Medische Genetica 2
Boek: Nussbaum et al. (2015) Thompson & Thompson Genetics in Medicine, 8th edition.
Chapters: 11 Principles of Molecular disease: lessons from the hemoglobinopathies ; 12 The molecular,
biochemical, and cellular basis of genetic disease ; 13 The treatment of genetic disease ; 15 prenatal diagnostics
en 16 Cancer genetics and genomics.
Leeruitkomsten:
Na afloop van deze module heeft de student inzicht in:
Moleculaire processen die bijdragen aan het ontstaan van genetisch overerfbare aandoeningen
Behandelingsmethoden voor genetische aandoeningen
Kennis van prenatale diagnostische technieken
Kennis van moleculaire processen die bijdragen aan kanker
Kennis over genen die bijdragen aan een predispositie voor kanker
Inhoudsopgave
Even herhalen: gen mutaties..................................................................................................................3
Chapter 11 Principles of Molecular disease: lessons from the hemoglobinopathies...............................4
Hemoglobine, functie en structuur.....................................................................................................4
Hemoglobinopathieën........................................................................................................................5
Sikkelcelanemie (HbS).....................................................................................................................5
Hb C en Hb Hammersmith..............................................................................................................5
Varianten met veranderd zuurstof transport:................................................................................5
Thalassemie....................................................................................................................................5
Chapter 12 The molecular, biochemical, and cellular basis of genetic disease.......................................8
Enzymopathies, ziekten waarbij enzymen betrokken.........................................................................8
Phenylketonuria.............................................................................................................................8
Lysosomal storage disease..............................................................................................................9
Alfa1-Antitrypsin deficiëntie...........................................................................................................9
Defecten in receptor proteïnen........................................................................................................10
Defecten in transport proteïnen: Cystische fibrose..........................................................................11
Defecten in structurele proteïnen: Dutchenne muscular dystrophy................................................12
Defecten in collageenproductie: Osteogenesis imperfecta..............................................................12
Neurodegeneratieve disorders.........................................................................................................13
Alzheimer disease.........................................................................................................................13
Ziekten door mutaties in Mitochondrieel DNA.............................................................................13
Instabiele repeat sequenties........................................................................................................14
Chapter 13 The treatment of genetic disease.......................................................................................14
Metabole interventies......................................................................................................................15
Gentherapie..................................................................................................................................15
,Chapter 17 Prenatal diagnosis and screening.......................................................................................16
Methoden van prenatale diagnose...................................................................................................16
Prenatal screening............................................................................................................................18
Problemen in prenatale chromosomale analyse..............................................................................18
Chapter 15 Cancer genetics and genomics...........................................................................................18
Cancer genetics................................................................................................................................19
,Even herhalen: gen mutaties
Er is sprake van een verandering in een gen/ DNA sequentie door substituties, inserties, deleties.
Hierdoor kan het expressielevel van een eiwit veranderen of een totaal ander eiwit worden.
Denovo mutatie: spontane mutatie ‘ontstaat per ongeluk’
Een deletie en insertie hebben vaak het meeste invloed op de aminozuren, het reading frame
verschuift (frameshift mutatie).
Puntmutaties en herrangschikkingen:
DNA replicatie, DNA polymerase maakt 1 fout per 10^7 bp. Door proof-reading wordt 99,9% van
deze fouten hersteld. De uiteindelijke frequentie van mutaties is laag (<1 per celdeling).
DNA repair mechanismen, spontane mutaties (epigentica modificatie, bv. Depurinatie,
demythelatie, deaminatie). Hotspots (CpG eilanden), 30% van alle mutaties en komt 25% vaker
voor. De kans op mutaties is groter want proof-reading gaat moeilijker door de structuren van
deze delen.
Mutaties ontstaan door mutagenen, 10.000-10^6 nucleotiden beschadigd per cel per dag.
Het neutraliseren van vrije radicalen gebeurd door anti-oxidanten. Cellen beschikken over
enzymsystemen om vrije radicalen onschadelijk te maken. Hieronder vallen glutathion, katalase en
oxidase. In groenten en fruit zijn veel antioxidanten aanwezig.
Soorten genmutaties: onder te verdelen in synonymous (geen verandering in eiwit) en
nonsynonymous (veranderd eiwit).
Single nucleotide polymorfism (SNP), onder te verdelen in:
- Missense, ontstaan ander aminozuur
- Nonsense, aminozuur naar stopcodon of visa versa
- Silent, geen verandering in aminozuur
- Transversie, purine naar pyrimidine of visaversa
Vaak zijn de eerste twee letters hetzelfde voor een aminozuur, de wobble position heeft vaak geen
invloed op het aminozuur.
Frameshift mutatie, het open reading frame verschuift door toevoeging van 1 of 2 nucleotiden.
Er ontstaat een compleet nieuw eiwit, vaak nadelig.
Recombinatie (Indels), grote inserties en deleties. Komt vaak voor op plekken met veel
homologie (repeats). Er is sprake van oneven crossing-over. Er ontstaan dubbele of missende
genen (deleties en inserties tussen de 100 en 1000 bp).
Consequenties genmutaties:
Promoter/ enhancer veranderd niveau van genexpressie
5’UTR/ 3’UTR (untranslated regions) veranderd niveau van genexpressie
Exon veranderd eiwit
Intron-exon boundries (splice-sites) veranderd eiwit (altijd pathogeen!)
Het effect van mutaties op eiwitfunctie: er zijn 4 typen gevolgen van mutaties op eiwit functies.
Loss of function, eiwit niet meer werkend
Gain of function, sterk versnelde werking van het eiwit
, Novel property mutations, ontstaan nieuwe functie van het eiwit (bijv. sikkelcelanemie,
Huntington disease)
Misexpressie, incorrecte expressie. Komt veel voor bij kanker, vaak mutaties in promotorregio’s.
- Ectopische expressie, verkeerde plaats
- Heterochronische expressie, verkeerde moment
Chapter 11 Principles of Molecular disease: lessons
from the hemoglobinopathies
Hemoglobine, functie en structuur
Hemoglobine is verantwoordelijk voor het vervoeren van zuurstof
binnen de rode bloedcellen. Elk hemoglobine molecuul bestaat uit
vier subunits: 2 α-globine ketens en 2 β-globine ketens. Elke subunit
bestaat uit een polypeptide keten, globine en een heem groep, deze
bevat ijzer wat bindt met zuurstof.
De predominante ‘adult hemogobin’ HbA, heeft een α2β2 structuur,
waarbij de vier ketens samengevouwen worden tot een globulair
tetrameer.
De tertiaire structuur is erg constant, alle globinen hebben 7 of 8 helicale regio’s (A t/m H in figuur).
Mutaties die zorgen voor veranderingen van deze structuur, resulteren altijd in pathogene
consequenties. Waarnaast mutaties voorgekomen binnen extreem geconserveerde regio’s (zoals
βHis92 en βPhe42, heem gelinkte residuen) of in een van de apolair residuen (verantwoordelijk voor
de hydrofobische schaal om het eiwit heen), resulteren vaak in hemoglobinopathie.
Typen hemoglobine: Globin switching, α-globin genen zijn identiek, de volgorde van de genen is
gelijk aan de genexpressie sequentie.
Hb Gower 1
Hb Gower 2
Hb F (α2γ2) foetaal Hb.
Hb F heeft een hogere affiniteit voor zuurstof waarmee het zuurstof van de moeder ‘kaapt’. 3
maanden na de geboorte zal het foetale Hb vervangen zijn voor het normale Hb.
HbA2, zeer weinig
HbA
De locus controle regio, expressie van het β-globin gen wordt gecontroleerd van de locus controle
regio (LCR). Hier liggen 5 regio’s met open chromatine, ook wel DNase I hypersensitieve sites. De
deletie van deze regio resulteert in geen expressie van een van de twee β-globine eiwitten.
Globine gen dosering, volwassenen hebben te verwaarlozen hoeveelheden HbA2, α1 en α2 zijn
namelijk gelijk. Normaal heeft een gezond persoon 4 allelen voor α, want 2 van elk. Waarnaast er
maar twee β allelen zijn.
,Hemoglobinopathieën
Er zijn 3 verschillende typen in te delen binnen de hemoglobinopathiën:
Structurele varianten, het eiwit veranderd. Maar er zijn geen veranderingen in synthese.
Thalassemieën, er is afname in synthese of stabiliteit. Wat resulteert in een onbalans van α en β
Hereditary persistance of fetal hemoglobin, ‘goedaardig’ syndroom dat de transitie van γ-
globine naar β-globine tegenwerkt.
Sikkelcelanemie (HbS)
Ontstaat vanuit de SNP GAG > GTG op codon 6 van β-globine, resulterend in Glu6Val. Bij homozygoot
van deze mutatie resulteert dit in sikkelcelanemie. Bij heterozygoot is er sprake van ‘sikkle cel traits’,
klinisch gezien zijn deze bloedcellen normaal, maar bij lage zuurstof spanning kunnen de cellen gaan
‘sickelen’.
Moleculaire pathologie: Hemoglobine welke de
mutante β-globine subunits bevatten zijn normaal in
hun functie om zuurstof te binden, maar in
zuurstofarm bloed is enkel een 5e zo oplosbaar als
normaal Hb. Bij een lage zuurstofconcentratie
ontstaat er eiwit aggregatie, waarbij de vorm van de
bloedcel wordt verstoord. De afwijkende
bloedcellen kunnen er voor zorgen dat capillairen
verstoppen, daarmee de bloedtoevoer geblokkeerd.
Hb C en Hb Hammersmith
Hb C: ontstaat ook door een mutatie van aminozuur positie 6 op het eiwit (Glu6Lys). Lijkt op sikklecel
alleen minder ernstig. Bij heterozygoot zijn er geen klachten en bij homozygoot enkel milde anemie
klachten.
Hb Hammersmith: er is sprake van een mutatie in de β-keten (Phe42Ser) op een van de twee
geconserveerde aminozuren welke verantwoordelijk is voor de binding van het heem, waardoor
direct contact wordt gestabiliseerd. Het gevolg van de mutatie is een instabiel hemoglobine met als
gevolg ernstige hemolitische Heinz body anemie.
Varianten met veranderd zuurstof transport:
Mutaties resulterend in de mogelijkheid van hemoglobine om zuurstof te kunnen verplaatsen.
Mutaties met effect op het zuurstoftransport hebben vaak klein of geen effect op de hemoglobine
stabiliteit.
Methemoglobine, in principe geen mutant. Wanneer ijzer en de heem groep oxideert van Fe2+ naar
Fe3+ wordt dit methemoglobine genoemd. Er is geen zuurstofbinding meer mogelijk. Het
methemoglobine reductase reduceert het Fe3+ weer naar Fe2+, maar als dit enzym niet kan binden
gebeurd dit niet! Zoals bij een mutant globine-eiwit.
Hb Kempsey, een ziektebeeld waarbij zuurstof wel bindt maar niet meer loslaat, resulterend in
polycythemia.
Thalassemie
Thalassemie is de meest voorkomende humane monogenetische aandoening (1,7% van de
wereldpopulatie). De oorzaak is een onbalans tussen de α- en β- ketens. De overmaat globuline zal
precipiteren in de rode bloedcel en zorgt voor membraan schade, de RBC gaat kapot in de milt.
,A-Thalassemie
Bij α -thalassemie, er is sprake van een gereduceerde synthese van α-globuline. Zorgend voor
verstoorde synthese van het foetale en volwassen hemoglobines. Wegens de afwezigheid van α-
globine ketens, ontstaan er homotetramerische β-globine clusters. De overmaat aan β-ketens zijn
onoplosbaar en preciperen in RBC voorlopers (resulterend in ineffectieve erythropoiëse) en in
volwassen RBC, waar het zorgt voor lysis. Dit zorgt voor anemie, waarbij de bloedcellen
hypochronisch zijn en microcytisch.
Hb Bart’s , hemoglobine met een γ4 compositie.
- Baby’s met ernstige α-thalassemie en hoge levels van Hb Bart’s (γ4) krijgen te maken met
ernstige hypoxie en worden geboren met enorme gegeneraliseerde vochtophoping
(Hydrops fetalis) dit is vaak fataal.
Hb H, β4 tetrameer.
- Er zijn 3 mutante α-genen, door middel van bloedtransfusies is overleving mogelijk.
Beide hemoglobines kunnen zuurstof niet loslaten in weefsels bij normale omstandigheden, ze zijn
dus volledig ineffectieve zuurstof dragers. Bij de mildere vormen van α-thalassemie ontstaat er
anemie.
De meest voorkomende vormen van α-thalassemie zijn een resultaat van een gen-deletie. De hoge
frequentie van deleties in het mutant α-keten en niet de β-
keten, is wegens het feit dat er twee identieke α-globin genen
op elk chromosoom 16 liggen, de intron sequentie binnen de
twee α-globine genen zijn ook bijna gelijk. Door deze tandem
sequentie is er een mogelijkheid dat er mis-alignment plaats
vindt (bij meiose!). Daarmee een kans op het verliezen van een
van de genen of in zeldzame gevallen een 3 e α-globine gen er
bij komt.
De deletie van een, twee, drie of alle vier kopieën van de α-globine ketens zorgt voor
hematologische afwijkingen. Deze zijn te classificeren in:
Klinische classificatie Nr. functionele α-globine α-keten
α genen genotype productie
Normaal 4 αα/αα 100%
Silent carrier 3 αα/α- 75%
α-Thalassemia trait (milde anemie, microcytose) 2 α-/α- of αα/-- 50%
Hb H (β4) disease (moderately severe hemolytic 1 α-/-- 25%
anemia)
Hydrops fetalis of homozygoot α-thalassemie (Hb 0 --/-- 0%
Bart’s γ4)
Β-thalassemie
Bij β-thalassemie is er sprake van een gereduceerde synthese van β-globuline. Veel kenmerken van
α-thalassemie zijn ook te vinden bij β-thalassemie. De overmaat aan alfa-ketens zijn onoplosbaar en
preciperen in RBC voorlopers (resulterend in ineffectieve erythropoiëse) en in volwassen RBC, waar
het zorgt voor lysis. Dit zorgt voor anemie, waarbij de bloedcellen hypochronisch zijn en
microcytisch. Een verschil is dat het β-globine alleen een grote rol speelt in de post-natale periode.
β-globine vervangt normaal het gamma-globine. Het aantal Hb F is daarom verhoogd bij β-
thalassemie. De klachten beginnen een paar maand na de geboorte, wanneer de Hb F levels dalen.
, Single base pair substitutie, in plaats van een deletie zoals bij alfa-thalassemie.
De meeste mensen met 2 β-thalassemie allelen hebben thalassemia major.
- Ernstige anemie, daardoor behandeling met bloedtransfusies levenslang nodig.
Thalassemia minor (single allel carrier), klinisch oke maar wel afwijkende RBC’s
- Lichte bloedarmoede, maar vaak gezien als ijzer deficiëntie.
Complex β-thalassemie, resultaat van English mutation. Zorgt voor hereditary persistance of
fetal hemoglobine
- Switch van gamma naar β wordt nooit gemaakt, met als gevolg het hele leven Hb F.
Syndroom Genotype Klinisch
Β-thal major Β0/ β0, β+/ β+ of β0/ β+ Transfusie afhankelijke anemie
Manifestatie 6-9 maanden na geboorte
Verhoging Hb F
Β-thal intermedia Mildere varianten van Matige ernst
β+/ β+ of β0/ β+
Β-thal minor of β-thal Β0/ β of β+/ β Milde asymptomatische microcytic anemie
trait Verhoging in Hb A2 +/- Hb F
β0 : absent β-globine synthese
β+: gereduceerd maar detecteerbare β-globine synthese
Simple β-thalassemia, ontstaat door
verschillende soorten puntmutaties.
Dit resulterend in een verlaagde
aanwezigheid van het β-globine mRNA
en promoter mutanten, RNA splicing
mutaties (meest voorkomend), mRNA
capping or tailing mutanten en
frameshift of nonsense mutaties.
β-thalassemie: splicing mutaties:
A) Groep 1, splice junction mutations
(donor/acceptor sites)
B) Groep 2, intron mutatations (new donor/
acceptor site in intron)
C) Groep 3, coding sequence changes that
effect splicing
, D) Groep 4, cryptic (normally not used) splice
donor site in exon.
Hb E, is de meest voorkomende structurele
hemoglobine afwijking wereldwijd.
Nonsense mediated mRNA decay; mechanisme zorgend voor het tegengaan van de expressie van
korte en onzin eiwitten.
Chapter 12 The molecular, biochemical, and cellular
basis of genetic disease.
Eiwitten hebben een enorme hoeveelheid aan
verschillende functies. Wanneer er mutaties
voorkomen binnen eiwitten kan dit resulteren in
genetische aandoeningen. Hier worden
belangrijke genetische defecten beschreven welke
invloed hebben op de verschillende eiwitten
weergegeven in de figuur. Maar ook eiwitten
geassocieerd met deze.
Allelische heterogeniteit; ziekte kan ontstaan
door meerdere mutaties in hetzelfde gen.
Locus heterogeniteit; mutaties in verschillende
genen geven hetzelfde ziektebeeld.
Fenotypische heterogeniteit; mutatie in een gen
geeft meerdere symptomen.
Nomenclatuur erfelijke aandoeningen:
Gooi er -opatisch achter en meestal zit je goed.
- Amino acid synthese: aminoacidopathies
- Hemoglobine: hemoglobinopathies
- Chaperone eiwitten: chaperonopathies
Enzymopathies, ziekten waarbij enzymen betrokken
Een enkel gendefect kan leiden tot meerdere enzym deficiënties. Dit wanneer:
De enzymen een cofactor delen
De enzymen worden gemodificeerd via dezelfde processing pathway
De enzymen op een gelijke manier worden getransporteerd
Het organel waarin de enzymen hun werk doen defect is.
Phenylketonuria
Er is sprake van een mutatie binnen het PAH gen, welke codeert voor het lever-enzym phenylalanine
hydroxylase. Dit zet phenylalanine om in tyrosine. Patiënten met PKU kunnen phenylalanine niet
degraderen.
, Phenylalanine hoopt op in lichaamsvocht en beschadigd de ontwikkeling van het centrale
zenuwstelsel in de kindertijd.
Een kleine hoeveelheid van het phenylalanine wordt gemetaboliseerd om een verhoogde
phenylpyruvic acid te verkrijgen (keto acid, verantwoordelijk voor de naam)
Pathologische mechanismen zorgend voor brein-schade zijn niet goed bekend.
Behandelbaar door een laag phenylalanine dieet. Maar wanneer er ook een mutatie in het PCD
zit wordt het ‘recycling’ niet opgelost.
Allel heterogeniteit: ziekte kan komen door meerdere mutaties in hetzelfde gen.
- BH4 (tetrahydrobiopterin) is een cofactor voor phenylalanine hydrolase, gemaakt van
GTP. Daarnaast werkt BH4 als cofactor voor tyrosine hydroxilase en tryptophan
hydroxylase -> enzymen verantwoordelijk voor de aanmaak van o.a. dopamine en
epinephrine.
Lysosomal storage disease
Lysozomen zijn membraangebonden organellen van hydrolytische enzymen welke verantwoordelijk
voor de degradatie van een aantal macromoleculen. Wanneer er een mutatie in deze hydrolases
plaats vind resulteert dit in de accumulatie van hun substraten in het lysozoom. Het substraat blijft
gevangen gezien de grootte, geen uittreding buiten organel mogelijk. Resulterend in:
Celdood, wegens toxische eigenschappen welke interferen met de celfunctie.
Opgeslagen substraat zorgt voor een gelijk klinisch beeld in de ziektes: er ontstaat een
vermeerdering in aangedane weefsels en organen.
Meer dan 50 lysosomaal hydrolases of lysosomaal membraan transport deficiënties is van
bekend dat deze autosomaal recessief worden overgeërfd.
Behandeling mogelijk door beenmergtransplantatie en enzyme replacement therapy.
Tay-Sachs disease
Er zijn verschillende vormen van de ziekte. De klassieke en meest ernstige vorm begint 3 tot 6
maanden na de geboorte. De spierkracht neemt af en het kind ontwikkeld niet verder, later ontstaat
vaak epilepsie, blindheid en uiteindelijk geen contact meer met de omgeving. Vaak overlijden de
kinderen tussen de 2 en 4 jaar.
Tay-Sachs is een heterogenetisch lysosomal storage disease, ontstaat vanuit het niet kunnen
degraderen van sphingolipid, GM2 ganglioside een signaal lipide. De cel functioneert hierdoor niet
goed meer en sterft af
GM2 ganglioside wordt voornamelijk in de
hersenen gemaakt. In neuronen wordt dit
afgebroken door hexosaminidase A.
Hexosaminidase is het product van een 3-gen
systeem. Deze genen coderen voor de alfa- en
beta-subunits van het enzym (HEXA en HEXB)
en een activator eiwit.
- Defect in HEXA -> Tay-Sachs
- Defect in HEXB -> Sandhoff disease
Mutatie komt veel voor binnen de Ashkenazi
Jews populatie.
Alfa1-Antitrypsin deficiëntie
Een autosomaal recessief overdraagbare ziekte welke geassocieerd met chronic obstructive lung
disease (emphysema) en lever cirrose. Chronische ontstekingsreacties (door roken) veroorzaken
, verandering in expressie van extracellulaire matrix eiwitten als elastase. Elastase maakt elastische
vezels in longweefsel kapot en kan ook in mindere mate levercirrose veroorzaken. -> het alfa1-
antitrypsine inhibiteert elastase.
Nicotine verlaagd de A1At-activiteit en verhoogt de afgifte van elastase in de longen dmv.
leukocyten.
A1AT deficiëntie is een ecogenetische ziekte (beïnvloed door bepaalde omgevingsfactoren)
Mutant allel wordt Z-allel genoemd, er is hier sprake van Glu342Lys mutatie
Defecten in receptor proteïnen
Cholesterol wordt gemaakt door de lever, waarnaast opname uit voedsel. Cholesterol wordt omgezet
in galzouten door de lever, resulterend in gal wat wordt uitgescheiden in de dunne darm. Het
vervoeren van cholesterol gaat door middel van lipoproteïnen, deze zijn onder te verdelen in de twee
hoofdtypen:
VLDL gaat van lever of darm naar organen, bloedvaten en lever toe. Het cholesterol wordt
langzaam verwijderd uit het VLDL -> de lever neemt LDL op
HDL gaat naar de lever toe, daar wordt het omgezet tot galzouten en uitgescheiden.
Familial hypercholesterolemia
Behoord tot de metabolische disorders ‘hyperlipoproteinemias’. Deze ziektes zijn te herkennen aan
de verhoogde levels aan plasma-lipiden gebonden aan apo-lipoproteïne B (apo-B)- bevattende
lipoproteïnen. Verhoogde plasmaconcentraties van LDL zorgt voor atherosclerose (de accumulatie
van cholesterol door macrofagen binnen de sub-endothelische ruimte bij grote arteriën), resulterend
in een verhoogde kans op een hartaanval. Dit geldt voor heterozygoot en homozygote allelen
wanneer onbehandeld!
Mutant gen Patroon in Effecten van de ziekte- Typische LDL cholesterol level
product overerving veroorzakende mutaties (Ref. volwassen: ~120 mg/dL)
LDL receptor Autosomaal Loss of function Heterozygoot: 150 mg/dL
dominant Homozygoot: 700 mg/dL
Apoprotein B-100 Autosomaal Loss of function Heterozygoot: 270 mg/dL
dominant Homozygoot: 320 mg/dL
ARH adapter Autosomaal Loss of function Homozygoot: 470 mg/dL
protein recessief
PCSK9 protease Autosomaal Gain of function Heterozygoot: 225 mg/dL
dominant
Mutaties binnen het LDL receptor gen (LDLR) is
de meest voorkomende oorzaak van familial
hypercholesterolemia.
Het LDLR is een oppervlakte gebonden eiwit
welke bindt met LDL en dit vervolgens de cel in
brengt. Alle genen geassocieerd met familiaire
hypercholesterolemie hebben een effect op de
LDL receptor!
De 4 proteïnen geassocieerd met familial hypercholesterolemia
