Page 1

MAGNUS NORDENSKJÖLD

Genetiska sjukdomar är en översiktlig, praktiskt orienterad lärobok i klinisk genetik som ger en fördjupad förståelse av grundläggande ärftlighetsmekanismer, diagnostik och principer för handläggning av genetiskt betingade sjukdomar. Boken lägger betydande vikt vid kromosomrubbningar och monogena tillstånd för vilka genetikkunskapen är väletablerad, används i diagnostik och ofta påverkar omhändertagandet av patienterna och deras familjer. Ett av bokens huvudbudskap är att kunskap om sjukdomars genetik ger unika möjligheter för framgångsrik förebyggande sjukvård. Genetiska sjukdomar är avsedd för medicinstudenter, AT- och STläkare samt specialistsjuksköterskor. Den fungerar också utmärkt som ”verktygslåda” för yrkesverksamma läkare och sjuksköterskor som i sitt arbete möter patienter med genetiska sjukdomar.

Genetiska sjukdomar

Varje dag drabbas någon av ärftlig cancer i vårt land, och de sällsynta ärftliga sjukdomarna är så många att man i sjukvården, oavsett specialitet, regelbundet kommer i kontakt med drabbade patienter.

MAGNUS NORDENSKJÖLD

Genetiska sjukdomar

Magnus Nordenskjöld är professor i klinisk genetik vid Karolinska Institutet och överläkare vid Karolinska Universitetssjukhuset, Stockholm. Han är en av de ledande profilerna inom ämnet och en av de som utvecklat Gensvar, en informationsdatabas om genetiska sjukdomar.

Best.nr 47-09417-2 Tryck.nr 47-09417-2

4709417ot.indd 1-3

2011-07-11 13.40


isbn 978-91-47-09417-2 © 2011 Författarna och Liber AB förlagsredaktör Christina Brynolfsson omslag Nette Lövgren omslagsbild Science Photo Library/IBL Bildbyrå formgivning, illustrationer och ombrytning AB Typoform Första upplagan 1 repro Resultat Grafisk Form & Produktion, Stockholm tryck Kina, 2011 kopieringsförbud Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen. Kopiering, utöver lärares rätt att kopiera för undervisningsbruk enligt BONUS-avtal är förbjuden. BONUS-avtal tecknas mellan upphovsrättsorganisationer och huvudman för utbildningsanordnare, t.ex. kommuner/universitet. Den som bryter mot lagen om upphovsrätt kan åtalas av allmän åklagare och dömas till böter eller fängelse i upp till två år samt bli skyldig erlägga ersättning till upphovsman/rättsinnehavare. Liber AB, 113 98 Stockholm tel 08–690 92 00 www.liber.se Kundservice tel 08–690 93 30, fax 08–690 93 01 e-post kundservice.liber@liber.se


Genetiska sjukdomar


Författare

Anderlid, Britt-Marie, med. dr, överläkare, Institutionen för molekylärmedicin och kirurgi, Karolinska Institutet och Barnneurologi Astrid Lindgrens Barnsjukhus samt Klinisk genetik, Karolinska Universitetssjukhuset, Stockholm.

von Döbeln, Ulrika, docent, överläkare, Institutionen för laboratoriemedicin, Avdelningen för metabola sjukdomar, Karolinska institutet och Centrum för medfödda metabola sjukdomar, Karolinska Universitetssjukhuset.

Andreasson, Sten, professor, överläkare, Institutionen för kliniska vetenskaper i Lund, Lunds Universitet och Ögonkliniken, Skånes Universitetssjukhus, Lund.

Giacobini, MaiBritt, med. dr, överläkare,

Annerén, Göran, professor, överläkare,

Institutionen för immunologi, genetik och patologi, Uppsala Universitet och Klinisk genetik, Akademiska barnsjukhuset, Uppsala.

Björck, Erik, med. dr, överläkare, Institutionen för molekylärmedicin och kirurgi, Karolinska Institutet och Klinisk genetik, Karolinska Universitetssjukhuset, Stockholm. Blennow, Elisabeth, professor, överläkare,

Institutionen för molekylärmedicin och kirurgi, Karolinska Institutet och Klinisk genetik, Karolinska Universitetssjukhuset, Stockholm.

Bui, The Hung, överläkare, Institutionen för

molekylärmedicin och kirurgi, Karolinska Institutet och Klinisk genetik, Karolinska Universitetssjukhuset, Stockholm.

Dunér, Fredrik, överläkare, Njurmedicinska kliniken, Karolinska Universitetssjukhuset, Stockholm.

Institutionen för molekylärmedicin och kirurgi, Karolinska Institutet och Prima Barn- och Ungdomspsykiatri AB, Stockholm.

Hagenäs, Lars, docent, överläkare, Institutionen för Kvinnor och Barns Hälsa, Karolinska Institutet, Stockholm och Barnendokrinologi, Astrid Lindgrens Barnsjukhus, Stockholm. Hammar, Björn, med. dr, överläkare, Institutionen för kliniska vetenskaper i Lund, Lunds Universitet och Ögonkliniken, Skånes Universitetssjukhus, Lund. Iwarsson, Erik, med. dr, biträdande överlä-

kare, Institutionen för molekylärmedicin och kirurgi, Karolinska Institutet och Klinisk genetik, Karolinska Universitetssjukhuset, Stockholm.

Jern, Christina, professor, överläkare,

Institutionen för neurovetenskap och fysiologi, Sahlgrenska akademin, Göteborgs Universitet och Kliniskt genetiska avdelningen, Sahlgrenska Universitetssjukhuset.

Johnson, Owe, docent, överläkare,

Institutionen för folkhälsa och klinisk medicin, Umeå Universitet och Hjärtcentrum, Norrlands Universitetssjukhus.


Kristoffersson, Ulf, docent, överläkare,

Institutionen för laboratoriemedicin, Lunds Universitet och Genetiska kliniken, Skånes Universitetssjukhus.

Lagerstedt Robinson, Kristina, med. dr, sjukhusgenetiker, Institutionen för molekylärmedicin och kirurgi, Karolinska Institutet och Klinisk genetik, Karolinska Universitetssjukhuset, Stockholm.

Nordenskjöld, Magnus, professor, överläkare,

Institutionen för molekylärmedicin och kirurgi, Karolinska Institutet och Klinisk genetik, Karolinska Universitetssjukhuset, Stockholm.

Nordgren, Ann, docent, överläkare,

Institutionen för molekylärmedicin och kirurgi, Karolinska Institutet och Klinisk genetik, Karolinska universitetssjukhuset, Stockholm.

Lindblom, Annika, professor, överläkare, Institutionen för molekylärmedicin och kirurgi, Karolinska Institutet och Klinisk genetik, Karolinska Universitetssjukhuset, Stockholm.

Stattin, Eva Lena, med. dr, överläkare, Institutionen för medicinsk biovetenskap, Umeå Universitet och Klinisk genetik, Norrlands Universitetssjukhus.

Malmgren, Helena, docent, sjukhusgeneti-

Tulinius, Már, professor, överläkare,

Mitelman, Felix, professor, Institutionen för laboratoriemedicin, Lunds Universitet.

Vahlquist, Anders, professor, överläkare,

ker, Institutionen för molekylärmedicin och kirurgi, Karolinska Institutet och Klinisk genetik, Karolinska Universitetssjukhuset, Stockholm.

Möller, Claes, professor, överläkare, Audiologiska kliniken, Hälsoakademin, Örebro Universitet, Universitetssjukhuset i Örebro. Mörner, Stellan, docent, överläkare, Institutionen för folkhälsa och klinisk medicin, Umeå Universitet och Centrum för kardiovaskulär genetik, Hjärtcentrum, Norrlands Universitetssjukhus. Nordenskjöld, Agneta, professor, överläkare, Institutionen för kvinnors och barns hälsa, Karolinska Institutet och Barnkirurgiska kliniken, Astrid Lindgrens Barnsjukhus, Karolinska Universitetssjukhuset, Stockholm.

Institutionen för kliniska vetenskaper, Sahlgrenska akademin vid Göteborgs Universitet och Barnkliniken, Sahlgrenska Universitetssjukhuset.

Institutionen för medicinska vetenskaper, Uppsala Universitet och Hudkliniken, Akademiska sjukhuset, Uppsala.

Waldenström, Anders, professor, överläkare,

Institutionen för folkhälsa och klinisk medicin, Umeå Universitet och Hjärtcentrum, Norrlands Universitetssjukhus.

Wedell, Anna, professor, överläkare,

Institutionen för molekylär medicin och kirurgi, Karolinska institutet och Centrum för medfödda metabola sjukdomar, Karolinska Universitetssjukhuset, Stockholm.


Genetiska sjukdomar Under redaktion av Magnus Nordenskjรถld Liber


Innehåll 1. Genetikens grunder 12 Celler 12 kromosomer 13 dNa-molekyler 13 gener 14 Cellcykeln 16 replikation 17 Meios – bildningen av könsceller 18 transkription 21 transkription och reglering av genuttryck 21 translation och den genetiska koden 22 icke-kodande dNa 25 genomisk prägling 25 X-inaktivering 26 Mutationer 26 genomprojektet 30

2. Kromosomavvikelser

32 den normala kromosomuppsättningen 36 Cytogenetik 33 gendos-arrayer 37 kromosomavvikelser 39

3. Sjukdomar i släkten 56 Monogena sjukdomar 56 genetiska begrepp 58 Monogen nedärvning 59 X-inaktivering och imprintingsjukdomar Mitokondriellt arv 66 genetisk vägledning 67 kopplingsanalys 70 Multifaktoriella sjukdomar och folksjukdomarnas genetik 71

8

geNetiska sjUkdoMar

4. Genetisk vägledning 76 diagnostisk vägledning 79 Presymtomatisk vägledning 79 genetisk vägledning vid screeningundersökning 81 genetisk vägledning inför fosterdiagnostik 81 genetisk vägledning vid komplexa sjukdomar 82 den genetiska vägledningsprocessen 83 den genetiska vägledningsmottagningen 84 5. Fosterdiagnostik 88 screening 88 invasiv fosterdiagnostik 90 genetiska analysmetoder 91 Preimplantorisk genetisk diagnostik Framtidsperspektiv 98

95

6. Syndromdiagnostik 100 definitioner 100 Historik 101 Förekomst 102 orsaker 102 syndromutredning 103 Behandling, prevention och kliniska kontroller 118 7. Medfödda missbildningar

64

120

Utredning av barn med medfödda missbildningar 122 de nya överlevarna 123

8. Neurologiska utvecklingsavvikelser

130 Hjärnans utveckling 130 Utvecklingsstörning 131 autismspektrumtillstånd 132 adHd 132 kromosomavvikelser 133 Monogena sjukdomar med utvecklingsstörning 137 epigenetiska mekanismer 140 genetisk utredning vid utvecklingsstörning och autismspektrumstörning 142


9. Ärftliga metabola sjukdomar 144 ornitintranskarbamoylasbrist (otC-brist) 148 Long chain 3-hydroxyacylCoadehydrogenasbrist, LCHad-brist 150 Mitokondriella sjukdomar 152 gauchers sjukdom 155

15. Hudsjukdomar 230 iktyos 231 keratodermia palmoplantaris (kPP) 234 dariers sjukdom 235 epidermolysis bullosa (eB) 236 Neurokutana gendermatoser 238

10. Ärftliga hjärt– kärlsjukdomar 160

16. Bindvävssjukdomar

Utredning av misstänkt ärftlig hjärt– kärlsjukdom 160 kardiomyopatier (hjärtmuskelsjukdomar)

Marfans syndrom 242 ehlers–danlos syndrom 247 162

17. Skelettdysplasier

252 störd längdtillväxt och kroppsproportioner diagnostik av skelettdysplasier 253 Vanliga grupper av skelettdysplasier och patogenetiska mekanismer 255

11. Neurogenetik

176 Hereditära motorikstörningar 176 Hereditära neuromuskulära sjukdomar 182 sjukdomar som engagerar muskelfibrer 188 andra sjukdomar som engagerar muskelfibrer

12. Genetiska hörselnedsättningar

200 icke-syndromala autosomalt dominanta hörselnedsättningar (dFNa) 201 icke-syndromala autosomalt recessiva hörselnedsättningar (dFNB) 202 syndromala hörselnedsättningar 203 CHarge-syndrom 207

13. Ärftliga ögonsjukdomar Patientfall

210

210

14. Ärftliga njursjukdomar Cystiska njursjukdomar 222 Ärftliga nefrotiska syndrom 224 alports syndrom 227 thin membrane nephropathy 228

242

222

191

252

18. Ärftlig cancer

266 tre typer av gener som orsakar cancer 266 inaktivering av tumörsuppressorgener 267 Ärftlighetsgång 270 Heterogenitet – många olika signalvägar i tumörutvecklingen 270 Predisposition ger möjlighet till prevention 271 onkogenetisk vägledning 272 Molekylärgenetisk utredning 272 anlagstest 273 Prevention 273 Ärftliga cancersyndrom 274 Cancer som en komplex sjukdom 281

19. Förvärvade genetisk förändringar i cancer 284 Patogenetisk betydelse 286 klinisk betydelse 293

Ordlista

298

Register

315

iNNeHåLL

9


Förord Efter Charles Darwins död 1882 hittade man i hans kvarlåtenskap ett oöppnat brev från Gregor Mendel. Hade Darwin läst det hade han säkert förstått hur egenskaper överförs från en individ till avkomman. För evolutionsteorin var detta nyckelfrågan som Darwin aldrig kunde besvara på ett tillfredställande sätt. I stället kom han att ifrågasättas och Mendels lagar kom att förbli bortglömda under många år. Mendels skrifter återupptäcktes först vid sekelskiftet 1900 då man också upptäckte den första ämnesomsättningsrubbningen. Därmed inleddes ”genetikens sekel”, den tid då genetikens grundläggande mekanismer och kemi klarlades. Genetikens sekel avslutades med att hela människans arvsmassa kartlades och alla hennes gener identifierades på sekvensnivå. Åskan kan slå ner flera gånger i samma familj! Varje dag drabbas någon av ärftlig cancer, och i dag är de sällsynta ärftliga sjukdomarna så många att varje läkare regelbundet kommer i kontakt med drabbade patienter. Eftersom ärftligt betingade sjukdomar har hög upprepningsrisk för nära släktingar, innebär de en unik möjlighet till förebyggande sjukvård och reducerad sjuklighet. Det är min förhoppning att genetikens upptäckter under 1900-talet blir en central del i nuvarande sekels vardagssjukvård, på samma sätt som ingenjörernas framsteg under 1800-talet blev vardagens nödvändigheter under efterföljande sekel. Denna bok riktar sig till läkare och annan sjukvårdspersonal. Syftet är att ge en fördjupad förståelse av grundläggande mekanismer, diagnostik och handläggning vid

g sla g ed slin n t ix äs Bl M 100 % miljö/livsstil

be Tu

rk

ul

os K

p ro

ps

v

ikt R

g yg

m

är

b gs

genetiskt betingade sjukdomar. Det är inte en uppslagsbok om enskilda tillstånd, utan handlar mer om att ge exempel på principer för och handläggning av dessa. Bilden nedan illustrerar att sjukdomar och egenskaper kan ha olika grad av genetisk bakgrund. En individs kön och blodgrupp avgörs helt av genetiska faktorer, vilket också är fallet hos en person med en kromosomavvikelse eller en monogen sjukdom som exempelvis cystisk fibros. På samma skala återfinns även egenskaper som kroppslängd och kroppsvikt för vilka arvet har betydelse, men där även livsstil och omgivningsfaktorer påverkar stort. På liknande sätt orsakas folksjukdomarna av ett komplext samspel mellan gener och miljö/livsstil. Naturligtvis kan man betrakta dessa sjukdomar som genetiska, men kunskapen om folksjukdomarnas genetik har ännu inte nått sjukvården på ett sådant sätt att den kan påverka omhändertagandet. Boken lägger därför betydande vikt vid kromosomrubbningar och monogena tillstånd för vilka genetikkunskapen är väletablerad, används i diagnostik och ofta påverkar omhändertagandet av patienterna och deras familjer. Jag hoppas att den snabba kunskapsutvecklingen inom folksjukdomarnas genetik snart kommer att medföra ett förbättrat omhändertagande av patienter och att vi får beskriva detta i kommande upplagor. Stockholm, juli 2011 Magnus Nordenskjöld magnus.nordenskjold@ki.se

ck ä er -k nc järt a C H

j rls

uk

do

m ab Di

et

es

Kön Blodgrupp Cystisk fibros Downs syndrom spp ngd o Kr lä 100 % genetiskt

Förord

11


01 Bild 1.1. Förenklad bild av en eukaryot cell i genomskärning.

Genetikens grunder Kristina Lagerstedt Robinson, Helena Malmgren och Magnus Nordenskjöld

Celler uppbyggnad Alla levande organismer är uppbyggda av celler. Det finns två grundläggande typer av organismer: prokaryota och eukaryota. Prokaryota organismer är vanligtvis encelliga, t.ex. bakterier och arkebakterier. Den prokaryota cellen har en enkel uppbyggnad samt saknar definierad cellkärna och organeller, men den kan ändå utföra alla de aktiviteter som krävs för att upprätthålla liv och föröka sig. Encelliga organismer har oftast kort livslängd och är känsliga för för-

12

genetiska sjukdomar

ändringar i omgivningen, men de kan också snabbt anpassa sig till förändringar. Eukaryota organismer är ofta multicellulära. De olika vävnaderna och organen är uppbyggda av somatiska celler som skiljer sig med avseende på intern uppbyggnad, storlek och funktion. Cellerna har dessutom förmågan att samverka och kommunicera genom cell till cell-interaktioner (se nedan). Dessa organismer har också celler som är specialiserade på att sköta reproduktionen, s.k. könsceller. De flesta eukaryota celler (bild 1.1) har en cellkärna som innehåller majoriteten av arvsmassan (DNA). Runt cellkärnan finns ett kärnmembran och utanför finns cytoplasma som i sin tur omges av cellmembranet. Kommunikationen mellan cellkärnan och cytoplasman sker via porer i kärnmembranet. I cytoplasman finns en mängd olika organeller. Bland organellerna kan nämnas: ❙❙ mitokondrierna med den s.k. andningskedjan som producerar energi via oxidativ fosforylering ❙❙ det endoplasmatiska retiklet (ER) som medverkar i syntesen och transporten av proteiner och lipider ❙❙ golgiapparaten som svarar för utsöndringen av cellprodukter ut ur cellen.


❙❙ peroxisomer och lysosomer, små organeller som med hjälp av enzymer utför kemiska reaktioner respektive bryter ner proteiner

dvs. i såväl ägg som spermie finns det en av varje kromosom. Könscellerna är alltså haploida, dvs. de har en enkel genuppsättning.

Cell till cell-interaktion

DNA-molekyler

Celler i de multicellulära organismerna har förmågan att samverka och kommunicera genom cell till cell-interaktion, vilket bidrar till organismens komplexitet och funktion. Kommunikationen mellan celler bygger på att de kan producera signalmolekyler. Dessa kan binda sig till receptorer på andra celler (oftast på cellytan). Dessa receptorer är i sin tur länkade till interna signalsystem inom cellen. Bindning av en signalmolekyl till en receptor kan aktivera en kaskad av enzymatiska steg i mottagarcellen och till slut påverka t.ex. vilka gener cellen uttrycker genom att reglera genens transkription (översättning av DNA till RNA, se nedan). Denna typ av kommunikation kan ske mellan närliggande celler, men även mellan vävnader på långt avstånd från varandra. Ett exempel är när ett hormon frisläpps från en endokrin körtel i en del av kroppen och transporteras via blodomloppet till målceller i en annan del av kroppen.

Varje kromosom innehåller en DNA-molekyl (deoxyribonukleinsyra), en trådlik molekyl som packats tätt i flera nivåer med hjälp av proteiner, bland annat histonproteiner. Den sammanlagda längden av DNA i en cell uppgår till cirka 2 meter. DNA-molekylen består av två ihoptvinnade strängar som bildar en dubbelhelixstruktur (bild 1.2). Varje sträng är i sin tur uppbyggd av fyra olika deoxyribonukleotider som består av följande tre delar:

Kromosomer En kromosom är den struktur i den eukaryota cellen som innehåller generna (arvsanlagen). En kromosom kan ha från flera hundra till flera tusen gener. I människans somatiska celler är arvsmassan uppdelad i 46 kromosomer (23 par), dvs. två kopior av varje kromosom (diploida celler). De första 22 kromosomparen kallas autosomer, och de två kromosomerna i varje par är homologa (lika varandra). Kromosompar 23 kallas könskromosomerna. En kvinna har normalt två X-kromosomer, medan en man normalt har en X- och en Y-kromosom. För varje kromosompar har individen ärvt den ena kromosomen från sin far och den andra från sin mor,

❙❙ En sockermolekyl (deoxyribos) ❙❙ En fosfatgrupp ❙❙ En kvävebas: antingen adenin (A), guanin (G), cytosin (C) eller tymin (T) DNA-molekylens två strängar är antiparallella, komplementära och hålls ihop av vätebindningar mellan kvävebaserna (bild 1.3). Adenin binds (basparar) alltid till tymin på den motsatta strängen via två vätebindningar, medan guanin alltid binds till cytosin via tre vätebindningar. Det är kvävebasernas ordningsföljd (sekvens) som utgör den genetiska informationen. DNA finns även i mitokondrierna (bild 1.1). Detta DNA är en cirkulär molekyl som finns i många kopior i en och samma cell och som innehåller 37 gener. Dessa gener kodar framför allt för de proteiner som behövs i andningskedjan. Mitokondriellt DNA nedärvs endast från mamman.

1. genetikens grunder

13


Baspar

Bild 1.2. Kromosomer, DNA och gener. människans arvsmassa finns i cellkärnan och vid mitosen kan 46 kromosomer ses i mikroskop. kromosomerna är i sin tur uppbyggda av en tätt packad dna-molekyl som bär den genetiska informationen. en gen är en specifik del av dnamolekylen som kodar för ett protein eller ett funktionellt rna. Varje kromosom innehåller information för många hundra, upp till tusentals gener. DNA-kedja

Centromer Telomer Telomer Cell

Kromosom Gen

Cellkärna Gen

Histoner

Gener I det humana genomet finns det cirka 21 000 gener. En gen är en specifik del av DNAmolekylen som kodar för ett protein eller en funktionell RNA-molekyl (t.ex. tRNA, rRNA och snRNA). En gen brukar beskrivas med början från 5’-änden till 3’-änden, dvs. den riktning som DNA-polymeraset läser av den befintliga strängen och den riktning i vilken genen transkriberas (se nedan). Beteckningarna 5’

14

genetiska sjukdomar

och 3’ härrör från numreringen av kolatomerna i sockermolekylen (deoxyribos) som utgör ryggraden i DNA (bild 1.3). En gen är uppbyggd av en icke-kodande region belägen uppströms (5’) om den kodande delen av genen. Denna region innehåller en promotorsekvens som binder enzymet RNApolymeras, vilket initierar transkriptionen (kopieringen av DNA till RNA). Det finns 1.2 dessutom andra specifika sekvenser som reg-


Bild 1.3. dna-molekylen kan liknas vid en stege där sidostolparna utgörs av deoxyribos och en mellanliggande fosfatgrupp som hålls ihop av fosfodiesterbindningar. Från sidostolparna sticker kvävebaserna ut och binds med svaga vätebindningar till motsatt kvävebas på andra stolpen. På så sätt bildar de stegpinnarna.

Bild 1.4. Uppbyggnad av en gen. Framför genen (5’-änden) ligger regulatoriska element och intill genen finns en promotor. tillsammans styr de uttrycket av en gen. själva genen består av exon och mellanliggande sekvenser, intron. under processningen av primärt rna-transkript till mrna kommer intronsekvenserna att splitsas bort, vilket gör att processat mrna enbart innehåller exonerna. i slutet av genen (3´-änden) ligger sekvenser som inte uttrycks, och i dessa finns en sekvens som signalerar stopp av transkription och initiering av polyadenylering av mrna.

lerar transkriptionen, t.ex. enhancers och silencers, vilka kan befinna sig på långt avstånd från transkriptionens startställe. Hos eukaryoter är den transkriberade delen av genen inte en kontinuerligt kodande DNA-sekvens, utan den är uppdelad i kodande sekvenser (exon) och icke-kodande sekvenser (intron). Exon utgör endast en mindre del av genen,

och man kan spekulera kring vad intronerna fyller för funktion. Nedströms (3’) om den transkriberade delen av genen finns termineringssekvenser som visar var transkriptionen ska avslutas (bild 1.4).

1. genetikens grunder

15


Cellcykeln En människa utvecklas från en enda befruktad (diploid) cell till en komplex organism uppbyggd av cirka 1014 celler. Under människans livslängd måste även de celler som dör ersättas i stor utsträckning. Detta sker genom att de somatiska cellerna duplicerar sitt DNA och sedan delar sig till två genetiskt identiska dotterceller. Denna typ av celldelning kallas mitos.

Cellcykeln (bild 1.5) omfattar fyra olika faser under vilka DNA-innehållet i cellen varierar: ❙❙ G1 (gap 1, tillväxtfas 1). G1 är det normala tillståndet för en cell och också det tillstånd som en icke-delande cell befinner sig i. I G1-fasen innehåller den humana cellen 46 kromosomer, och varje kromosom är en DNA-dubbelhelix som tillsammans med bland annat histoner utgör en s.k. kromatid. 2n + 2n

46 kromosomer (kondenserade)

+

Totalt 92 kromosomer fördelade till två dotterceller

4n 46 kromosomer (utdragna) Två DNA-molekyler per kromosom

M G2

G1 S DNA syntes

46 kromosomer (utdragna) En DNA-molekyl per kromosom 2n

16

genetiska sjukdomar

Bild 1.5. Cellcykeln. Celler befinner sig längst tid i g1-fasen (eller g0, ett speciellt stadium av g1). Cellerna innehåller då dna i form av 46 kromatider. inför celldelningen dubbleras dna-innehållet i cellen genom syntes (s-fasen) som tar cirka 8 timmar. därefter följer g2-fasen som tar 4–5 timmar. under denna fas kontraheras de 46 kromosomerna som vardera innehåller två kromatider. Celldelningen (mitosen, m) tar cirka 30 minuter varvid dnainnehållet halveras genom att kromatiderna separeras till olika dotterceller.


❙❙ S (syntesfasen). Under S-fasen replikeras (kopieras) DNA-molekylen till två kopior, så att varje kromosom består av två kromatider (se stycket Replikation nedan). ❙❙ G2 (gap 2, tillväxtfas 2). Under denna fas görs en kontroll av att DNA-replikationen utförts samt en förberedelse för delning. I slutet av G2-fasen drar systerkromatiderna ihop sig. ❙❙ M (mitosfasen). I M-fasen separerar systerkromatiderna från varandra och varje dottercell får då en kopia av modercellens arvsmassa. Mitosfasen består i sin tur också av ett antal faser (bild 1.6).

Interfas

DNA-innehållet i gameterna, det haploida genomet, brukar betecknas n. En diploid cell i G1 har DNA-innehållet 2n. Efter S-fasen och under G2 är DNA-innehållet 4n, varefter mitosen ger upphov till två celler med 2n.

Replikation Under cellens S-fas replikeras (kopieras) DNA-molekylen. Detta är en förutsättning för att cellen ska kunna dela sig vid mitos och bibehålla informationen (DNA-innehållet) i båda dottercellerna. DNA-replikationen är semikonservativ, dvs. båda ursprungssträngarna utgör mallen för den nya strängen, och resultatet blir två separata DNA-molekyler som består av en nysyntetiserad sträng och en ursprungssträng (bild 1.7). Replikationen initieras av att DNA-helixen tvinnas upp med hjälp av proteinet helikas. Med hjälp av enzymet DNA-polymeras byggs två nya DNA-strängar upp med de befintliga DNAsträngarna som mall. DNA-polymeraset rör sig längs DNA-molekylen och inkorporerar fria deoxyribonukleotider (med kvävebaserna

Profas

Centriol

Metafas

Anafas

Telofas

Bild 1.6. Mitos – celldelning. Hos en cell i interfas finns kromatinet i cellkärnan i form av långa utdragna trådar som i ett garnnystan. interfascellens kromatin kondenseras successivt under profasen till långa trådlika kromosomer. Vid metafasen har maximal kontraktion uppnåtts och kärnmembranet är upplöst. i mikroskopet kan man se enskilda kromosomer som var och en består av två kromatider sammanhållna i centromeren. Centriolerna, två strukturer i cellens periferi, är förenade med centromererna med hjälp av mikrotubuli. Centriolerna och mikrotubilitrådarna utgör den s.k. spolmekanismen. under anafas kommer centromererna att dela sig varefter de homologa kromatiderna dras ifrån varandra genom att mikrotubuli kontraheras. därefter (telofas) kommer cytoplasman att delas i två halvor, kromatinet dekondenseras och två celler med identiskt material har bildats. 1. genetikens grunder

17


adenin, guanin, cytosin eller tymin) till änden av den växande DNA-strängen och bildar på så sätt en komplementär sträng (bild 1.7). Om det är en tymin i DNA-mallen inkorporeras ett adenin, och är det ett guanin i mallen inkorporeras cytosin etc. DNA-polymeraset korrekturläser (eng. proof-reading) även den nya strängen, dvs. kontrollerar att rätt kvävebas inkorporerats. Har fel kvävebas inkorporerats kan DNA-polymeraset initiera korrigeringar. Korrekturläsningen förutsätter att det går att skilja på den nya DNA-strängen och ursprungssträngen. Detta sker genom att ursprungssträngen alltid är märkt med metylgrupper som sitter på vissa cytosin (5-metylcytosin). Denna metylering sker när replikationen har avslutats. Replikationshastigheten är cirka 40–50 deoxyribonukleotider per sekund, vilket innebär att om replikationen skulle starta i ena änden av en kromosom och sedan fortskrida till den andra så skulle den ta alldeles för lång tid. DNA-replikationen initieras därför i stället på många olika ställen samtidigt (eng. origins of replication), och där DNA-strängarna separeras bildas s.k. replikationsbubblor.

Meios – bildningen av könsceller De flesta flercelliga organismer genomgår sexuell reproduktion då arvsmassan från två individer blandas vid befruktningen. En förutsättning för detta är att antalet kromosomer halveras vid bildning av könscellerna (ägg och spermier). Hos människan har könscellerna (gameterna) 23 kromosomer (en av varje sort) som bildas genom reduktionsdelning, två på varandra följande kärndelningar, av en diploid ursprungscell. Denna celldelning kallas meios (bild 1.8). Vid meiosen blandas arvsmassan mellan generationerna på två olika sätt. Under meiosens första fas (meios I) sker ett utbyte av kromosommaterial mellan de parvis lika (homologa) kromosomerna (meiotisk rekombination el-

18

genetiska sjukdomar

Bild 1.7. DNA-replikation. inför cellens delning till två dotterceller måste dna-molekylerna dupliceras, s.k. dna-replikation. replikationen initieras av att dna-helixen tvinnas upp med hjälp av proteinet helikas. det bildas då en s.k. replikationsgaffel, varvid båda ursprungssträngarna kan replikeras. Vid replikationen av leading strand är riktningen av dna-syntesen (5’–3’), samma riktning som för upptvinningen av replikationsgaffeln vilket tillåter en kontinuerlig dna-syntes. dna-polymeras rör sig längs dna-molekylen och inkorporerar fria deoxyribonukleotider (med kvävebaserna adenin, guanin, cytosin eller tymin) till änden av den växande dna-strängen och bildar på så sätt en komplementär sträng. Vid replikation av lagging strand är riktningen på dna-syntesen (5’–3’), dvs. motsatt riktning för upptvinningen av replikationsgaffeln. denna sträng syntetiseras därför diskontinuerligt i kortare bitar (okasaki- fragment) som sedan ligeras ihop med dna-ligas för att bilda en kontinuerlig sträng.


ler överkorsning (eng. crossing-over), vilket i mikroskopet kan ses som en chiasma (bild 1.8). Hos människan sker det i genomsnitt en sådan överkorsning per kromosomarm per meios. Meios I avslutas med en celldelning där antalet kromosomer med två kromatider vardera halveras så att de två homologa kromosomerna fördelas på olika dotterceller. Under meiosens andra fas (meios II) sker en andra uppdelning av kromosomerna till ytterligare två dotterceller, så att de 46 ursprungliga kromosomerna (med två kromatider vardera) från en individ slumpmässigt fördelas. En äggcell innehåller därför vissa kromosomregioner från kvinnans mamma (avkommans mormor) och andra regioner från hennes pappa (avkommans morfar). De färdiga gameterna innehåller således 23 kromosomer som utgör en blandning av ursprungscellens homologa kromosomer. Detta leder till en oändlig genetisk variation i de könsceller som kan bildas i en och samma individ.

Bild 1.8. Meios – reduktionsdelning. när cellen går in i reduktionsdelningen har cellen 46 kromosomer med två kromatider var, dvs. dna-innehållet är 4n. det första som händer är att kromatinet kondenseras och att homologa kromosomer paras med varandra. därefter sker ett utbyte av material mellan de homologa kromosomerna. denna rekombination (meiotisk överkorsning, eng. crossing-over) kan i mikroskopet ses som ett chiasma där två kromatider byter material med varandra. efter rekombinationen halveras kromosomtalet i den första meiotiska delningen (mi) så att varje dottercell innehåller 23 kromosomer, var och en med två kromatider, dna-innehållet är då 2n. Även detta innebär en blandning av genetiskt material eftersom homologa kromosomer fördelas slumpmässigt till dottercellerna. den andra meiotiska delningen (mii) liknar en vanlig mitos och resulterar i ägg eller spermier med vardera 23 kromosomer (n), dvs. en kromatid var. efter befruktningen har ägget 46 kromosomer

1. genetikens grunder

19


Bild 1.9. Transkription och translation i en eukaryot cell. transkription av gener ger ett primärt rna-transkript som sedan processas till ett färdigt och förkortat mrna som transporteras ut till cytoplasman. i ribosomerna sker translationen och då används det processade mrna som templat för syntes av aminosyrakedjor (protein).

20

genetiska sjukdomar


Transkription Transkription är den process då information i en DNA-sträng (en gen) översätts till en RNA-molekyl (bild 1.9). Denna process initieras av RNA-polymeras som med hjälp av olika transkriptionsfaktorer binder sig till genens promotorregion. DNA-molekylens strängar separeras då från varandra och RNA-polymeraset vandrar sedan längs den ena DNA-strängen och bygger upp en RNAmolekyl genom att addera ribonukleotider (rNTP) som är komplementära till motsvarande deoxyribonukleotid i DNA-molekylen. Det primära RNA-transkriptet är exakt komplementärt till kvävebassekvensen i DNA-templatet. Den DNA-sträng som används som mall (templat) kallas för antisenssträng och den RNA-molekyl som bildas blir en kopia av DNA-molekylens senssträng. I sin uppbyggnad liknar RNA-molekylen DNA med skillnaden att RNA:s sockermolekyl är ribos (inte deoxyribos) och en av kvävebaserna är uracil (U) i stället för tymin. Uracil liknar tymin och binder sig (basparar) också till adenin. Eftersom RNA-molekylen är enkelsträngad, blir den instabil i jämförelse med den dubbelsträngade DNA-molekylen. För att bevara informationen under hela cellens livslängd måste DNA-molekylen vara beständig. RNA används däremot endast under en kort period, och genom att det lätt bryts ner kan proteinsyntesen regleras till vissa tidpunkter och med avseende på den mängd protein som bildas. Det RNA som skapas kallas mRNA (eng. messenger-RNA), och kan bara syntetiseras i riktningen 5’ till 3’. När transkriptionen har initierats får den växande mRNA-molekylen en s.k. 5’cap, vilket innebär att en kemiskt modifierad guaninmolekyl sätts fast i 5’-änden av RNA. Denna 5’cap förhindrar att RNA-molekylen degraderas under syntesen, underlättar transporten från cellkärna till cytoplasma och tros senare även ha betydelse för att indikera translationens startposition. Transkriptionen pågår tills RNA-polymeraset når en termineringssekvens. Därefter adderas

en svans av 100–200 adeninbaser till 3’-änden, s.k. polyadenylering. Denna poly(A)svans stabiliserar RNA-molekylen så att den inte degraderas så snabbt. Den bildade RNAmolekylen, det primära mRNA-transkriptet, släpps därefter från RNA-polymeraset och DNA-templatet, och därmed är transkriptionen avslutad (bild 1.9). Hos eukaryoter måste det primära RNAtranskriptet processas innan det transporteras till cytoplasman för translation. De delar av transkriptet som är icke-kodande (intronerna) måste klippas bort, och de delar som är kodande (exonerna) ska föras samman och länkas ihop. Denna process kallas RNAsplitsning (eng. RNA splicing) och måste vara mycket exakt för att rätt aminosyrasekvens ska kunna bildas från mRNA. RNA-splitsing sker med hjälp av enzymer som finns i cellkärnan, och processen styrs med hjälp av konserverade sekvenser (samma sekvenser hos alla eukaryoter) som finns intill intron/exongränserna. Det finns ytterligare konserverade sekvenser i intronerna som har betydelse för att splitsningen ska bli korrekt. Processat (moget) och därmed förkortat mRNA transporteras sedan till cytoplasman för translation (se nedan).

Transkription och reglering av genuttryck Alla våra kärnförande celler innehåller en komplett uppsättning av det humana genomet, dvs. alla gener finns i alla celler. Det som skiljer olika typer av celler åt är vilka gener som uttrycks, transkriberas, och vilka som är inaktiva i varje celltyp. Det finns dock gener som kodar för proteiner eller funktionella RNA som har en generell funktion och behövs i alla celler. Dessa gener kallas för house keeping-gener och de transkriberas i alla celler. Andra gener uttrycks endast i större mängder i en viss vävnad eller vissa vävnader och är 1. genetikens grunder

21


Faktaruta 1.1. Mekanismerna för att kontrollera genuttryck. ❙❙ Kontroll av transkription. För att transkription ska kunna initieras krävs det att transkriptionsfaktorer binder sig till promotorn av en viss gen. genom bindning av olika protein till promotorn och andra regulatoriska regioner i genomet påverkas således genuttrycket. ❙❙ Posttranskriptionell reglering av genuttryck. detta är mekanismer som bland annat styr processning av rna (t ex rna splitsning), transport av mrna, translation, stabilitet av mrna, processning av protein och stabilitet av protein. ❙❙ Epigenetiska faktorer/kontroll på långa avstånd. Faktorer som nedärvs, från cell till dottercell eller från förälder till barn, som inte beror på sekvensförändringar i genomet kallas för epigenetiska faktorer. den mest kända epigenetiska faktorn är metylering av dna, vilket påverkar genuttryck. andra exempel är skillnader i kromatinstuktur vilket påverkar tillgänglighet för ”enhancers” respektive ”silencers”. dessa skillnader är troligen resultatet av histonmodifiering.

därmed vävnadsspecifika. Ett exempel är globingenen som endast transkriberas i de celler som utvecklar röda blodkroppar. Vissa gener uttrycks endast under en kort period då individen utvecklas, andra uttrycks bara i vissa specialiserade celler. Regleringen av vilka gener som ska transkriberas styrs av olika transkriptionsfaktorer. Vissa transkriptionsfaktorer är generella och används av alla gener, andra är specifika för en viss celltyp eller en viss tidpunkt (faktaruta 1.1).

transkription från olika promotorer ger olika transkript I det humana genomet finns cirka 21 000 gener, och från dessa kan det transkriberas (bildas) betydligt fler RNA-transkript och proteinvarianter. Vissa gener har mer än en

22

genetiska sjukdomar

promotor, vilket möjliggör transkription från olika ställen i genen. Olika promotorer kan dessutom användas i olika vävnader, vilket ger vävnadsspecifika proteiner, och olika promotorer kan användas vid olika tidpunkter i individens utveckling. Alternativ splitsing är en annan mekanism för hur olika transkript kan bildas från en gen. Under processningen av det primära RNA-transkriptet kan olika mRNA-transkript bildas, t.ex. genom att utesluta ett eller flera exoner i processat RNA eller genom att inkludera alternativa exon. Alla dessa mekanismer gör att ett antal olika RNA-transkript, och därmed olika proteiner, kan bildas från en enda gen.

Translation och den genetiska koden Translation är den process då informationen i mRNA översätts till en aminosyrakedja, en polypeptid. Denna syntes sker i cytoplasman, närmare bestämt i ribosomerna som är uppbyggda av ribosomalt RNA (rRNA) och olika enzymer. mRNA binds till ribosomerna där det sedan interagerar med s.k. transfer RNAmolekyler (tRNA), cirka 80 bp långa RNAmolekyler som är formade till en klöverbladsliknande struktur (bild 1.9). Dessa tRNA kan i sin 3’-ände binda specifika aminosyror. I motsatt del av klöverbladet finns tre baser som kallas antikodon. Antikodonet styr vilken aminosyra som tRNA ska bindas till och binds till en komplementär sekvens i mRNA (kodon). Translationen börjar med att ribosomen binds till ett startställe för translationen i mRNA, en specifik tre basers sekvens som består av baserna adenin, uracil och guanin (förkortat AUG). Denna kodon kan baspara med en antikodon i en tRNA-molekyl som bundit aminosyran metionin. Nästföljande kodon i mRNA kan sedan binda sitt specifika tRNA som bär på motsvarande aminosyra. De två intilliggande aminosyrorna länkas sedan ihop


Faktaruta 1.2. Den genetiska koden. Första basen Andra basen

U*

u*

uuu uuC uua uug

C

⎫ ⎬ ⎭ ⎫ ⎬ ⎭

Phe

Leu

uCu ⎫

⎪ uCC ⎪ ⎬ ser uCa ⎪ ⎪ uCg ⎭ a

uau uaC

⎫ ⎬ ⎭

uaa uag g

ugu ugC

⎫ ⎬ ⎭

C

A

G

Cuu ⎫

auu ⎫ ⎪ auC ⎬ ile ⎪ aua ⎭

guu ⎫ guC ⎪

aug

gug ⎭

⎪ CuC ⎪ ⎬ Leu Cua ⎪ ⎪ Cug ⎭ CCu ⎫

⎪ CCC ⎪ ⎬ Pro CCa ⎪ ⎪ CCg ⎭ Cau

tyr

CaC

stoPP

Caa

stoPP

Cag

Cys

uga

stoPP

ugg

trp

⎫ ⎬ ⎭

His

⎫ ⎬ ⎭

gln

met

⎪ aCC ⎪ ⎬ thr aCa ⎪ ⎪ aCg ⎭

aaC aaa

⎪ CgC ⎪ ⎬ arg Cga ⎪ ⎪ Cgg ⎭

⎬ Val

gua ⎪

aCu ⎫

aau

Cgu ⎫

aag agu agC aga agg

⎫ ⎬ ⎭

asn

⎫ ⎬ ⎭

Lys

⎫ ⎬ ⎭

ser

⎫ ⎬ ⎭

gCu ⎫

gCC ⎪

⎬ ala ⎪ ⎪ gCg ⎭

gCa

gau gaC gaa gag

⎫ ⎬ ⎭

asp

⎫ ⎬ ⎭

glu

ggu ⎫

ggC ⎪

⎬ gly

arg

gga ⎪

ggg ⎭

* notera att i mrna används basen uracil (u) motsvarande tymin (t) i dna.

med en peptidbindning. Ribosomen vandrar längs mRNA i 5’- till 3’-riktning och medierar att nya tRNA-molekyler kan bindas till mRNA och länka nya aminosyror till den växande aminosyrakedjan. När ribosomen når ett kodon i mRNA som kodar för ett STOPP upphör translationen. Aminosyrakedjan avslutas då och släpps ut i cytoplasman. Aminosyrakedjorna (polypeptiderna) är linjära sekvenser av olika aminosyror. Det finns tjugo olika aminosyror. Vid bildningen av aminosyrakedjor läses RNA-molekylen kodon för kodon (tre baser motsvarar en aminosyra). Eftersom det finns fyra olika baser i RNA, finns det 64 olika möjliga bastripletter (4 × 4 × 4). Av dessa kodar 61 för aminosyror

medan 3 kodar för translationsstopp. Samma aminosyra kan alltså motsvaras av flera olika kodon, men en viss kodon motsvarar alltid bara en aminosyra. Den genetiska koden är översättningsnyckeln mellan en specifik kodon och motsvarande aminosyra (faktaruta 1.2). De tjugo aminosyrorna kan delas in i olika grupper utifrån deras kemiska struktur och egenskaper. Alla aminosyror är uppbyggda av en positivt laddad aminogrupp, en negativt laddad karboxylgrupp och en unik sidokedja som definierar vilken aminosyra det rör sig om (bild 1.10). Sidokedjan avgör aminosyrans egenskaper och påverkar därmed proteinets struktur och funktion. 1. genetikens grunder

23


Bild 1.10. Aminosyror. kemisk struktur för de tjugo aminosyror som bygger upp proteiner. generellt kan man dela upp de olika aminosyrorna utifrån deras kemiska egenskaper, dvs. laddade polära och icke-polära aminosyror.

24

genetiska sjukdomar


Posttranslationell modifiering Proteiner är uppbyggda av en eller flera (aminosyrakedjor) polypeptider. Innan en nybildad polypeptid kan fungera som ett funktionellt protein genomgår den ytterliggare processning, s.k. posttranslationell modifiering. Polypeptiden kan modifieras med en tillsats av något, t.ex. acetylgrupper, metylgrupper, lipider och/eller kolhydrater. Polypeptiden kan även modifieras genom strukturella förändringar, t.ex. bildandet av kovalenta disulfidbindingar, dvs. bryggor mellan två cystein. Peptidkedjan kan också interagera med ligander eller kofaktorer, kemiska föreningar som binds till något enzym för att bidra till dess + + + + aktivitet (t.ex. Ca2 , Fe2 , Cu2 , Zn2 ). Alla dessa modifieringar kan påverka proteinets tredimensionella struktur. En annan vanlig modifiering innebär att en peptidkedja klyvs i mindre funktionella bitar eller att den binds ihop med andra peptidkedjor. Exempelvis har alla polypeptider aminosyran metionin i början av sin sekvens, men denna tas vanligtvis bort ur det färdiga proteinet. Proteinerna bildas vid ribosomerna men måste sedan transporteras till den plats där de ska vara verksamma, antingen till en specifik intracellulär del (cellkärnan, mitokondrierna, peroxisomerna etc.) eller utsöndras från cellen (hormoner, signalsubstanser etc.). För att detta ska kunna ske finns specifika signaler i peptidkedjan som styr proteinernas transport till rätt adress. Oftast är denna signal en kort polypeptidsekvens (signalsekvens eller leadersekvens) som klipps bort från polypeptiden så snart sorteringen är klar.

Icke-kodande DNA

long ncRNA) eller är introner eller regulatoriska sekvenser. Den största delen av det humana genomet har ingen känd funktion och beskrivs därför ofta som icke-kodande DNA eller ”skräp-DNA”. Det är troligt att framtida forskning kommer att klargöra om så är fallet eller om skräp-DNA faktiskt har en funktion, alternativt har haft en funktion under tidigare stadier av evolutionen som sedan har upphört eller ersatts av andra mekanismer. Människans arvsmassa är full av s.k. pseudogener (tidigare funktionella gener som inte längre används) som ibland är mycket lika de gener som används i dag. Icke-kodande DNA kan klassificeras i olika subtyper beroende på hur sekvensen är uppbyggd. Unika sekvenser (eng. single copy DNA) är DNA-sekvenser som finns i endast en eller ett fåtal kopior i genomet, och utgör cirka 45 % av genomet. Proteinkodande gener utgör unika sekvenser, men även andra sekvenser av okänd funktion eller skräp kan vara unika. Övriga 55 % av genomet utgörs av repetitivt DNA av olika typer, dvs. samma baser eller sekvenser upprepas många gånger och samma repetitioner kan återfinnas på många olika ställen i genomet.

Genomisk prägling Vissa gener uttrycks bara från en av människans genkopior, antingen den maternella eller den paternella kopian. Den andra kopian är tyst och uttrycks inte. Detta fenomen kalllas för prägling (eng. imprinting), och mekanismen bakom detta är en selektiv metylering (genom 5-metylcytosin) som tystar vissa regioner i genomet. Prägling har påvisats i en liten andel av människans gener (< 1 %), framför allt hos de gener som styr tillväxt. Felaktig genomisk prägling kan leda till genetisk sjukdom (se kapitlet Sjukdomar i släkten).

Den totala andelen av människans genom som kodar för proteiner har uppskattats till omkring 1,2 %. Andra delar av genomet kodar för olika former av RNA (rRNA, tRNA, snoRNA, mikroRNA, siRNA, piRNA och 1. genetikens grunder

25


Bild 1.11. X-inaktivering. denna honkatt bär en genvariant som kodar för röd päls . genen är belägen på hennes ena X-kromosom. slumpmässig Xinaktivering av X-kromosomerna resulterar i spräcklig päls. i de röda fläckarna är den X-kromosom som bär anlaget för röd päls aktiv och i de andra delarna av pälsen är den andra X-kromosomen aktiv. avkommor av manligt kön till denna katt kommer antingen att bli helt röda eller helt sakna röd päls. Foto: magnus nordenskjöld

X-inaktivering

Mutationer

Individer av manligt kön har två olika könskromosomer (X och Y) medan kvinnor har två X-kromosomer. För att inte kvinnor ska producera dubbelt så mycket av de proteiner som kodas av X-kromosomens gener, används bara den ena av de två X-kromosomerna i varje cell. Under tidig embryoutveckling, när de totipotenta cellerna differentieras till pluripotenta celler, inaktiveras den ena X-kromosomen i varje cell (X-inaktivering). Inaktiveringen är slumpmässig i den meningen att i vissa celler inaktiveras den paternella X-kromosomen (Xp), medan i andra celler inaktiveras den maternella (Xm). Slutresultatet av denna process innebär att bara en X-kromosom kommer att vara aktiv, dvs. uttrycka sina gener. Den inaktiverade X-kromosomen ändrar sin kromatinstruktur och bildar något som i ett ljusmikroskop kan ses som en s.k. Barr body i kärnans periferi. Den inaktiverade kromosomen kommer att stänga av uttrycket av de flesta, men inte alla gener som finns på kromsomen. När en X-kromosom har inaktiverats hos en cell i ett flickfoster kommer cellens alla dotterceller att inaktivera samma X-kromosom, dvs. det maternella (Xm) eller det paternella (Xp) X-et resten av livet. Detta fenomen kallas klonal nedärvning och ses tydligt hos spräckliga honkatter (bild 1.11) där den röda pälsfärgen styrs av en gen på X-kromosomen.

En mutation är en förändring i arvsmassan som blir bestående och kan överföras från en cell till dess dotterceller (bild 1.12). Mutationer kan uppstå på många olika sätt och får olika konsekvenser beroende på hur arvsmassan förändrats. De kan uppkomma spontant i en vilande cell, till följd av misstag vid replikationen (troligen det vanligaste) eller genom påverkan av omgivningsfaktorer (joniserande strålning eller kemikalier). Det finns mekanismer för att laga olika typer av skador (DNA-reparation) och endast en liten bråkdel av de fel som uppkommer blir bestående. Medfödda sjukdomsframkallande mutationer kan vara nedärvda eller kan ha uppkommit de novo vid bildningen av gameter hos en av föräldrarna. Dessa mutationer finns då i kroppens alla celler och kan därmed nedärvas till kommande generationer (konstitutionell mutation). Mutationer kan även uppkomma i enstaka somatiska celler (förvärvad mutation) och kan då t.ex. leda till cancer. Det är viktigt att notera att förvärvade mutationer är begränsade till en celltyp och att de specifikt kan påverka cellens tillväxtmönster på olika sätt (se kapitlet Förvärvade genetiska förändringar i cancer). Mutationer kan vara mycket olika och därmed förändra DNA-molekylen på olika sätt.

26

genetiska sjukdomar


Konsekvenser av mutationer Kroppsceller tyst mutation celldöd cancer Fosterceller tyst mutation celldöd missfall cancer missbildning Könsceller tyst mutation celldöd infertilitet cancer ärftlig sjukdom

Bild 1.12. Konsekvenser av mutationer i somatiska celler eller i könsceller. när mutationer uppkommer kan de leda till olika konsekvenser beroende på i vilka celler de uppstått. man skiljer på somatiska celler, som bygger upp nästan alla organ, och könsceller som deltar i reproduktionen. Hos en vuxen individ kan en förvärvad mutation i en enskild somatisk cell påverka cellen på olika sätt. mutationer som slår ut en gen som inte används kommer inte att få någon effekt alls, t.ex. klarar en nervcell sig bra ändå även om den förlorar förmågan att tillverka hemoglobin. en mutation som slår ut en gen som är viktig för cellens ämnesomsättning kommer däremot att resultera i celldöd. Celldöd är i regel betydelselös eftersom människan normalt har en regeneration av nya celler och ett relativt överskott på celler i de flesta organ. mutationer som orsakar massiv celldöd kan dock få allvarliga konsekvenser, vilket exempelvis sker vid behandling av mutagena läkemedel som orsakar benmärgsdepression, eller när personer utsätts för stora doser radioaktiv strålning. den viktigaste konsekvensen av förvärvade mutationer i somatiska celler inträffar när cellens tillväxtreglering störs vilket kan resultera i en tumörsjukdom. Cancer är därför en konsekvens av förvärvade mutationer i somatiska celler (se kapitlet Förvärvade mutationer i cancer).

Ursprunglig DNA-sekvens TGC Cys

GAT Asp

AAA Lys

TCG Ser

C

AAA Lys

TCG Ser

C

Substitution TCC Ser

GAT Asp

GGC (Gly) missensmutation TCC (Ser) missensmutation

TGC (Cys)

TGT (Cys) tyst mutation TGA (stopp) nonsensmutation

Deletion G TGC ATA Cys Ile

AAT Asn

CGC Arg

Frameshift

Insertion TGG Trp

CGA Arg

TAA ATC STOPP -

GC

Bild 1.13. konsekvenser av mutationer på basparsnivå. när kvävebaser byts ut, deleteras eller extra kvävebaser skjuts in i dna-sekvensen leder det till olika förändringar på proteinnivå.

En sjukdomsframkallande mutation kan vara begränsad till en enda gen. Där kan ett basparsutbyte i en kritisk del av genen, leda till fel i aminosyrasekvens (bild 1.13). Mutationer kan även påverka genens läsram, dess splitsning eller reglering. Kunskapen om regulatoriska mutationer är dock ännu begränsad. Andra typer av mutationer kan ge förändrat antal genkopior, en extra kopia (duplikation) i somatiska celler kan mutationer under fosterutveckeller avsaknad av kopia (deletion), vilket ofta lingen få samma effekter som de mutationer som omfattar större bitar av en kromosom och beskrivs ovan. under denna kritiska del av livet är därmed mer än en gen, och ibland en hel krocelldöd dock mycket allvarligare och kan resultera i mosom (se kapitlet Kromosomavvikelser). missfall eller medfödda missbildningar. Vid diagnostik av genetiskt betingade sjukdomar försöker man fastställa den sjukmutationer som uppkommer i könsceller kan gå i domsframkallande mutationen. Eftersom arv till nästa generation och kan då ge upphov till en mutationer kan omfatta allt från ett basparsärftlig konstitutionell sjukdom hos avkomman. mutationer i könsceller kan även få samma konsekvenser 1.13utbyte till en extra kopia av en hel kromosom behövs det laboratoriediagnostiska metoder 1.15 som för somatiska celler. dessutom kan celldöd som kan påvisa alla dessa typer av förändresultera i infertilitet, en vanlig biverkan vid behandling med mutagena cytostatika. ringar (bild 1.14). Det finns olika utrednings1. genetikens grunder

27


Faktaruta 1.3. Är en medfödd förändring en sjukdomsframkallande mutation? när man hittar en medfödd (konstitutionell) förändring i en sjukdomsgen hos en patient med en viss sjukdom måste man först avgöra om det är en mutation eller en normalvariant. För att avgöra detta kan man ❙❙ söka i databaser för att se om förändringen är rapporterad som en normalvariant. ❙❙ söka i databaser över tidigare beskrivna mutationer i genen. ❙❙ göra en teoretisk bedömning av om den funna förändringen skulle kunna vara en mutation. detta gör man vanligtvis genom att kontrollera om förändringen ändrar splitsning eller om skillnaden av utbytt aminosyra är så stor, jämfört med den normala aminosyran, att proteinet antas ha förändrats. detta gäller i synnerhet om förändringen ligger i en funktionell del av proteinet eller om den är evolutionärt konserverad. ❙❙ göra en segregationsanalys i familjen, dvs. fastställa om den funna förändringen återfinns hos de individer i familjen som har sjukdomen samt att friska individer inte har förändringen.

strategier för att bedöma om en detekterad genetisk förändring är sjukdomsframkallande eller utgör en normalvariant (polymorfi) (faktaruta 1.3). Sjukdomsorsakade mutationer påverkar generellt en eller flera gener, och de kan delas i in i två olika grupper: små och storskaliga mutationer.

små mutationer (intrageniska) Små mutationer kan exempelvis vara sådana som påverkar en gen genom att en eller ett fåtal kvävebaser förändrats, t.ex. en punktmutation där en enda kvävebas bytts ut mot en annan. Punktmutationer som sker inom den kodande regionen av en gen kan delas in i tre typer beroende på vad den muterade kodonen kodar för:

28

genetiska sjukdomar

❙❙ Tysta mutationer, muterad kodon kodar för samma aminosyra och är ofta inte sjukdomsframkallande. ❙❙ Missensmutationer, ger upphov till en annan aminosyra. ❙❙ Nonsensmutationer, muterad kodon kodar för ett translationsstopp vilket ger upphov till ett förkortat protein (bild 1.13). Små mutationer kan även vara insertioner eller deletioner, dvs. förändringar då en eller flera nukleotider läggs till respektive tas bort. Sådana förändringar av en gen kan orsaka en förskjutning av läsramen avseende kodon i mRNA, så att aminosyrosekvensen förändras efter insertionen/deletionen, en s.k. läsramsmutation (eng. frameshift) (bild 1.13). Vissa förändringar kan förändra splitsningen av mRNA, vilket i sin tur resulterar i ett förändrat protein. För att upptäcka de mutationer som beskrivs ovan måste man förlita sig på molekylärbiologiska tekniker med vilka man kan se skillnader på DNA på basparsnivå. DNA-sekvensering är en sådan metod där man bestämmer varje enskild bas i den region man analyserar. Genom att jämföra patientens DNA-sekvens med en normal referenssekvens kan man avgöra om patientens DNA-sekvens avviker från det normala. För många ärftliga sjukdomar vet man vilken gen som är muterad. Mutationsspektrat ser dock olika ut för olika genetiska sjukdomar. Vid vissa tillstånd vet man att samtliga individer med den aktuella sjukdomen har exakt samma mutation i den muterade genen, vid andra tillstånd har varje familj sin unika mutation i en specifik gen.

storskaliga mutationer Storskaliga mutationer, t.ex. gendosförändring, påverkar den kromosomala strukturen och därmed en eller flera gener. Avvikande kopietal av ett kromosomsegment kan uppkomma genom insertion/duplikation, och då ökar antalet genkopior av generna i regionen. Deletion av kromosomalt material förekom-


MAGNUS NORDENSKJÖLD

Genetiska sjukdomar är en översiktlig, praktiskt orienterad lärobok i klinisk genetik som ger en fördjupad förståelse av grundläggande ärftlighetsmekanismer, diagnostik och principer för handläggning av genetiskt betingade sjukdomar. Boken lägger betydande vikt vid kromosomrubbningar och monogena tillstånd för vilka genetikkunskapen är väletablerad, används i diagnostik och ofta påverkar omhändertagandet av patienterna och deras familjer. Ett av bokens huvudbudskap är att kunskap om sjukdomars genetik ger unika möjligheter för framgångsrik förebyggande sjukvård. Genetiska sjukdomar är avsedd för medicinstudenter, AT- och STläkare samt specialistsjuksköterskor. Den fungerar också utmärkt som ”verktygslåda” för yrkesverksamma läkare och sjuksköterskor som i sitt arbete möter patienter med genetiska sjukdomar.

Genetiska sjukdomar

Varje dag drabbas någon av ärftlig cancer i vårt land, och de sällsynta ärftliga sjukdomarna är så många att man i sjukvården, oavsett specialitet, regelbundet kommer i kontakt med drabbade patienter.

MAGNUS NORDENSKJÖLD

Genetiska sjukdomar

Magnus Nordenskjöld är professor i klinisk genetik vid Karolinska Institutet och överläkare vid Karolinska Universitetssjukhuset, Stockholm. Han är en av de ledande profilerna inom ämnet och en av de som utvecklat Gensvar, en informationsdatabas om genetiska sjukdomar.

Best.nr 47-09417-2 Tryck.nr 47-09417-2

4709417ot.indd 1-3

2011-07-11 13.40

Profile for Smakprov Media AB

9789147094172  

Genetiska MAGNUS NORDENSKJÖLD isbn 978-91-47-09417-2 © 2011 Författarna och Liber AB förlagsredaktör Christina Brynolfsson omslag Nette Lövg...

9789147094172  

Genetiska MAGNUS NORDENSKJÖLD isbn 978-91-47-09417-2 © 2011 Författarna och Liber AB förlagsredaktör Christina Brynolfsson omslag Nette Lövg...

Profile for smakprov