Astmagenetikk. jorrit gerritsen, Beatrix Children s Hospital, University of Groningen

Transkript

1 Astmagenetikk SAMMENDRAG: jorrit gerritsen, Beatrix Children s Hospital, University of Groningen Forskningen på arvelighet ved astma og allergi har avdekket komplekse sammenhenger. Eksempelvis kan forskjellige gener føre til samme fenotype eller en og samme genotype resultere i forskjellige fenotyper, samtidig som flere gener synes å spille ulike roller ved utvikling og alvorlighetsgrad av sykdommene. Ett av de største problemene ved studier av heritabilitet ved astma og allergi er å identifisere selve sykdomsgenet. Artikkelen beskriver ulike metoder for identifisering av sykdomsgener og tar også for seg studier av interaksjon mellom genene og interaksjon mellom gener og miljø. Slike studier kan gi verdifull innsikt når det gjelder å forstå astmaens arvelige komponent og den genetiske variasjonen mellom forskjellige individers respons på behandling. Ytterligere studier av gengen og gen-miljø-interaksjoner kan kaste nytt lys over faktorer som er viktige for sykdommens utvikling, alvorlighetsgrad og progresjon. Kontaktadresse: Jorrit Gerritsen, MD, PhD Beatrix Children s Hospital University Medical Centre, Groningen Hanzeplein EZ Groningen Nederland j.gerritsen@med.umcq.nl Alle leger som arbeider med astma, vil være enige om at familiehistorier tydelig viser at astma er arvelig. Tvillingstudier har vist at heritabiliteten ved astma er så høy som 60 til 70%, likevel vet vi fremdeles ikke hvordan nedarvingen skjer. Arvelighet Astma og allergi har en tendens til å følge bestemte familier, såkalt familiær aggregasjon eller opphopning. Allerede for mer enn 90 år siden konkluderte Cooke og van der Veer, på grunnlag av familiestudier av 504 pasienter, at nedarving av fenotypene astma og allergi avgjort er en faktor i human allergi (1). Leigh og Marley viste at astmaforekomsten var signifikant høyere (13 %) hos slektninger av astmapasienter enn hos slektninger av en tilsvarende gruppe uten astma (2). Det kan diskuteres om denne familiære opphopningen hovedsakelig kan forklares ved genetiske faktorer, eller om også miljømessige faktorer spiller en rolle, og i hvilken grad. I motsetning til for eksempel ved cystisk fibrose, er det ikke noe enkelt gen som er årsak til familiær opphopning av astma og allergi. Det synes heller som om dataene viser at modeller med oligogeniske loci (dvs. at noen få loci styrer det meste av den genetiske kontrollen) gir best tilpasning til dataene (3). Miljøpåvirkningen har en sterkt modifiserende effekt på genenes fenotypiske ekspresjon. Fordi vi mangler utvetydige kriterier for diagnostisering av disse sykdommene, er et av de største problemene ved studiet av heritabiliteten ved astma og allergi å finne genet. Forskjellige gener kan føre til samme fenotype (genetisk heterogenitet), eller én og samme genotype kan resultere i forskjellige fenotyper (pleiotropi). Gener med varianter i DNAsekvens uttrykker ikke alltid fenotypen (ufullstendig penetrans), og den spesifikke fenotype som blir undersøkt, kan bli uttrykt uten genetisk mutasjon (fenokopi). Ved astma og allergi synes også polygen nedarving (dvs. mutasjon(er) av forskjellige gener) å være viktig. Astma og allergi tilfredsstiller altså definisjonen av komplekse genetiske sykdommer. Trinnvis undersøkelse av heritabilitet Det første trinnet er å ta sykehistorien og diagnostisere astma og allergi, for deretter å sette opp en familietavle med de forskjellige fenotypene (fig 1). Faren (blå) har astma og moren (gul) har ikke astma. På figur 2 vises kromosomene og på figur 3 de forskjellige alleler i gult, blått, grønt og rødt. Hos ett av barna (fig 4) er allelene arvet, men rekkefølgen (fig 5) er forskjellig. På figur 6 vises de arvede informative (astma/allergi-) deler av allelene. Undersøkelse av gener Neste trinn er å ta DNA-prøver, disse kan tas fra prøver av fullblod, men også fra 8 allergi i prakxsis 3/2007

2 Genomscreening ved hjelp av nukleotidpolymorfismer gir verdifull innsikt i sykdommers arvelige komponenter. celler som inneholder DNA samlet ved hjelp av bukkal vattpinne eller børste (fig 7). Kromosomet har heliksstruktur med ryggrad av sukker-fosfatkjeder og nukleotidene adenin, guanin, thymin og cytosin. Disse nukleotidene danner baseparene adenin-thymin og guanin-cytosin (fig 8). Tre baser koder for aminosyrer. Blant metodene for å finne sykdomsgen(ene) finner vi posisjonell kloning Dette er en hypotese-uavhengig angrepsmåte, som starter med undersøkelse av familiene. Markører som finnes med tilfeldig avstand langs hele genomet, blir testet for kobling (dvs. bundet nedarving) med sykdomsfenotypen. Hvis man finner kobling mellom en spesiell markør og fenotypen, går man videre med typing av genetiske markører, inklusive enkeltpar mutasjoner enkeltnukleotidpolymorfisme (SNP, fig 9). Ved hjelp av assosiasjonsanalyse kan det aktuelle området avgrenses nøyaktigere. Deretter kan gener i dette området undersøkes for mulig medvirkning i sykdomsprosessen og tilstedeværelse av sykdomfremkallende mutasjoner hos de personer det gjelder. Denne angrepsmåten kalles ofte posisjonell kloning eller genomskanning hvis hele genomet er undersøkt på denne måten (fig 10). En slik angrepsmåte krever ingen antakelser med hensyn til hvilket spesielt gen som er involvert i sykdommen, selv om den nødvendiggjør mange molekylærgenetiske analyser og dermed betydelig tidsforbruk og omkostninger. Nylig er det blitt mulig å gjøre en screening for mer enn SNP-er på én gang ved å bruke mikrochip-teknologi. Den andre angrepsmåten er å velge mulige gener som testes direkte med hensyn på delaktighet i sykdomsprosessen. Gener blir valgt ut på grunnlag av kjent delaktighet i sykdomsprosessen eller på grunnlag av sin mekanistiske rolle i sykdommen, for eksempel interleukin 4, 5, 13, etc. Vedkommende gen blir deretter screenet for polymorfisme, som deretter testes for kobling til den aktuelle sykdommen eller fenotypen. Aktuelle gener med ukjent funksjon eller med ukjent sykdomsrolle, dvs. astma og allergi-patogenese, kan også velges ut til genetisk analyse på grunnlag av hvordan de uttrykker seg i sykt kontra normalt vev. En annerledes angrepsmåte som har vist seg vellykket ved komplekse sykdommer som diabetes type-ii og multippel sklerose, er å identifisere gener hos sjeldne, alvorlig påvirkede undergrupper av pasienter der sykdommen synes å følge et nedarvet mønster som indikerer virkningen av ett enkelt hovedgen. Et eksempel er identifiseringen av genet SPINK5, som koder for serininhibitor LETKI på kromosom 5q32 som årsak til Netherton syndrom, en alvorlig autosomal recessiv lidelse som er kjennetegnet ved kongenital iktyose med defekt horndannelse og alvorlige atopiske manifestasjoner, inklusive atopisk dermatitt, høysnue, høyt totalserum IgE og hypereosinofili. Fra dette er det påvist at en vanlig kodingspolymorfisme av SPINK5, E420K, har forbindelse med atopi og atopisk dermatitt i to uavhengig familiegrupper. Dessverre lyktes ikke replikasjonsforsøk. Assosiasjonsstudier og koblingsanalyser har sine begrensninger når det gjelder å identifisere gener for komplekse sykdommer. I populasjonsstudier kan det oppstå artefakter på grunn av populasjonens struktur. Manglende studiestyrke er én av fallgrubene i koblingsstudier når man benytter et beskjedent antall søskenpar. I slike tilfeller kan ikke kobling påvises, spesielt hvis det er en genetisk heterogenitet. For enkeltgensykdommer kan denne metoden brukes med hell for å identifisere sykdommens underliggende gener. Analyse av assosiasjoner og koblingsdisekvilibrium (koblingsdisekvilibrium er tendensen til at alleler lokalisert nær hverandre på samme kromosom, arves sammen) ved bruk av SNP er nyttigere i den avsluttende fase av genidentifikasjon. I det siste har et stort antall SNPmarkører i databaser og utviklingen av gentypingsteknikker med stor kapasitet begynt å gjøre det mulig for forskerne å gå løs på assosiasjonsundersøkelser av hele genomer, dvs. en genomdekkende hypoteseuavhengig angrepsmåte. Et eksempel på denne metoden er fremstilt i figur 11, der de genetiske varianter som regulerer ORMDL3-ekspresjonen på kro- allergi i prakxsis 3/2007 9

3 Genomscreening figur 1 figur 2 figur 3 figur 4 figur 5 figur 6 figur 1 6. Genomscreening. 1: Stamtre bestående av ulike fenotyper. Far (blå) har astma, mens mor (gul) ikke har astma. 2. Kromosomene kartlegges 3: Gul, blå, grønn og rød viser de ulike allelene. 4: Hos ett av barna arves allelene, 5: men rekkefølgen er forskjellig. 6: Viser den arvelige delen av allelet som er knyttet til astma og allergi. 10 allergi i prakxsis 3/2007

4 mosom 17q21, et medlem av en genfamilie som koder transmembranproteiner som er forankret i det endoplasmatiske retikulum, ble funnet etter en genomscreening med mer enn SNP-er (4). Ved hjelp av dette forskningverktøyet forventes at mange informative gener for astma og atopi, og også for andre sykdommer bli oppdaget i nær fremtid. I dag har mer enn 600 studier undersøkt polymorfi ved mer enn 250 gener med hensyn på assosiasjon med fenotyper for astma, atopi og allergiske sykdommer. De har gitt oss mer innsikt i astmaens arvelige komponent og hvilken rolle den kombinerte effekten av gen-gen og gen-miljø spiller, likens genetisk variasjon mellom forskjellige individers respons på behandling. Likevel er det lite de har tilføyd våre kunnskaper om astmaens patologi. Interaksjon mellom gener Interaksjon mellom gener ved lungesykdommer er grundig undersøkt ved cystisk fibrose (CF) (5). Like etter oppdagelsen av F 508 -mutasjonen på kromosom 7q i genet for CF transmembrane regulator (CFTR), ble det klart at det finnes en variabilitet av pulmonære fenotyper og overlevelse ved CF, selv blant pasienter som er homozygote for den vanligste mutasjonen F 508 (6). Denne variabiliteten kunne delvis forklares ved modifiserende miljøfaktorer som alvorlige lungeinfeksjoner, ernæringstilstand, tidlig utvikling av leversykdom og andre konkomitante sykdommer. Det blir mer og mer klart at ytterligere genetisk variasjon, dvs. tilstedeværelse av «modifiserende» gener, for eksempel kromosom 19q13.2 dvs. TGFß 1 -polymorfier, også bidrar til å uttrykke den endelige fenotypen. Slik polymorfi er også koblet til atopi, astma og kronisk obstruktiv lungesykdom (KOLS) (7). Et annet eksempel er koblingen til kromosom 11q i fire andre kromosomområder 5q, 8p, 12p og 14q, men ikke for 20p. Det er sannsynlig at interaksjon mellom gener spiller en lignende rolle ved astma som ved CF, selv om de mekanismene som interaksjonen mellom modifiserende gener og genene for mulig astma og atopi virker gjennom, fremdeles ikke er funnet. Dette betoner også hvor viktig det er å studere interaksjonen mellom gener ved komplekse sykdommer, siden dette kan kaste lys over faktorer som kan spille en rolle for sykdommens utvikling, alvorlighetsgrad og progresjon. DNA-børster fra buccale celler Blod fra hælen Blodprøver figur 7. DNA-prøvetaking. DNA kan trekkes ut ved hjelp av hele blodprøver eller ved hjelp av celler fra buccal vattpinne og børster som inneholder DNA. figur 8. Kromosomet har heliksstruktur med ryggrad av sukker-fosfatkjeder og nukleotider. allergi i prakxsis 3/

5 Enkeltnukleotidpolymorfisme (SNP) figur 9. Enkeltnukleotidpolymorfisme (SNP). Figuren viser en mutasjon der thymin (T) er erstattet av guanin (G) figur 10. Genomdekkende screening av totalserum IgE Xu et al, Am J Hum Gen 2000 Interaksjon mellom gener og miljø I astmaens patogenese og atopi er miljøet blitt fremhevet som en av de faktorer som spiller en rolle. Sterke indikasjoner var eksaserbasjoner av allergisk rhinitt, spesielt i pollensesongen, og god effekt av å søke til fjells for å unngå husstøvmidd på alvorlighetsgraden av astma, BHR og medisinbruk (8). Disse allergiske reaksjonene forekommer imidlertid hos pasienter med allerede etablert sykdom, og forteller ikke hvorvidt miljøet også bidrar til utvikling av sykdom, alvorlighetsgrad eller progresjon. Epidemiologiske undersøkelser har vist at eksponering for allergener er knyttet til utviklingen av allergiske sykdommer. I undersøkelsene av bønder i områder med høy infeksjonsfrekvens kan miljøet også ha en beskyttende effekt på utviklingen av astma og allergi. Siden genenes rolle ved astma også er påvist, er det trolig at gener utgjør en forbindelse mellom miljøet og utviklingen av atopi og astma. Interaksjoner mellom gener og miljø kan vurderes ved genetiske undersøkelser basert på enkelttilfeller, grupper og familier. Heritabiliteten for astma er blitt rapportert å variere fra 60 til 80 prosent, mens de resterende 20 til 40 prosent tilskrives miljømessige bidrag. Signifikant interaksjon som er påvist ved både koblings- og assosiasjonsundersøkelser, tyder på at mange eksponeringer tidlig i livet påvirker risikoen for astma, atopi og deres tilhørende fenotyper på en genotype-spesifikk måte. Disse eksponeringer tidlig i livet omfatter eksponering for endotoksiner av bakteriell opprinnelse, virus, daghjemsmiljø og tobakksrøyk i miljøet. Flere modeller av interaksjoner mellom gener og miljø ved astma og atopi er foreslått av Vercelli og modifisert av Martinez, Ober og Thompson. For ek- figur 11. Hel-genomscreening. Genetiske varianter som dekker ORMDL3-ekspresjonen på kromonsom 17q21 funnet etter genomscreening med over SNP-er. 1%FDR 5%FDR Xu et al, Am J Hum Gen 2000 Moffatt MF, et al. Nature 2007;448: allergi i prakxsis 3/2007

6 sempel betraktes CD14-genet som en potensielt kritisk faktor ved de interaksjoner mellom gener og miljø som fører til astma og atopi. Flere undersøkelser har vist en kobling til variasjoner i CD14-genet og atopiske fenotyper, som IgE. Betydningen av dette genet er også bekreftet ved undersøkelser av genetisk kobling, som tyder på at én eller flere loci på kromosom 5q kontrollerer nivået av serum-ige. Når det gjelder interaksjon mellom gener og miljø kan flere modeller postuleres. Den enkleste modellen er at det ikke er noen interaksjon mellom gen og miljø, slik at utviklingen av astma og atopi er uavhengig av miljøet. Den andre modellen er at sykdommen bare kommer til uttrykk når en eksponeringsfaktor er tydelig i miljøet. Et berømt eksempel er fenylketonuri. Når det ikke finnes fenylalanin i maten til et barn med denne genetiske defekten, vil ikke barnet utvikle sykdommen, og det blir ikke engang gjenkjent som en pasient med denne defekten. Den tredje modellen er at nivået av eksponering står i forhold til hvor alvorlig sykdommen uttrykkes, dvs. høy miljømessige eksponering fører til alvorlig sykdom, i dette tilfellet astma eller allergi. Eller tvert imot, høy eksponering beskytter mot utviklingen av astma og allergi, faktisk en naturlig desensitiviseringsprosess. Et eksempel på en direkte sammenheng mellom en miljøfaktor og utviklingen av sykdom er eksponering for tobakksrøyk. Mottagelige barn utvikler respiratoriske symptomer som pipende åndedrett og hoste når de eksponeres for tobakksrøyk i hjemmemiljøet. Generelt har ikke disse barna nytte av anti-inflammatorisk terapi. Disse symptomene forsvinner når eksponering slutter. I to familiestudier var områdene for kobling til astmafenotyper forskjellige, avhengig av eksponering for tobakksrøyk i miljøet (ETS) i barndommen. Spesifikke gener som er involvert i denne responsen er oksidative stressgener som glutathione S-transferaser M1 og P1, TNF-gener og GSTM1 og GSTP1. Medfødte immunitetsforløp kan være viktige i responsen på ETS. Genetisk variasjon i medfødt immunitet som modifikator av virkninger av ETS, er blitt undersøkt i en rapport av Choudhry, som rapporterte interaksjon mellom ETS-eksponering og polymorfi ved CD14 i relasjon til astmafenotypene FEV 1 og IgE (9). Lignende resultater er funnet ved undersøkelse av trafikkeksponering. Konklusjoner Det er åpenbart at genetikk spiller en viktig og sentral rolle i patogenesen ved astma og allergi og at mer enn ett gen er involvert i utviklingen og alvorlighetsgraden av disse sykdommene. Det genetiske grunnlag for sykdommene er meget komplekst og det kan antas at mange gen-gen og gen-miljø-faktorer er involvert. Hel-genomscreeninger med paneler med mer enn polymorfismer vil gi en enorm informasjonsmengde, og kunne bli en av metodene for å komme nærmere svaret på hvordan genene regulerer astmatiske og allergiske reaksjoner. Dette kan være spesielt viktig for forskningen på farmakogenetikk og utvikling av en ny generasjon informasjon. Referanser 1. Cooke RA, van der Veer AJ. Human sensitization J Immunol 1916; 1: Leigh D, Marley E. Bronchial astma: a genetic, population and psychiatric study. London: Pergamon, Holberg CJ, Elston RC, Halonen M, et al. Segregation analysis of physician-diagnosed asthma in Hispanic and non-hispanic white families. Am J Respir Crit Care Med 1996; 154: Moffatt MF, Kabesch M, Liang L, et al. Genetic variants regulating ORMDL3 expression contribute to the risk of childhood asthma. Nature 2007; 448: Drum ML, Konstan MW, Schluchter MD, et al. Genetic modifiers of lung disease in cystic fibrosis. N Engl J Med 2005; 353: Kerem E, Corey M, Kerem B, et al. The relation between genotype and phenotype in cystic fibrosis: analysis of the most common mutation ( F508). N Engl J Med 1990; 323: Gerritsen J, Feijen M, Postma DS. Genetics of asthma and COPD. In In: Asthma and COPD: Basic mechanisms and clinical management. Eds. Barnes P, Drazen J, Rennard S, Thomson N. Academic Press. London, UK. 2002; Illi S, von Mutius E, Lau S, Niggeman B, Gruber C, Wahn U. Multicentre allergy study (MAS) group. Perennial allergen sensitization early in life and chronic asthma in children: a birth cohort study. Lancet 2006; 368: Choudry S, Avila PC, Nazario S, et al. CD14 tobacco gene-environment interaction modifies asthma severity and immunoglobulin E levels in Latinos with asthma. Am J Respir Crit Care Med 2005; 172: