Ugrás a tartalomhoz

A belgyógyászat alapjai 1.

Zsolt, Tulassay (2010)

Medicina Könyvkiadó Zrt.

2. fejezet - A genetikai tényezők szerepe a betegségek kialakulásában

2. fejezet - A genetikai tényezők szerepe a betegségek kialakulásában

Dr. Fekete György

A humángenetika alapjai

Dr. Fekete György

A XXI. század első éveiben a korszakunkat jellemző legfontosabb tudományos eredmény született meg: az emberi genom csaknem teljes térképezése sikerült. Az emberiség egyetemes kincseként ismertette 2001-ben a Nature és a Science tudományos folyóirat a humán genom bázissorrendjét, az emberi gének lokalizációját, külön kiemelve a betegségekkel kapcsolatos génterületeket. A Human Genom Project sikere az ötven éve felfedezett DNS kettős spirál szerkezet megismerésével kezdődött, majd a molekuláris biológiai módszerek kidolgozásával, a restrictiós endonukleáz enzimek alkalmazásával, a polimeráz láncreakció (polymerase chain reaction = PCR) felfedezésével és a DNS szekvenciáját gyors, automatikus módszereinek bevezetésével valósult meg. A 2.1. ábra egy génszakasz DNS szekvenciáit mutatja be. Az emberi genom genetikai és fizikai térképezése teljesen új távlatokat nyitott az orvostudományban, az emberi szervezet élettani működését irányító gének leírása a kóros állapotokhoz vezető génhibák azonosításával bővült. Egyre pontosabban körvonalazódnak a központi idegrendszer, az érzékszervek, a szív és a keringés, a hormonháztartás, az ioncsatornák, a sejtmembránok anyagforgalma és valamennyi emberi szerv működésének, fejlődésének irányításában és szabályozásában szereplő gének, géncsoportok. Példaként elég említeni a szaglórendszer működését, amelyet teljesen új megvilágításba helyezett az ezzel kapcsolatos gének megismerése. A szaglóhámban minden egyes érzékelő sejtben egyetlen receptormolekula génje expresszálódik, a mintegy ezer receptorfajtából minden sejt csak egyet kap. A szaglás receptorait tehát kb. ezer gén kódolja. Az azonos receptort tartalmazó sejtek az agyban a szaglóközpont azonos pontjával állnak kapcsolatban, az információ tehát egy pontba fut be. A körülbelül tízezer szag megkülönböztetését az ingerületbe jutott receptorsejtek kombinációi biztosítják.

2.1. ábra. DNS szekvenálási görbe (Dr. Németh Krisztina anyagából, SE II. Sz. Gyermekgyógyászati Klinika)

Jelentősen gazdagodtak a kórképek etiológiájára, patogenezisére vonatkozó ismereteink is, amelyek sok esetben új, genetikai szemléletű nozológiai betegségosztályozást tesznek lehetővé. Az egyes gének kromoszomális lokalizációjának leírása, a géntérképezés az öröklődés tudományában a klasszikus anatómia meghatározó fontosságú eredményeihez hasonlítható, míg az ezt követő kutatási időszak elsősorban a gének működésének, bonyolult kölcsönhatásainak, a génexpresszió szabályozásának megismerését tekinti fő céljának. Az új tudomány, a funkcionálisgenomika a legfejlettebb bioinformatikai módszereket is igénybe veszi, több ezer ismert gén expressziós képe, mintázata vizsgálható parányi, 1-2 négyzetcentiméter felületű mintahordozó (microarray) lemezeken, ún. chipeken a különböző szövetekben és az emberi fejlődés különböző (fetális, embrionális, újszülött, csecsemő, gyermek, serdülő, felnőtt, időskori) stádiumaiban. A gének kódvezérlésével keletkező fehérjéket már nem egymástól elválasztva, külön-külön vizsgálja a genomikával együtt fejlődő új tudományterület, a proteomika, hanem elsősorban arra kíváncsi, hogy miként befolyásolják, fokozzák és gátolják egymás működését egy-egy sejt, szövet fehérjéi. Mindezek az örökléstani kutatások akkor hoznak majd a gyakorlatban is jól hasznosítható eredményeket a betegségek diagnosztikai módszereiben, a megelőzésben és a kezelés területén, ha párhuzamosan egyre nagyobb mértékben veszik tekintetbe a kórképek tüneteit, ezek összességét, amelyek pontos azonosítása a klinikai fenomika tudományának feladata.

Huszonöt–harminc évvel ezelőtt a humángenetikát általában a ritka betegségekkel, „furcsa” tünetekkel járó kórképekkel foglalkozó szakterületnek tekintették. Az utóbbi évtizedben világossá vált, hogy valamennyi orvosi szakterülethez tartozó megbetegedésnek vannak genetikai vonatkozásai. Érthető, hogy a gyermekgyógyászat és a szülészet-nőgyógyászat foglalkozik legkiterjedtebben az öröklődés kérdéseivel. A veleszületett anyagcsere-betegségek és a kromoszóma-rendellenességek ugyan valóban ritka kórképeknek számítanak, azonban a korai újszülött- és csecsemőkor morbiditásának és mortalitásának súlyos tehertételei. Felismerésük, diagnosztikai módszereik és kezelésük a csecsemő- és gyermekgyógyászat szakterületének feladatát jelentik, míg korai, magzati azonosításuk, a genetikai megbetegedések praenatalis diagnosztikája a szülészet-nőgyógyászat korszerű módszereivel lehetséges. Ma már közismert, hogy a felnőttkori gyakori megbetegedések, mint a cardiovascularis kórképek, a diabetes mellitus, az egyéb autoimmun megbetegedések, az asthma bronchiale, az allergiás kórképek, számos gasztroenterológiai, neurológiai és pszichiátriai kórkép, valamint a rosszindulatú daganatok nagy részének hátterében poligénes meghatározottság és környezeti tényezők együttesen mutathatók ki. Az osteoporosis kialakulásában is számos gén, valamint génhiba vesz részt, környezeti, életmódbeli hatásokkal társulva. A közelmúltban azonosították az Alox15 gént, amely a csontok ásványianyag-mennyiségét szabályozza. Ez a gén a peroxiszóma proliferációját aktiváló gamma-receptor (PPAR-gamma) számára a zsírsavakat ligandokká alakító lipoxigenáz enzimet kódolja, amelynek fokozott aktivitása szükséges a PPAR-gamma rendszer serkentéséhez. E működés hatására az őssejtek differenciálódása a csontszövetet leépítő folyamatok irányába mozdul el, ami a csontsűrűséget csökkenti, az osteoporosis kockázatát növeli. Az osteoporosis kialakulásában szereplő, jelenleg ismert egyéb gének: kalcitoninreceptor (CALCR), D-vitamin-receptor, I. típusú alfa-1 kollagén (COL1A1), a kis sűrűségű (low density) lipoproteinreceptorral kapcsolatos 5. fehérje (LRP5), és az interleukin-6 (IL6) gének. E néhány példa alapján is érthető tehát, hogy a belgyógyászati megbetegedések kezelése és ellátása során is egyre fontosabb a genetikai szemlélet elsajátítása.

Az öröklődő rendellenességek és megbetegedések diagnosztikája speciális vizsgáló módszerekkel lehetséges. Így a kromoszómák számbeli és szerkezeti rendellenességeit a citogenetikai, az öröklődő anyagcsere-betegségeket a biokémiaidiagnosztika eljárásaival lehet azonosítani. A DNS-diagnosztika, a génszintű orvosi diagnózis az egyes betegségek kialakulásával kapcsolatos gének és hibáik, mutációik vizsgálata segítségével a korábbi lehetőségeknél pontosabb betegségazonosítást eredményez több száz kórkép esetében. Így pl. a lipidanyagcsere zavarai, a cardiomyopathiák, egyes szívritmuszavarok kialakulására hajlamosító öröklődő ioncsatorna működési zavarok alapját jelentő génmutációk ma már vizsgálhatók, egyértelműen megállapíthatók. A hematológia területén jelentős előrelépést jelent a coagulopathiák, a thrombosiskészség, a vörösvértest membrán rendellenességek és a vérképzőrendszeri malignitások molekuláris genetikai alapjainak ismerete, a génhibák kimutatása. Számos, korábban tisztázatlan kóreredetű megbetegedés keletkezése és kifejlődése érthetővé válik a felismert genetikai folyamatok révén. Így pl. nagy valószínűséggel a kóros elhízás több öröklődő altípusa közös kórélettani mechanizmusra vezethető vissza, amelynek alapja az étvágy szabályozásának összefüggése az MC4R receptorral és a proopiomelanokortin polipeptid termékeivel.

A különböző kromoszómákon elhelyezkedő gének különböző mutációi következtében kialakuló, sokszor igen hasonló tünetekkel járó, eddig egységesnek tekintett kórképek új osztályozása is a molekuláris genetikai ismeretek bővülésének köszönhető. A neurofibromatosisnak ma a klasszikus von Recklinghausen-betegségen kívül még összesen hat egyéb formáját különböztetjük meg, amelyek mindegyike más-más genotípussal jár együtt. Ugyanígy elkülöníthetők genetikai elemzéssel az Alzheimer-kór különböző típusai is.

A betegségekkel kapcsolatos gének felfedezése és működésük megismerése nemcsak a diagnosztika érdekét szolgálja, hanem a betegség keletkezésének kulcsmechanizmusát is megvilágíthatja. Cysticus fibrosisban a „cystic fibrosis transmembrane regulator = CFTR” gén ATP-függő kloridion-csatorna működést szabályozó szerepe magyarázatot jelent a légúti, malabsorptiót okozó és az egyéb szervi tünetek (recidiváló sinusitis maxillaris, meddőség, infertilitás stb.) kialakulására vonatkozóan. A Duchenne típusú dystrophia musculorum progressiva okaként felismert, X-kromoszómán lokalizált disztrofin gén súlyos hibája a kódolt fehérje működésének teljes kiesését eredményezi, míg ugyanennek a génnek más típusú mutációi a disztrofin fehérje strukturális felépítésében enyhébb funkciózavarhoz, így a serdülő-adoleszcens, illetve fiatal felnőttkorban megjelenő és kevésbé súlyos, lassan progrediáló Becker típusú izomsorvadáshoz vezetnek.

A molekuláris genetikai módszerek az infektológiai diagnosztikának is nélkülözhetelen eszközei lettek, elsősorban a vírusdiagnosztika, a mycobacteriumok és egyes paraziták azonosításában jelentenek előrelépést.

A celluláris molekuláris mechanizmusok megismerése egyes öröklődő anyagcsere-betegségekben, mint pl. a lysosomalis tárolási betegségekben sikeres enzimpótló kezelési eljárások kidolgozását tették lehetővé. Jelenleg már a Gaucher-kór, a Fabry-betegség, az I. típusú mucopolysaccharidosis és a Pompe-kór kezelésében az enzimpótlás gyakorlati terápiás lehetőséggé vált. A génterápia kidolgozása minden erre alkalmas monolocusos megbetegedés esetében sajátos elméleti és a gének bejuttatásával kapcsolatos gyakorlati problémák megoldását igényli, napjainkban ez a genetikai kutatások egyik ígéretes területe. Míg pl. az öröklődő súlyos kombinált immunhiányos állapot, az adenozil dezamináz elégtelenség kezelésében a génterápia sikere egyértelmű, addig más kórképekben (pl. cysticus fibrosisban) eddig csak átmeneti és a légúti tüneteket enyhítő eredményekhez vezetett.

A gyorsan fejlődő genetikai kutatások eredményeit, az orvosokat érdeklő új ismereteket nem könnyű követni, elsősorban a közlemények nehezen érthető, bonyolult molekuláris biológiai kifejezései, a rövidítések nagy száma, a biokémiai és molekuláris genetikai alapismeretek hiányosságai miatt.

Hasznos segítséget jelentenek a genetikai betegségekkel kapcsolatos adatok, a diagnosztikai és terápiás lehetőségek követésében a számítógépes adatbázisok. Ezek sorában kiemelkedik a több ezer monolocusos jelleg és megbetegedés rendszeresen frissített adatait bemutató angol nyelvű Online Mendelian Inheritance in Man (OMIM) számítógépes honlapkatalógus, amely az egyes kórképek gyors tájékozódást szolgáló tünetlistáit és a kapcsolódó irodalomjegyzéket is tartalmazza (http://www. ncbi.nlm.nih.gov/omim/).

E fejezetben a betegségek genetikai eredetével kapcsolatos legfontosabb fogalmakat és adatokat, a klinikai genetika diagnosztikai és kezelési módszereinek lényegét ismertetjük. Az öröklődő megbetegedések részletes leírása a tankönyv megfelelő fejezeteiben olvasható.

Az emberi genom

Az emberi genom a legújabb adatok alapján mintegy harmincezer gént tartalmaz, kevesebbet, mint amennyit a korábbi becslések alapján feltételeztek. Ez a génmennyiség a 23 pár kromoszómán helyezkedik el. A gén az a funkcionális egység, amelyet a transzkripció szabályoz, terméke a fehérje, amely hatását a sejten belül, vagy azon kívül fejti ki. A haploid genom kb. 3 billió bázispárból (bp) épül fel, a DNS hosszúságát 1000 kb (kilobázis, kb) vagy 1 000 000 bp (megabázis, Mb) egységben adják meg. A genomban nem a teljes DNS kódol géneket, a kódoló szekvenciák az össz DNS-nek csupán 1,5%-át teszik ki. A maradék, nagyobb mennyiségű DNS tartalmaz olyan ún. repetitív szekvenciákat, amelyeknek a szerepéről ma még alig tudunk valamit. A gének nagysága különböző, egyesek néhány száz bp hosszúságúak, míg mások, mint pl. a disztrofin gén igen nagyok (2 Mb nagyságú). A fehérjét kódoló génterületeken a DNS bázisai hármas egységekbe, tripletekbe rendeződnek. Ezek az egységek a kodonok, amelyek egy-egy aminosav szerkezetét megszabják. Mivel a DNS kettős spirálisban négy különböző bázis van, az adenin (A), a guanin (G), a citozin (C) és a timin (T), e négy bázis összesen 43 = 64 különböző triplet kodon kialakulását eredményezheti. Minden kodon a 20 aminosav egyikét, valamint szabályozó jeleket: a transzláció kezdetét és leállítását irányíthatja. Mivel több kodon áll rendelkezésre, mint ahány aminosav kialakulása vezérelhető, egy-egy aminosav képződését több különböző kodon is irányíthatja. A kodonok igen nagyszámú, egymást követő változatossága és hosszúsága az alapja a különböző fehérjék szerkezetében megnyilvánuló elképzelhetetlenül sokféle variabilitásnak.

A gének szerkezete

Exonoknak nevezzük a génnek azokat a területeit, amelyek az RNS (mRNS) képződése során egymás utáni sorrendben elhelyezkedve, „összeillesztve” (splicing) közvetítik a bennük rejlő információt. Az intronok az exonok között elhelyezkedő szakaszok, amelyek nem vesznek részt az mRNS kialakításában. A génlocusok olyan specifikus területeket tartalmaznak, amelyek a gén kifejeződését, expresszióját szabályozzák. Ilyenek pl. a promóter régiók, illetve a génexpressziót fokozó ún. „enhancer” szekvenciák. Ismeretesek természetesen a génhatást csökkentő represszor szekvenciák is. A gének transzkripcióját elsősorban a gének szabályozó régióihoz kötődő transzkripciós faktorok szabályozzák. Az e területeken bekövetkező hibák, mutációk számos genetikai megbetegedés okai. Epigenetikai tényezők is befolyásolhatják a génexpresszió szabályozását. Ilyenek az X-kromoszóma inaktiválódása, valamint a genetikai imprinting jelensége, amelyek során a DNS metilációja a génhatás kifejeződésének gátlását eredményezi. A transzkripciót irányító és befolyásoló nagyszámú, egymással bonyolult kölcsönhatásban lévő tényező végül együttesen felelős azért, hogy az adott génhez kötött fehérjeszintézis megvalósul vagy elmarad, esetleg hibásan, a működés teljes kiesésével, vagy annak zavarával jön létre.

Minden gén irányítása egyedi, mind térbeli, mind időbeli hatását tekintve, valamint arra vonatkozóan is, hogy miként változik az expressziója különböző extracelluláris jelek, impulzusok hatására. A mai feltételezések szerint a működő gének mintegy 30%-a transzkripciós faktor. Egyre több betegségről igazolódik, hogy ilyen transzkripciós faktorok zavaraival áll összefüggésben. A 2.1. táblázat ezek közül mutat be néhányat.

2.1. táblázat - 2.1. táblázat. Transzkripciós faktorok mutációival összefüggő néhány megbetegedés

Transzkripciós faktor

Gén

Betegség

Sejtmagreceptarak

andragén receptor

Teljes vagy részleges andragén inszenzitivitás

Spinobulbaris izomatrophia

„Cinkujj” (zink finger) fehérjék

WT-1

WAGR-szindróma (Wilms-tumor, aniridia, urogenitalis fejlődési rendellenességek, mentalis retardatio tünetegyüttese)

Homeobox

IPF1

Érett ifjúkorban induló diabetes mellitus (MODY) IV. típusa

Pancreas agenesia

Forkhead

HNF4alfa, HNF1alfa, HNF1béta

Érett ifjúkorban induló diabetes mellitus (MODY) I., III., V. típusai

Koaktivátorok

CREB kötő fehérje

Rubinstein–Taybi-szindróma

Sejtciklust irányító fehérjék

p53

Li–Fraumeni-szindróma, egyéb malignus daganatok


Génhibák, polimorfizmusok, mutációk

A gének hibái, mutációi valamennyi génterületen bekövetkezhetnek. Vannak olyan mutációk, amelyek nem járnak a kodon által meghatározott aminosav szerkezetének változásával, vagy annak kiesésével. Ezeket csendes mutációknak nevezzük (pl. a CGG és CGT kodon ugyanazt az aminosavat kódolja). Ha a kodon szerkezete megváltozik, aminosavcsere következik be. Az olyan pontmutációk, amelyek a kódoló szakasz végén helyeznek el, leállítást vezérlő („stop”) kodont, csökevényes, rövid fehérje képződését eredményezik.

A DNS változó része a nukleotidok bázissorrendje. Ennek egyéni különbségei, polimorfizmusai mind a genetikai allélok térképezésében, mind a betegségekkel összefüggő finom DNS szerkezeti sajátosságok azonosításában fontos szerepet játszanak. A polimorfizmusok lehetnek egyetlen nukleotidra korlátozódóak (single nucleotide polymorphismus = SNP), microsatellita polymorfizmusok, változó számú tandem ismétlődések (variable number of tandem repeats = VNTR) stb. Intenzív kutatások folynak az emberi genom minél teljesebb SNP mintázatainak megismerésére, a várható eredmények nemcsak a betegségprediszpozíció, hanem a farmakogenomika új távlatait nyithatják meg.