségekben, mint más kromoszómák, melynek oka az, hogy egy recesszív mutáció a férfiakban betegséget okoz. Sőt gyakran, az X kromoszóma

3 inaktiváció miatt, a nők is érintettek lehetnek. A nők azonban sok esetben egészségesek maradnak az X kromoszómát érintő mutációkra, melynek okai a következők: (1) Az X kromoszóma ún. pszeudo-autoszómális régiója nem inaktiválódik (ez a régió homológ az Y kromoszómával). (2) Az embrionális fejlődés elején nincs inaktiváció, s ekkor az ép gén működik a sejtekben. (3) a mozaikos expresszió gyakran elegendő a betegség elkerüléséhez (van ahol a beteg, van ahol a normális gént tartalmazó kromoszóma inaktiválódik ez mozaikosságot okoz). Az Y kromoszómán kevés gén található, nincs jelentősebb betegség, ami ehhez az apró kromoszómához lenne köthető. Cisztás fibrózis DIA 7 A cisztás fibrózis (CF) egy viszonylag gyakori autoszómális recesszív genetikai rendellenesség, melynek hatása az egész testre kiterjed, főként a légző (tüdő) és emésztő (hasnyálmirigy, vékonybél) szervrendszereket érinti. A legsúlyosabb problémát a nehézlégzés és a gyakori tüdőfertőzés okozza. Az antibiotikum terápia enyhítheti a tüneteket, de nem szünteti meg, mivel nem oki kezelésről van szó. A név cisztás fibrózis a pankreászban való cisztaképződésre és a sebekre (fibrózis) utal. A CF betegségben szenvedők a 7. kromoszómán elhelyezkedő CFTR (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator; CF transz-membrán vezetőképesség szabályozó) gén mindkét kópiájában mutációt hordoznak. A CFTR egy camp jelút által aktivált ATP-vezérelt anion csatorna, amely főként a klorid ionokra szelektív. A CFTR eredendően (a szekvenciális hasonlóság alapján) az ABC transzporterekhez tartozik, de az evolúció során átalakult egy klorid-ion csatornává. Ez a transz-membrán fehérje, - eltérően az ABC transzporterektől -, nem az aktív, hanem a passzív transzportban vesz részt: a Cl - -ok az elektrokémiai gradiensük szerint, a sejtből az extracelluláris térbe, vándorolnak. A CFTR működéséhez azonban mégis kell energia, ami a csatorna nyitásához szükséges (a többi ABC transzporter esetében az ATP által indukált konformáció változás az aktív transzportot biztosítja). A CFTR különböző szervek epitél sejtjeiben fejeződik ki (epitél sejtek borítják több szerv belső vagy külső felszínét, pl. tüdő, máj, pankreász, emésztőrendszer, szaporodási rendszer, bőr, a mirigyek kivezető csövei). A CFTR-en keresztül a klorid ionok a sejtből a nyákba kerülnek, melyet ekvivalens mennyiségű víz és Na + követ, s így nyeri el a nyák a végső viszkozitását. Megjegyzés: a Na + -ok mozgását a Cl - -ok által létrehozott elektromos gradiens biztosítja (ugyanabba az irányba), de ebben az esetben a Na + -ok a paracelluláris útvonalon, azaz a sejtek közötti térben, közlekednek. A CFTR nyitásának szabályozása a következőképpen történik: a G fehérjén keresztül érkező jel hatására a sejt camp szintje megemelkedik (adenil cikláz enzim indukciója révén), ez aktiválja a protein kináz A fehérjét, mely foszforilálja és így nyitott állapotba hozza a dimer szerkezetű CFTR csatornát. A betegségben aktiválódik ugyan a protein kináz A, de mivel hiányzik a normális CFTR fehérje a klorid- és nátrium ionok, valamint a víz nem jutnak a nyákba, ami ezért besűrűsödik. A sűrű nyák pedig megfelelő táptalajt biztosít a fertőzéseknek, s akadályozza a szervek normális működését, pl. a légzést, ill. a pankreász enzimek bélbe való ürülését (ez utóbbi az oka annak, hogy a betegek nem fejlődnek normálisan). A CF betegség egy további sajátsága, hogy a beteg túlságosan sok sót veszít, ami felborítja a sóháztartást. A súlyos következmények miatt a CF-ban szenvedők a kora 30-as éveikben vagy ennél is korábban meghalnak. A CFTR gén a 7. kromoszómán található a q31.2 lokuszban, 230,000 bázispár hosszúságú, s egy 1480 aminosav hosszúságú fehérjét kódol. A leggyakoribb mutáció a F508; ez egy 3 bázist érintő deléció (Δ), ami egy fenilalanin aminosav (F) kiesését eredményezi a fehérje 508. pozíciójában. Ez a mutáció világszerte a CF esetek 70%-áért felelős (az USA-ban 90%). A maradék CF betegséget a CFTR gén kb egyéb mutációja okozza. A CF kialakulásához 2 mutáns allél szükséges. Az utóbbi években egyre nő azoknak a megfigyeléseknek a száma, mely szerint a CFTR gén mellett genetikai módosítók is szerepet játszanak a betegség kialakításában, annak súlyosságát befolyásolják. Példaként a mannán-kötő lektint említjük. E fehérje a mikroorganizmusok fagocitálásában játszik szerepet. Az a genetikai polimorfizmus, amely a lektin alacsony vérszintjét eredményezi, háromszoros kockázati tényezőt jelent a végstádiumos tüdőbetegség kialakulásában. A hibás CFTR gén jelenlétét genetikai tesztekkel meg tudjuk állapítani. Habár a betegséget nem tudjuk gyógyítani, az új terápiákkal meg lehet hosszabbítani a betegek életét, s javítható az életminőségük. A terápiák többsége a nyák tüdőből való eltávolítását és a bakteriális fertőzés megakadályozását tűzi ki. (1) Fizikai terápia, mely a mell kézzel való ütögetését jelenti; a cél a nyák leválása a tüdő belső felszínéről. (2) Antibiotikumok inhalálása. (3) A bronchodilatátorok segítenek a 3

4 légutak nyitvatartásában; (4) A pankreász enzimmel való terápia pótolja a hasnyálmirigy enzimjeit. (5) A génterápia során normális CFTR géneket juttatunk a tüdő sejtekbe vírus vektorok segítségével (ld. Génterápia c. előadást). Heterozigóta fölény és cisztás fibrózis DIA 8 A betegségek 2/3-át ugyanaz a mutáció ( F508 allélvariáns) okozza, ami azt jelenti, hogy ez a mutáció öröklődéssel terjed. A nagy gyakoriságú Mendeli betegségek (pl. CF) esetén mindig felmerül a kérdés, hogy van-e valamilyen előnye annak, ha egyetlen kópiában hordozzuk a beteg allélt; ezt nevezzük heterozigóta fölénynek. Egyetlen mutáns kópia segíthet a folyadékveszteség mérséklésében pl. hasmenés esetén. A kolera korábban sok európai ember halálát okozta. E betegség nagyfokú mortalitását a folyadékvesztés okozza. Az a feltételezés, hogy a hibás CFTR gént a szelekciós nyomás tartotta fel azáltal, hogy a heterozigóták esélyei a kolera túlélésében jobbak voltak, mint a két normális CFTR allélt tartalmazóké. Az egérmodell kísérletek alátámasztani látszanak ezt a hipotézis: a heterozigóták hasmenése mérsékeltebb volt, mint a nem-mutánsoké. Egy másik elmélet szerint, a heterozigóták a tuberkulózissal szemben ellenállóbbak. Az as években Európában a TBC a népesség 20%-ának halálát okozta, ami nagyon magas szelekciós nyomást gyakorolhatott. A kérdés itt persze az, hogy ha más esetekben a CF éppen hogy a fertőződési esélyt növeli meg nagymértékben, miért lehet fordított ez a TBC esetében. Sarlósejtes vérszegénység DIA 9 A sarlósejtes vérszegénység (sickle cell anemia, SCA; vagy sickle cell disease; SCD) egy autoszómális recesszív genetikai betegség, amely a vörösvértestek hemoglobinját érinti. A vörösvértestek normálisan kerek alakúak, s rugalmasak, ezért a hajszálerek szűk üregében könnyen átférnek. A hemoglobin molekula két alfa és két béta alegységből, plusz 4 hem prosztetikus csoportból (vasat tartalmaz) áll. A sarlósejtes vérszegénységben szenvedők leggyakrabban a 11. kromoszómán elhelyezkedő béta alegység génben hordoznak mutációt. A mutáns fehérje 6. pozíciójában a hidrofil glutaminsav kicserélődik hidrofób valinra. Az újonnan kialakult hidrofób régió a két béta láncban összekapcsolódik, ami a hemoglobin molekulák polimerizációját okozza, ez pedig rugalmatlan, sarló alakú vörösvértesteket eredményez. Az abnormális, polimerizált vörösvértestek fennakadnak a kisebb kapillárisokban, ami az oxigénellátás hatékonyságát rontja. A hipoxia fájdalmat és szövetpusztulást okoz. Míg a normális vörösvértestek átlagosan 120 napot élnek, a mutáns formák csupán napig maradnak életben. A betegség magas előfordulása szintén magyarázatot kíván. A betegség elterjedtsége egybeesik a malária által fertőzött régiókkal (kivéve USA, ahová a feketék rabszolgaként kerültek Afrikából). A megfigyelések szerint a heterozigóták ellenállóbbak a maláriával szemben. Tehát, bár homozigóta formában az SCA egy halálos betegség, a heterozigóták maláriával szembeni nagyobb ellenállóképessége fenntartja a hibás hemoglobin allélt (heterozigóta fölény). 4 Fenilketonuria DIA 10 A fenilketonuria (PKU) egy ritka autoszómális genetikai betegség (anyagcsere rendellenesség), melyet a 12. kromoszómán elhelyezkedő fenilalanin hidroxiláz (PAH) gén mutációja okoz. Ez az enzim normálisan a májban a fenilalanin aminosavat bontja le. A gén mutációja megváltoztatja az enzim térszerkezetét, s emiatt az nem lesz képes lebontani a fenilalanint, ami toxikus hatású főként az agy idegsejtjeire. Az újszülöttek eleinte tünetmentesek, később azonban, kezelés hiányában, súlyos agyi károsodásokat szenvednek. Sok országban az újszülötteket rutiszerűen tesztelik (a vér fenilalanin szintjét vizsgálják), mivel a betegség kezelhető. A betegek fenilalanin-mentes diétán élnek. Mivel szinte minden fehérje tartalmaz fenilalanint, a páciensek speciális, kevés fenilalanint tartalmazó, fehérjekészítményeken élnek. SCID (1) X-kapcsolt SCID DIA 11 A SCID (severe combined immunodeficiency, súlyos immunhiányos betegség) egy nagyon ritka betegségcsoport, amely az immunrendszert érinti (100,000 emberből 1 beteg). A SCID az érintetteket sebezhetővé teszi a különböző kórokozókkal szemben. A SCID több típusa ismeretes, melyek közül a leggyakoribb az X kromoszómán elhelyezkedő SCIDX1 gén

5 mutációja. Ez a gén az IL2RG (interleukin-2 receptor alegysége) fehérjét kódolja. Az IL2R receptorok, többek között, az éretlen vérképzősejtek felszínén helyezkednek el, s azok makrofágokká, limfocitákká és NK sejtekké való differenciálódását irányítják. A receptorok egy másik feladata a T és B sejtek kommunikációjának elősegítése. Tehát, a SCIDX1 génben történő mutáció hatására egyrészt, nem keletkezik elegendő T és B sejt, másrészt, a kétféle limfocita nem reagál megfelelően a kórokozók támadására, s ezért a szervezet védtelen lesz a kórokozókkal szemben. A tünetek már az élet első néhány hónapjába megjelennek, az újszülött egyik fertőző betegségből a másikba esik, melyek közül a pneumónia (tüdőgyulladás), a meningitisz (agyhártyagyulladás) és a szepszis (vérmérgezés) halálos is lehet. Kezelés nélkül a beteg nem éli meg a 2 éves kort. A betegség kimutatható a születés előtt az amnion folyadékból, a placentából, ill. a korion boholyból vett minták tesztelésével. Vérszérum vizsgálat is alkalmazható, amely a vérben lévő alacsony számú T és B sejteket mutatja ki. A 70-es években a SCID-ben szenvedő David a buborékfiú nagy médiapublicitást kapott, 12 évig élt izoláltan a külvilágtól. A SCID leghatékonyabb terápiája a csontvelő transzplantáció. A felnőtt őssejteket egészséges donorokból (általában közeli rokonokból) nyerik. A SCID génterápiája a hibás gén kicserélését jelenti a saját csontvelő sejtekben. Az elmúlt évben a Bostoni Gyermekkórházban sikeres génterápiát hajtottak végre (DIA 12). (2) Az ADA (adenosine deaminase) deficiencia a SCID egyik formája. DIA 13 A betegséget a 20. kromoszómán elhelyezkedő ADA gén mutációja okozza (autoszómális recesszív betegség). Az ADA gén az adenozin deamináz enzimet kódolja. Az enzim hiányában a szervezet nem képes lebontani a dezoxi-adenozin nukleozidot (adenin + dezoxiribóz), ami nagy mennyiségben toxikus, főként a T és B limfocitákra. A betegséget ugyanolyan módszerekkel lehet diagnosztizálni, mint az X-kapcsolt SCID-et. Duchenne-féle muszkuláris disztrófia DIA 14 A Duchenne-féle muszkuláris disztrófia (DMD) egy recesszív X kromoszómához kötött izom betegség, amely izomsorvadást, s ezáltal mozgási és légzési nehézségeket, végül halált okoz. A betegség előfordulása 1:3000 arányú. Csak a férfiak érintettek, a nők csupán hordozók lehetnek. A DMD oka a disztrofin gén mutációja. A disztrofin protein az izomszövetben egy szerkezeti fehérje, a sejtmembránban elhelyezkedő ún. disztroglikán komplex szerkezeti stabilitásáért felelős. A disztrofin a leghosszabb emberi gén (2,4 megabázist tartalmaz, ami a teljes genom 0,08%-a), s az Xp21 lokuszon helyezkedik el. A 79 exonból álló gén viszont nem a leghosszabb fehérjét kódolja, a disztrofin mindössze 3500 aminosavból áll (a pre-mrns 2,4 Mbp, míg az érett RNS 14 kbp hosszúságú. Az RNS leíródásához 16 óra kell. 5