9789147148295 by Smakprov Media AB

Gen.

Genetiska sjukdomar 2:a upplagan Under redaktion av Magnus Nordenskjöld

Genetiska sjukdomar under redaktion av Magnus Nordenskjöld Liber

REPRO TRYCK

Christina Brynolfsson Kristina Iritz Hedberg Annika Sandström Nette Lövgren Design Roger Lundholm, Thinkstock och Shutterstock ord & form, Gudbrand Klæstad, Karlstad AB Typoform, Jonny Hallberg (1.11, 2.9, 8.3, 18.5, 18.6, 20.1—20.25), Integra Software Services (13.3) Exakta Print AB People Printing, Kina 2024

Första upplagan 2011 Andra upplagan 2024 1

KOPIERINGSFÖRBUD

Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen. Kopiering, utöver lärares och elevers begränsade rätt att kopiera för undervisningsbruk enligt BONUS-avtal, är förbjuden. BONUS-avtal tecknas mellan upphovsrättsorganisationer och huvudman för utbildningsanordnare, t.ex. kommuner och universitet. Intrång i upphovsmannens rättigheter enligt upphovsrättslagen kan medföra straff (böter eller fängelse), skadestånd och beslag/förstöring av olovligt framställt material. Såväl analog som digital kopiering regleras i BONUS-avtalet. Läs mer på www.bonuscopyright.se.

Liber AB, 113 98 Stockholm tel 08-690 90 00 kundservice.liber@liber.se www.liber.se

Innehåll Författare 8

Gentestning i sjukvården 74 Genetisk testning utanför sjukvården 75

Förord till första upplagan 10 Förord 11 1. Genetikens grunder 14 Celler 14 Kromosomer 15 DNA-molekyler 15 Gener 16 Cellcykeln 17 Replikation 17 Meios — bildningen av könsceller 18 Transkription 21 Transkription och reglering av genuttryck 21 Translation och den genetiska koden 23 Icke-kodande DNA 26 Genomisk prägling (imprinting) 26 X-inaktivering 27 Mutationer 27 Genomprojektet 30 2. Kromosomavvikelser 34 Den normala kromosomuppsättningen 34 Cytogenetik 35 Gendosarrayer 39 Sekvenseringsbaserad kromosomanalys 40 Kromosomavvikelser 41 3. Sjukdomar i släkten 58 Monogena sjukdomar 58 Genetiska begrepp 60 Monogen nedärvning 61 Imprintingsjukdomar 66 Mitokondriellt arv 67 Risk för anhöriga 68 Multifaktoriella sjukdomar och folksjukdomarnas genetik 71

4. Genetisk vägledning 78 Vägledning vid genetisk testning utan känd ärftlig sjukdom i familjen 80 Diagnostisk vägledning 81 Presymtomatisk vägledning 81 Genetisk vägledning vid screeningundersökning 83 Genetisk vägledning inför fosterdiagnostik 83 Genetisk vägledning vid komplext genetiskt arv 84 Den genetiska vägledningsprocessen 86 Den genetiska vägledningsmottagningen 87 Sammanfattning 89 5. Fosterdiagnostik 92 Screening 92 Invasiv fosterdiagnostik 96 Genetiska analysmetoder 97 Preimplantatorisk genetisk testning 100 Framtidsperspektiv 103 6. Syndromdiagnostik 106 Definitioner 106 Historik 107 Förekomst 108 Orsaker 108 Syndromutredning 109 Behandling, prevention och kliniska kontroller 116 7. Medfödda missbildningar 120 Utredning av barn med medfödda missbildningar 122 De nya överlevarna 123 Sammanfattning 128

8. Neurologiska utvecklingsavvikelser 132 Hjärnans utveckling 132 Intellektuell funktionsnedsättning 133 Autism — autismspektrumtillstånd 134 ADHD 134 Kromosomavvikelser 135 Monogena orsaker till IF 138 Epigenetiska mekanismer 143 Genetisk utredning vid IF och autism 144 9. Ärftliga metabola sjukdomar 148 Ureacykeldefekter 149 Betaoxidationsdefekter 154 Mitokondriella sjukdomar 155 Lysosomala inlagringssjukdomar 158 Sammanfattning 160 10. Ärftliga hjärtsjukdomar 164 Utredning av misstänkt ärftlig hjärtsjukdom 165 Kardiomyopatier (hjärtmuskelsjukdomar) 165 Elektriska hjärtsjukdomar (jonkanalsjukdomar) 171 Familjär hyperkolesterolemi (FH) 176 11. Neurogenetik 180 Dynamiska mutationer 180 Hereditära motorikstörningar 181 Ataxisjukdomar 184 Hereditära neuromuskulära sjukdomar 188 Sjukdomar som engagerar muskelfibrer 194 Andra sjukdomar som engagerar muskelfibrer 196 Neurokutana syndrom (fakomatoser) 199 12. Genetisk hörselnedsättning 206 Allmänna principer för genetisk utredning vid medfödd hörselnedsättning 207 Icke-syndromal autosomalt dominant hörselnedsättning 208 Icke-syndromal autosomalt recessiv hörselnedsättning 208

Icke-syndromal X-bunden hörselnedsättning 209 Syndromal hörselnedsättning 209 Ushers syndrom 210 CHARGE-syndrom 212 Sammanfattning 214 13. Ärftliga ögonsjukdomar 216 Genetiska tillstånd som drabbar främre segmentet 216 Genetiska tillstånd som drabbar bakre segmentet 219 Sammanfattning 225 14. Ärftliga njursjukdomar 228 Ciliopatier 228 Basalmembransjukdomar 232 Podocytsjukdomar 234 Sjukdomar i komplementsystemet 234 Tubulära sjukdomar 235 Metabola sjukdomar 235 Övriga njursjukdomar 235 15. Monogena hudsjukdomar 238 Epiteliala adhesionsdefekter 239 Keratiniseringsrubbningar 241 Ektodermal dysplasi 247 Andra neurokutana syndrom och pigmentrubbningar 251 Gendermatoser med hög risk för cancer 252 Sammanfattning 255 16. Bindvävssjukdomar 258 Marfans syndrom 258 Loeys—Dietz syndrom 262 Övriga monogena/familjära aortasjukdomar 263 Ehlers—Danlos syndrom 265 Pseudoxanthoma elasticum 268 17. Skelettdysplasier 272 Längdtillväxt, kroppsproportioner och symtom 272 Diagnostik av skelettdysplasier 274

Vanliga grupper av skelettdysplasier och patogenetiska mekanismer 275 18. Ärftlig cancer 286 Tre typer av gener som orsakar cancer 286 Ärftlighetsgång 288 Cancerprevention 290 Onkogenetisk utredning 291 Exempel på ärftliga cancerrisksyndrom 293 Genetiska varianter i cancergener som bifynd 298 Sammanfattning 298 19. Förvärvade kromosomavvikelser vid cancer 302 Patogenetisk betydelse 303 Klinisk betydelse 309 Sammanfattning 311

20 Precisionsmedicin 314 Precisionsdiagnostik vid sällsynta diagnoser 314 Precisionsdiagnostik vid cancer 317 Precisionsbehandling med celler och nukleinsyror 320 Sammanfattning 325 Ordlista 327 Register 340

Författare Anderlid, Britt-Marie, docent, överläkare, Institutionen för molekylärmedicin och kirurgi, Karolinska institutet och Klinisk genetik och genomik, Karolinska universitetssjukhuset, Stockholm. Annerén, Göran, professor em., Institutionen för immunologi, genetik och patologi, Uppsala universitet, Uppsala. Björck, Erik, docent, överläkare, Institutionen för molekylärmedicin och kirurgi, Karolinska institutet och Klinisk genetik och genomik, Karolinska universitetssjukhuset, Stockholm. Bradley, Maria, professor, överläkare, Institutionen för medicin, Karolinska institutet och Hudkliniken, Karolinska universitetssjukhuset, Stockholm. Conner, Peter, docent, överläkare, Institutionen för kvinnor och barns hälsa, Karolinska institutet och Centrum för fostermedicin, Karolinska universitetssjukhuset, Stockholm. Dunér, Fredrik, med. dr, överläkare, Njurmedicinska kliniken, Danderyds sjukhus, Stockholm. von Döbeln, Ulrika, docent, överläkare, Institutionen för medicinsk biokemi och biofysik, Avdelningen för molekylär metabolism, Karolinska institutet och Centrum för medfödda metabola sjukdomar, Karolinska universitetssjukhuset, Stockholm. Engvall, Martin, med. dr, överläkare, Centrum för medfödda metabola sjukdomar och Neurologiska kliniken, Karolinska universitetssjukhuset, Stockholm. Frykholm, Carina, med. dr, överläkare, Institutionen för immunologi, genetik och patologi, Uppsala universitet och Klinisk genetik, Akademiska sjukhuset, Uppsala. Giacobini, MaiBritt, med. dr, överläkare, Institutionen för molekylärmedicin och kirurgi, Karolinska institutet och Prima barn- och ungdomspsykiatri AB, Stockholm. Grigelioniene, Giedre, docent, överläkare, Institutionen för molekylärmedicin och kirurgi, Karolinska institutet och Klinisk genetik och genomik, Karolinska universitetssjukhuset, Stockholm. Gustavsson, Peter, med. dr, överläkare, Institutionen för molekylärmedicin och kirurgi, Karolinska institutet och Klinisk genetik och genomik, Karolinska universitetssjukhuset, Stockholm. Hagenäs, Lars, docent, Institutionen för kvinnor och barns hälsa, Karolinska institutet, Stockholm. Hammar, Björn, med. dr, överläkare, Institutionen för kliniska vetenskaper, Lunds universitet och Ögonkliniken, Skånes universitetssjukhus, Lund. Hellström Pigg, Maritta, med. dr, överläkare, Institutionen för molekylärmedicin och kirurgi, Karolinska institutet och Klinisk genetik och genomik, Karolinska universitetssjukhuset, Stockholm. Iwarsson, Erik, docent, överläkare, Institutionen för molekylärmedicin och kirurgi, Karolinska institutet och Klinisk genetik och genomik, Karolinska universitetssjukhuset, Stockholm. Jern, Christina, professor, överläkare, Institutionen för biomedicin, Sahlgrenska akademin vid Göteborgs universitet och Kliniskt genetik och genomik, Sahlgrenska universitetssjukhuset, Göteborg.

Johansson Soller, Maria, docent, överläkare, Institutionen för molekylärmedicin och kirurgi, Karolinska institutet och Klinisk genetik och genomik, Karolinska universitetssjukhuset, Stockholm. Johnson, Owe, docent, överläkare, Institutionen för folkhälsa och klinisk medicin, Umeå Universitet, Umeå. Kristoffersson, Ulf, docent, f.d. överläkare, Divisionen för klinisk genetik, Institutionen för laboratoriemedicin, Lunds universitet, Lund. Kvarnung, Malin, med. dr, överläkare, Institutionen för molekylärmedicin och kirurgi, Karolinska institutet och Klinisk genetik och genomik, Karolinska universitetssjukhuset, Stockholm. Lagerstedt Robinson, Kristina, med. dr, sjukhusgenetiker, Institutionen för molekylärmedicin och kirurgi, Karolinska institutet och Klinisk genetik och genomik, Karolinska universitetssjukhuset, Stockholm. Lindblom, Annika, professor, överläkare, Institutionen för molekylärmedicin och kirurgi, Karolinska institutet och Klinisk genetik och genomik, Karolinska universitetssjukhuset, Stockholm. Lindstrand, Anna, professor, överläkare, Institutionen för molekylär medicin och kirurgi, Karolinska institutet, och Klinisk genetik och genomik, Karolinska universitetssjukhuset, Stockholm. Malmgren, Helena, docent, sjukhusgenetiker, Institutionen för molekylärmedicin och kirurgi, Karolinska institutet och Klinisk genetik och genomik, Karolinska universitetssjukhuset, Stockholm. Manilla, Maria, med. dr, specialistläkare, Kardiologi samt Klinisk genetik och genomik, Karolinska universitetssjukhuset, Stockholm Mertens, Fredrik, professor, överläkare, Institutionen för laboratoriemedicin, Lunds universitet och VO Klinisk genetik, patologi och molekylär diagnostik, Region Skåne. Mitelman, Felix, professor, Institutionen för laboratoriemedicin, Lunds universitet. Möller, Claes, professor, överläkare, Audiologiska kliniken, Hälsoakademin, Örebro universitet, Universitetssjukhuset Örebro. Mörner, Stellan, docent, överläkare, Institutionen för folkhälsa och klinisk medicin, Umeå universitet och Centrum för kardiovaskulär genetik, Hjärtcentrum, Norrlands universitetssjukhus, Umeå Nordenskjöld, Agneta, professor i barnkirurgi, Institutionen för kvinnors och barns hälsa, Karolinska institutet, Stockholm. Nordenskjöld, Magnus, professor i klinisk genetik, Institutionen för molekylärmedicin och kirurgi, Karolinska institutet, Stockholm. Nordgren, Ann, professor, överläkare, Institutionen för molekylärmedicin och kirurgi, Karolinska institutet och Klinisk genetik och genomik, Karolinska universitetssjukhuset, Stockholm, samt Institutionen för biomedicin, Sahlgrenska akademin och Klinisk genetik och genomik, Sahlgrenska universitetssjukhuset, Göteborg. Paucar Arce, Martin, bitr. överläkare, med. dr, Institutionen för klinisk neurovetenskap, Karolinska institutet och ME Neurologi, Karolinska universitetssjukhuset, Stockholm.

Rosenquist Brandell, Richard, professor, överläkare, Institutionen för molekylär medicin och kirurgi, Karolinska institutet, och Klinisk genetik och genomik, Karolinska universitetssjukhuset, Stockholm. Smith, C.I. Edvard, professor, överläkare, Institutionen för laboratoriemedicin, Karolinska institutet, samt Immunbristenheten, Infektionskliniken, Karolinska universitetssjukhuset, Stockholm. Stattin, Eva Lena, docent, överläkare, Institutionen för immunologi, genetik och patologi, Uppsala universitet och Klinisk genetik, Akademiska sjukhuset, Uppsala. Syk Lundberg, Elisabeth, docent, överläkare, Institutionen för molekylärmedicin och kirurgi, Karolinska institutet och Klinisk genetik och genomik, Karolinska universitetssjukhuset, Stockholm. Tham, Emma, docent, överläkare, Institutionen för molekylärmedicin och kirurgi, Karolinska institutet och Klinisk genetik och genomik, Karolinska universitetssjukhuset, Stockholm. Tulinius, Már, professor, överläkare, Institutionen för kliniska vetenskaper, Sahlgrenska akademin vid Göteborgs universitet och Barnkliniken, Sahlgrenska universitetssjukhuset, Göterbog.

Tullus, Kjell, docent, consultant in paediatric nephrology, Great Ormond Street Hospital for Children, London, UK. Vahlquist, Anders, professor em., f.d. överläkare, Institutionen för medicinska vetenskaper, Uppsala universitet, Hudkliniken, Akademiska sjukhuset, Uppsala. Waldenström, Anders, professor em., f.d. överläkare, Institutionen för folkhälsa och klinisk medicin, Umeå universitet och Hjärtcentrum, Norrlands universitetssjukhus, Umeå. Wedell, Anna, professor, överläkare, Institutionen för molekylär medicin och kirurgi, Karolinska institutet och Centrum för medfödda metabola sjukdomar, Karolinska universitetssjukhuset, Stockholm. Wincent, Josephine, med. dr, specialistläkare, Institutionen för molekylärmedicin och kirurgi, Karolinska institutet och Klinisk genetik och genomik, Karolinska universitetssjukhuset, Stockholm. Zain, Rula, docent, Institutionen för laboratoriemedicin, Karolinska institutet, samt Centrum för sällsynta diagnoser, klinisk genetik och genomik, Karolinska universitetssjukhuset, Stockholm.

Förord till första upplagan Efter Charles Darwins död 1882 hittade man bland hans kvarlåtenskaper 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 det nyckelfrågan som Darwin aldrig kunde besvara på ett tillfredsställande 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 för grundläggande mekanismer, diagnostik

och handläggning vid genetiska betingade sjukdomar. Det är däremot inte en uppslagsbok om enskilda tillstånd, utan den handlar mer om att ge exempel på principer kring 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, liksom om en patient har 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 även livsstil och omgivningsfaktorer har stor påverkan. 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 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, juni 2011 Magnus Nordenskjöld

Förord Sedan den första upplagan av Genetiska sjukdomar publicerades har genetisk diagnostik blivit en allt viktigare del av sjukvården. Vid millenniumskiftet fastställde genomprojektet (Human Genome Project) sekvensen på människans 21 000 gener. Därefter har nya tekniker bidragit till att sekvensering av en persons hela arvsmassa blivit en vanlig klinisk utredning och något som vården har anpassats för. Helgenomsekvensering gör det möjligt att dels fastställa en molekylär diagnos för en stor andel av patienter med misstänkt genetisk sjukdom, dels hitta nya sjukdomsgener. Därmed kan man förklara allt fler sällsynta sjukdomars uppkomstmekanismer på molekylär nivå och erbjuda effektiva förebyggande åtgärder. Ungefär samtidigt som hela människans genom sekvenserades kom det första läkemedlet som riktade sig mot en viss genetisk skada. Denna framgång stimulerade utvecklingen av nya genterapiläkemedel. I allt fler situationer kopplas i dag molekylär diagnos till användningen av nya typer av

läkemedel som riktar sig exakt mot den genetiska skadan hos en viss patient. Dessa läkemedel har hittills haft störst betydelse inom cancerbehandling, men för närvarande pågår studier av nya genterapier för ett antal medfödda genetiska sjukdomar. Genetiska sjukdomar vänder sig till läkare, studenter och annan vårdpersonal som träffar patienter med genetiska sjukdomar och deras släktingar. Den ger en inblick i handläggningen av individer med misstänkt genetisk sjukdom och beskriver dessutom resonemangen kring utredning, tolkning av svar samt omhändertagande. Boken förmedlar referenser till databaser, som kontinuerligt uppdateras, och ger dessutom läsarna verktyg att förstå den information som de kan ta del av där. Stockholm, november 2023 Magnus Nordenskjöld magnus.nordenskjold@ki.se

1. Genetikens grunder 14 Celler 14 Kromosomer 15 DNA-molekyler 15 Gener 16 Cellcykeln 17 Replikation 17 Meios — bildningen av könsceller 18 Transkription 21 Transkription och reglering av genuttryck 21 Translation och den genetiska koden 23 Icke-kodande DNA 26 Genomisk prägling (imprinting) 26 X-inaktivering 27 Mutationer 27 Genomprojektet 30

Genetikens grunder

Genetikens grunder KRISTINA LAGERSTEDT ROBINSON, HELENA MALMGREN OCH MAGNUS NORDENSKJÖLD

Celler Uppbyggnad Det finns två grundläggande typer av organismer: prokaryota och eukaryota. Prokaryota organismer är vanligtvis encelliga, t.ex. bakterier och arkebakterier. Alla levande organismer är uppbyggda av celler. Den prokaryota cellen har en enkel uppbyggnad, och den saknar definierad cellkärna och organeller. Trots det kan den ändå utföra alla de aktiviteter som krävs för att upprätthålla liv och föröka sig. Encelliga organismer har oftast kort livslängd och är känsliga för förändringar i omgivningen, men de kan också snabbt anpassa sig till förändringar. Eukaryota organismer är ofta multicellulära. Deras olika vävnader och organ är uppbyggda av somatiska celler som skiljer sig åt vad gäller intern

BILD 1.1. Förenklad bild av en eukaryot cell i

genomskärning.

uppbyggnad, storlek och funktion. Cellerna har dessutom förmåga 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 detta 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 annat • mitokondrierna med den s.k. andningskedjan som producerar energi via oxidativ fosforylering • det endoplasmatiska nätverket (eng. endoplasmic reticulum, ER) som medverkar i syntesen och transporten av proteiner och lipider • golgiapparaten som svarar för utsöndringen av cellprodukter ut ur cellen • peroxisomer och lysosomer, dvs. små organeller som med hjälp av enzymer utför kemiska reaktioner respektive bryter ner proteiner.

Cell till cell-interaktion 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.

Genetikens grunder

Kromosomer En kromosom är den struktur i den eukaryota cellen som innehåller generna (arvsanlagen). En kromosom kan ha allt 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 könskromosomer. 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,

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

DNA-molekyler Varje kromosom innehåller en DNA-molekyl (deoxiribonukleinsyra), en trådlik molekyl som har 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

Baspar

DNA-kedja

Centromer Telomer Telomer Cell

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 DNA-molekylen som kodar för ett protein eller ett funktionellt RNA. Varje kromosom innehåller information för många hundra, upp till tusentals gener.

Kromosom Gen

Cellkärna Gen

Histoner

Genetikens grunder

deoxiribonukleotider som består av följande tre delar: • en sockermolekyl (deoxiribos) • en fosfatgrupp • en kvävebas: antingen adenin (A), cytosin (C), guanin (G), 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.

Gener I det humana genomet finns det cirka 21 000 gener. En gen är en specifik del av DNA-molekylen 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′ och 3′ härrör från numreringen

BILD 1.3. DNA-molekylen kan liknas vid en stege där

sidostolparna utgörs av deoxiribos 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 exonsekvens. 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.

Genetikens grunder

av kolatomerna i sockermolekylen (deoxiribos) 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 RNA-polymeras, vilket initierar transkriptionen (kopieringen av DNA till RNA). Det finns dessutom andra specifika sekvenser som reglerar 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 vad intronen fyller för funktion kan man än så länge bara spekulera kring. Nedströms (3′) om den transkriberade delen av genen finns termineringssekvenser som visar var transkriptionen ska avslutas [BILD 1.4].

Cellcykeln En människa utvecklas från en enda befruktad (diploid) cell till en komplex organism uppbyggd av cirka 37 × 1012 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) är det normala tillståndet för en cell liksom det tillstånd som en ickedelande cell befinner sig i. I G1-fasen innehåller den humana cellen 46 kromosomer. Varje kromosom är en DNA-dubbelhelix som tillsammans med bland annat histoner utgör en s.k. kromatid. • S (syntesfasen). Under S-fasen replikeras (kopieras) DNA-molekylen till två kopior, så att varje kromosom består av två kromatider (se avsnittet 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 G2fasen 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 av ett antal faser [BILD 1.6]. 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. DNAreplikationen 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 DNA-strängarna som mall. DNA-polymeraset rör sig längs DNA-molekylen och inkorporerar fria deoxiribonukleotider (med kvävebaserna adenin, cytosin, guanin eller tymin) till änden av den växande DNA-strängen och bildar på så sätt en komplementär sträng [BILD 1.7]. Om det är ett tymin i DNA-mallen inkorporeras ett adenin. Är det ett guanin i mallen inkorporeras cytosin osv. DNApolymeraset korrekturläser (eng. proofreading) även den nya strängen, dvs. kontrollerar att rätt kvävebas har 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 17

Genetikens grunder

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 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 DNA-innehållet halveras genom att kromatiderna separeras till olika dotterceller.

alltid är märkt med metylgrupper som sitter på vissa cytosin (5-metylcytosin). Denna metylering sker när replikationen har avslutats. Replikationshastigheten är cirka 40–50 deoxiribonukleotider per sekund, vilket innebär att replikationen skulle ta alldeles för lång tid om den star1.4 tade i ena änden av en kromosom och fortskred till den andra. DNA-replikationen initieras därför i stället på många olika ställen samtidigt (eng. origins 18

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

Genetikens grunder

Interfas

Profas

Centriol

Metafas

Anafas

Fria deoxiribonukleotider BILD 1.7. DNA-replikation. Inför cellens delning till två

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 1.3 cytoplasman att delas i två halvor, kromatinet dekondenseras och två celler med identiskt material har bildats.

blandas vid befruktningen. En förutsättning för detta är att antalet kromosomer halveras i samband med att könscellerna (ägg och spermier) bildas. Hos

dotterceller måste DNA-molekylerna dupliceras, s.k. DNA-replikation. Replikationen initieras av att DNAhelixen 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 DNA-syntesens riktning (5′—3′), densamma som för upptvinningen av replikationsgaffeln, vilket tillåter en kontinuerlig DNA-syntes. DNApolymeras rör sig längs DNA-molekylen och inkorporerar fria deoxiribonukleotider (med kvävebaserna adenin, cytosin, guanin eller tymin) till änden av den växande DNA-strängen och bildar på så sätt en komplementär sträng. Vid replikation av lagging strand ar DNAsyntesens riktning (5′—3′) den motsatta, dvs. upptvinningen av replikationsgaffeln sker i motsatt riktning. Denna sträng syntetiseras därför diskontinuerligt i kortare bitar (Okasaki-fragment) som sedan ligeras ihop med DNA-ligas för att bilda en kontinuerlig sträng.

människan har könscellerna (gameterna) 23 kromosomer (en av varje sort) som bildas genom reduktionsdelning, dvs. två på varandra följande 19

Genetikens grunder

kärndelningar, av en diploid ursprungscell. Denna celldelning kallas meios [BILD 1.8]. Vid meios 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 eller överkorsning, eng. crossing-over), vilket i mikroskopet kan ses som en chiasma [BILD 1.8]. Hos människan sker 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 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. Observera att denna bild endast visar en rekombination, men i varje meios sker det utbyte mellan båda systerkromatiderna, i genomsnitt två rekombinationer per kromatid. 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.

Genetikens grunder

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 RNA-molekyl genom att addera ribonukleotider (rNTP) som är komplementära till motsvarande deoxiribonukleotid (dNTP) 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. Skillnaden är att RNA:s sockermolekyl är ribos (inte deoxiribos) och att 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 samt har viktig funktion vid RNA-splitsning (eng. splicing) och translation. 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 RNA-molekylen, det primära mRNA-transkriptet, släpps därefter från RNA-polymeraset och DNAtemplatet. Därmed är transkriptionen avslutad [BILD 1.9]. Hos eukaryoter måste det primära RNA-transkriptet processas innan det transporteras till cytoplasman för translation. De delar av transkriptet som är icke-kodande (intronen) måste klippas bort, och de delar som är kodande (exonerna) ska föras samman och länkas ihop. Denna process kallas RNA-splitsning (eng. RNA splicing) och måste vara mycket exakt för att rätt aminosyrasekvens ska kunna bildas från mRNA. RNA-splitsning 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 intronen som har betydelse för att splitsningen ska bli korrekt. Processat (moget) mRNA transporteras sedan till cytoplasman för translation (se nedan).

Transkription och reglering av genuttryck Människans alla 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 därmed vävnadsspecifika. Ett exempel är globin-genen, 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, samt nivå av genuttryck, 21

Genetikens grunder

RNA-processande

BILD 1.9. Transkription och translation i en eukaryot cell. Transkription av gener ger ett primärt RNA-transkript

som sedan processas till ett färdigt mRNA som transporteras ut till cytoplasman. I ribosomerna sker translationen, och då används det processade mRNA som templat för syntes av aminosyrakedjor (protein).

Genetikens grunder

FAKTARUTA 1.1. Mekanismer som kontrollerar

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. Dessa mekanismer styr bland annat processande av RNA (t.ex. RNA-splitsning), transport av mRNA, translation, stabilisering av mRNA samt processande och stabilisering 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. De mest kända är metylering av DNA och histonmodifieringar (acetylering, fosforylering), vilka påverkar genuttryck. Andra exempel är skillnader i kromatinstruktur, vilka påverkar tillgängligheten för enhancers respektive silencers. • Icke-kodande RNA (miRNA) kan interagera och påverka uttryck av gener genom att kontrollera translationen.

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 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 processandet av det primära RNA-transkriptet kan olika mRNA-transkript bildas, t.ex. genom att utesluta ett eller flera exon 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. Dessa olika isoformer kan ha olika vävnadsspecificitet, biologisk funktion och egenskaper.

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. I cytoplasman binds mRNA till ribosomerna där det sedan interagerar med s.k. transfer-RNA-molekyler (tRNA), cirka 80 bp långa RNA-molekyler 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. Antikodon styr vilken aminosyra som tRNA ska koppla på i 3′-änden och binds till en komplementär sekvens i mRNA (kodon). Translationen börjar med att ribosomen binds till ett startställe för translationen i mRNA, en specifik trebassekvens som består av baserna adenin, uracil och guanin (förkortat AUG). Detta kodon kan baspara med ett 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 med en peptidbindning. Ribosomen vandrar längs mRNA i 5′- till 3′-riktning och gör så 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 ”STOP” upphör translationen. Aminosyrakedjan avslutas då och släpps ut i cytoplasman. Aminosyrakedjorna (polypeptiderna) är linjära sekvenser av olika aminosyror. Det finns 20 olika aminosyror. Aminosyrakedjorna byggs genom att mRNA-molekylen läses kodon för kodon (tre baser 23

Genetikens grunder

som 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 ett visst kodon motsvarar alltid bara en aminosyra. Den genetiska koden är översättningsnyckeln mellan ett specifikt kodon och motsvarande aminosyra (faktaruta 1.2). De tjugo aminosyrorna kan delas in i olika grupper utifrån sin 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.

Posttranslationell modifiering Proteiner är uppbyggda av en eller flera polypeptider (aminosyrakedjor) . Innan en nybildad polypeptid kan fungera som ett funktionellt protein genomgår den ytterligare processande, 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 cysteiner. 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

FAKTARUTA 1.2. Den genetiska koden.

Första basen Andra basen

UUU UUC UUA UUG

UCU UCC UCA UCG

UAU UAC

⎫ ⎬ ⎭ ⎫ ⎬ ⎭ ⎫ ⎪ ⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎭ ⎫ ⎬ ⎭

CUU Phe

CUC CUA

Leu

CUG CCU CCC

Ser

CCA CCG

Tyr

CAU CAC

UAA

STOPP

CAA

UAG

STOPP

CAG

UGU UGC

⎫ ⎬ ⎭

Cys

CGU CGC

UGA

STOPP

CGA

UGG

Trp

CGG

A ⎫ ⎪ ⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎭ ⎫ ⎪ ⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎭ ⎫ ⎬ ⎭ ⎫ ⎬ ⎭ ⎫ ⎪ ⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎭

AUU AUC Leu

⎫ ⎪ ⎬ ⎪ ⎭

AUG ACU ACC Pro

ACA ACG

His Gln

AAU AAC AAA AAG AGU AGC

Arg

* Notera att mRNA använder basen uracil (U), motsvarande tymin (T) i DNA.

AUA

AGA AGG

GUU Ile

GUA Met

⎫ ⎪ ⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎭ ⎫ ⎬ ⎭

GUC

GUG GCU GCC

Thr

GCA GCG

Asn

⎫ ⎬ ⎭

Lys

⎫ ⎬ ⎭

Ser

⎫ ⎬ ⎭

Arg

GAU GAC GAA GAG GGU GGC GGA GGG

⎫ ⎪ ⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎭

Val

⎫ ⎪ ⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎭

Ala

⎫ ⎬ ⎭

Asp

⎫ ⎬ ⎭

Glu

⎫ ⎪ ⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎭

Gly

Genetikens grunder

F BILD 1.10. Aminosyror. Kemisk struktur för de tjugo aminosyror som bygger upp proteiner. Generellt

kan de olika aminosyrorna delas upp utifrån sina kemiska egenskaper, dvs. sura, basiska, polära och icke-polära aminosyror.

Genetikens grunder

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 det specifika signaler i peptidkedjan som styr proteinernas transport till rätt adress. Oftast är denna signal en kort polypeptid (signalpeptid eller leadersekvens) som klipps bort från polypeptiden så snart sorteringen är klar.

andra närliggande arter talar för att upp emot 10 % av människans genom har en ännu okänd funktion. 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. Över hälften av genomet utgörs av olika typer av icke-kodande repetitivt DNA, dvs. samma baser eller sekvenser upprepas många gånger och samma repetitioner kan återfinnas på många olika ställen i genomet.

Icke-kodande DNA

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 kallas 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 mycket liten andel av människans gener (< 1 %), framför allt i gener som styr tillväxt. De gener och kromosomavsnitt som är präglade bär med sig ett ”imprint” från det befruktade ägget som talar om vilken allel som är maternell respektive paternell. För normal fosterutveckling krävs att den uttryckta genkopian finns närvarande och fungerar. Felaktig genomisk prägling kan leda till genetisk sjukdom (se kapitel 3 och faktaruta 3.2).

Genomisk prägling (imprinting)

Omkring 1,1 % av människans genom kodar för 20 000 olika proteiner. Andra delar av genomet kodar för olika former av funktionellt RNA (rRNA, tRNA, snoRNA, mikroRNA, siRNA, piRNA och long ncRNA) eller är intron eller regulatoriska sekvenser [BILD 1.11]. Den största delen av det humana genomet har således ingen känd funktion. Den stora andelen av genomet utan känd funktion beskrivs därför ofta som icke-kodande DNA eller ”skräpDNA”. Framtida forskning får 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. Sekvensjämförelse med Repeterade sekvenser %0

Unika sekvenser 40

100

Icke-kodande Introner sekvenser RNA-kodande och Proteinkodande regulatoriska sekvenser regioner Gener BILD 1.11. Det humana genomets innehåll. Genomet består av 50 % repetitivt DNA.

Resterande 50 % är en unik sekvens varav 1,1 % kodar för proteinkodande gener, cirka 20 % består av intron, 4 % kodar för funktionella RNA och andra regulatoriska sekvenser. Återstående sekvenser är icke-kodande.

Genetikens grunder

X-inaktivering 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 Xkromosomerna 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 det i vissa celler är den paternella X-kromosomen (Xp) som inaktiveras, medan det i andra celler är den maternella (Xm) som inaktiveras. 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 kromosomen. När en X-kromosom har inaktiverats hos en cell i ett flickfoster kommer cellens alla dotterceller att inaktivera samma X-kromosom,

BILD 1.12. X-inaktivering. Denna honkatt bär på en genvariant som kodar för röd päls. Genen är belägen på hennes ena X-kromosom. Slumpmässig X-inaktivering 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

dvs. det maternella (Xm) eller det paternella (Xp) X-et. Detta fenomen kallas klonal nedärvning och ses tydligt hos spräckliga honkatter [BILD 1.12], där den röda pälsfärgen styrs av en gen på X-kromosomen. X-inaktiveringen kommer att upplösas först under bildningen av de kvinnliga gameterna, och då raderas allt minne avseende tidigare inaktivering.

Mutationer En mutation (genetisk variant) är en förändring i arvsmassan som blir bestående och kan överföras från en cell till dess dotterceller [BILD 1.13]. Mutationer kan uppstå på många olika sätt och får olika konsekvenser beroende på hur arvsmassan förändrats. De kan uppkomma spontant i en vilande cell, antingen 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 bråkdel av de fel som uppkommer blir bestående. I somatiska celler kan mutationer leda till förändrad tillväxtreglering och därmed cancer. Mutationer kan också leda till celldöd, vilken hos vuxna individer vanligen får ringa konsekvenser såvida inte en stor andel av cellerna i ett organ drabbas, som vid behandling med cytostatika. Under fosterutvecklingen får mutationer samma effekter, men vid denna kritiska del av livet är celldöd dock mycket allvarligare och kan resultera i missfall eller medfödda missbildningar. Mutationer som uppkommer i könsceller kan gå i arv till nästa generation och kan då ge upphov till en ärftlig konstitutionell sjukdom hos avkomman. Mutationer i könsceller kan även få samma konsekvenser som för somatiska celler. Dessutom kan celldöd resultera i infertilitet, en vanlig biverkan vid behandling med mutagena cytostatika. Medfödda sjukdomsorsakande mutationer (i fortsättningen kallas de sjukdomsorsakande varianter) kan vara nedärvda eller kan ha uppkommit de novo vid bildningen av gameter hos en av föräldrarna. Dessa sjukdomsorsakande varianter finns då 27

Genetikens grunder

Konsekvenser av mutationer Kroppsceller tyst mutation celldöd cancer Fosterceller tyst mutation celldöd missfall cancer missbildning Könsceller tyst mutation celldöd infertilitet cancer ärftlig sjukdom BILD 1.13. 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; exempelvis 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, t.ex. vid behandling med mutagena läkemedel som orsakar benmärgsdepression eller när personer utsätts för höga 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 kapitel 19).

i kroppens alla celler och kan därmed nedärvas till kommande generationer (konstitutionell sjukdomsorsakande variant). Sjukdomsorsakande varianter kan även uppkomma i enstaka somatiska celler (förvärvad sjukdomsorsakande variant) och kan då till exempel leda till cancer. Det är viktigt att notera att förvärvade sjukdomsorsakande varianter är begränsade till en celltyp och att de specifikt kan påverka cellens tillväxtmönster på olika sätt (se kapitel 19). 1.13 Mutationer kan vara mycket olika och därmed förändra DNA-molekylen på olika sätt. En mutation kan vara begränsad till en enda gen. Där kan 28

ett basparsutbyte i en kritisk del av genen leda till fel i aminosyrasekvensen [BILD 1.14]. Mutationer kan även påverka genens läsram, dess splitsning eller reglering. Kunskapen om regulatoriska sjukdomsorsakande varianter är dock ännu begränsad. Andra typer av mutationer kan ge förändrat antal genkopior, en extra kopia (duplikation) eller avsaknad av kopia (deletion), vilket ofta omfattar större bitar av en kromosom och därmed mer än en gen, och ibland en hel kromosom (se kapitel 2). Vid diagnostik av genetiskt betingade sjukdomar försöker man identifiera och fastställa den sjukdomsorsakande varianten. Eftersom sjukdomsorsakande varianter kan omfatta allt från ett basparsutbyte till en extra kopia av en hel kromosom behövs det laboratoriediagnostiska metoder som kan påvisa alla dessa typer av förändringar. Det finns olika utredningsstrategier för att bedöma om en detekterad genetisk variant är sjukdomsframkallande eller utgör en normalvariant (polymorfi) (faktaruta 1.3). Sjukdomsorsakade varianter påverkar generellt en eller flera gener. Dessa kan delas i in i två olika grupper: små och storskaliga sjukdomsorsakande varianter.

Småskaliga sjukdomsorsakande varianter (intrageniska) Småskaliga sjukdomsorsakande varianter kan exempelvis vara sådana som påverkar en gen genom att en eller ett fåtal kvävebaser förändrats, t.ex. att en enda kvävebas bytts ut mot en annan. Sådana förändringar som sker inom den kodande regionen av en gen kan delas in i tre typer beroende på vad det muterade kodonet kodar för • missensvarianter, förändrat kodon som ger upphov till en annan aminosyra • nonsensvarianter, förändrat kodon kodar för ett translationsstopp vilket ger upphov till ett förkortat protein • tysta varianter, förändrat kodon som kodar för samma aminosyra och ofta inte är sjukdomsframkallande, men i ovanliga fall kan påverka exempelvis splitsning [BILD 1.14].

Genetikens grunder

Ursprunglig DNA-sekvens TGC Cys

GAT Asp

AAA Lys

TCG Ser

AAA Lys

TCG Ser

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

TAA STOPP

ATC -

Frameshift

Insertion TGG Trp

CGA Arg

BILD 1.14. Konsekvenser av mutationer på basparsnivå. När kvävebaser byts ut, deleteras eller när extra kvävebaser skjuts in i DNA-sekvensen leder det till olika förändringar på proteinnivå.

FAKTARUTA 1.3. Är en medfödd mutation en sjukdomsorsakande variant?

När en medfödd (konstitutionell) mutation hittas i en sjukdomsgen hos en patient med en viss sjukdom måste man först avgöra om det är en sjukdomsorsakande variant eller en normalvariant. Detta kan avgöras genom • en sökning i databaser för att se om varianten är vanlig i normalpopulationen • en sökning i databaser över tidigare beskrivna sjukdomsorsakande varianter i genen • en teoretisk bedömning av om den funna varianten skulle kunna vara en sjukdomsorsakande variant. Vanligtvis kontrollerar man då om varianten 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 • en segregationsanalys i familjen, dvs. genom att fastställa huruvida den upptäckta varianten 1.15 återfinns hos de familjemedlemmar som har sjukdomen och de friska familjemedlemmarna inte bär på varianten.

Småskaliga sjukdomsorsakande varianter 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 aminosyrasekvensen förändras efter insertionen/deletionen (eng. frameshift) [BILD 1.14]. Vissa förändringar kan förändra splitsningen av mRNA, vilken i sin tur resulterar i ett förändrat protein. Med DNA-sekvensering kan varje enskild bas bestämmas i den region som analyseras. 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 är det känt vilken gen som är muterad. Vid vissa tillstånd är det så att samtliga individer med den aktuella sjukdomen har exakt samma sjukdomsorsakande variant i den muterade genen, vid andra tillstånd har varje familj sin unika sjukdomsorsakande variant i en specifik gen.

Storskaliga sjukdomsorsakande varianter Storskaliga sjukdomsorsakande varianter, 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 förekommer också och leder då till förlust av genkopior inom dessa regioner. Det finns olika screeningmetoder med vilka tillskott eller förlust av mer eller mindre stora bitar genomiskt material kan detekteras. Dessa metoder mäter antalet kopior av utvalda sekvenser spridda över hela genomet (se även kapitel 2). Dagens tillgängliga sekvensmetoder kan detektera storskaliga varianter och ersätta de olika molekylärbiologiska tekniker som tidigare använts för att identifiera dessa varianter. Förändringar kan även ske genom att genetiskt material förflyttas inom och mellan kromosomer. Ett exempel är inversion, som är resultatet av att en 29

Genetikens grunder

bit av kromosomen vridit sig 180 grader inom kromosomen. Ett annat exempel är en translokation, dvs. genomiskt material har flyttats mellan två eller flera icke-homologa kromosomer. Båda dessa förändringar kan ofta detekteras med kromosomanalys (se kapitel 2 samt bild 2.22 och 2.27).

Normalvarianter/varianter utan känd klinisk betydelse Om en genetisk variant får allvarliga konsekvenser för individen, t.ex. orsakar en sjukdom, kommer den naturliga selektionen att göra att varianten förblir ovanlig i befolkningen. Det beror på att de individer som burit på denna variant i tidigare generationer generellt har fått färre avkommor än personer utan varianten. Många sjukdomsorsakande varianter kommer därför att vara ovanliga på grund av högt selektionstryck. Vissa genetiska varianter är av en sådan natur att cellens funktion inte påverkas. Varianterna kan då ha uppkommit i de delar av genomet som inte används, eller så kan de ha påverkat ett proteins struktur så lite att dess funktion inte förändrats på ett livsavgörande sätt. För dessa varianter är selektionstrycket lågt och de kan då anrikas i befolkningen så att många individer bär på samma variant. Dessa varianter kallas normalvarianter eller polymorfier. Exempel på polymorfier är blodgrupperna A, B och O. Vanliga egenskaper som har genetisk bakgrund kan också orsakas av polymorfier, t.ex. pigmentering av hår, hud eller iris. På DNAnivå är polymorfier vanliga i de delar av genomet som inte uttrycks, i repetitivt DNA samt i kodande baser som inte påverkar vilken aminosyra ett kodon kodar för.

Genomprojektet Det humana genomprojektet var ett internationellt initiativ som påbörjades 1984. Det syftade till att identifiera alla människans gener och göra informationen allmänt tillgänglig. Projektet var ett stort internationellt samarbete som inledningsvis foku30

serade på att kartlägga människans arvsmassa, för att under slutet av 1990-talet inrikta sig på att sekvensbestämma hela människans genom. Ett första utkast publicerades 2001, då uppskattningsvis 95 % av sekvensen var färdigställd. Därmed kunde nästan alla människans gener (människans DNA innehåller 3 miljarder baspar, dvs. 3 × 109 bp) indirekt identifieras. I början av år 2022 var hela genomets sekvens fastställd. I dag är människans DNA-sekvens tillgänglig för alla i publika databaser. Dessa databaser innehåller sekvensdata från mer än hundra tusen individer som härstammar från olika populationer. Därmed är det möjligt att få fram om vissa varianter är vanliga i alla populationer eller vanligt förekommande i vissa populationer (normalvariant), alternativt är mycket ovanliga. Det visar sig dock att människor är väldigt lika. Av kodande DNA-sekvens är 99,9 % densamma hos två obesläktade individer. Genomprojektet har bidragit till fortsatt genetisk forskning och informationen används dagligen över hela världen, bland annat för genetisk diagnostik av sjukdomar. Människan har cirka 21 000 gener (varav 20 000 kodar för proteiner), en förvånansvärt låg siffra och endast en bråkdel av det antal gener som genomprojektet förväntades finna innan det påbörjades. Generellt kan det vara svårt att definiera en gen, eftersom små gener kan vara svåra att hitta, vissa gener kan koda för flera olika proteiner, några gener kodar enbart för RNA och flera gener överlappar varandra i genomet. Innan genomprojektet påbörjades hade några hundra gener identifierats, samtliga på basis av en viss känd funktion. Utifrån denna funktion kunde ett protein identifieras och därefter kunde motsvarande gen identifieras. Det nya med genomprojektet var att det nu gick att hitta en gen enbart genom att identifiera DNA-sekvenser som är specifika för gener. Det blev då möjligt att förutsäga att en viss sekvens kodar för ett protein med en viss aminosyrasekvens, utan att först ha karakteriserat proteinets funktion och biologiska roll. Det finns nu ett stort antal exempel på att man har kunnat identifiera ett protein samt studera dess funktion och reg-

Genetikens grunder

lering först efter det att genen kartlagts. På samma sätt har man kunnat visa att förändringar i förutsagda proteiner leder till genetisk sjukdom. Med hjälp av genomprojektet har därmed flera tusen genetiskt betingade sjukdomar fått sin förklaring. Att kunna identifiera sjukdomsgener, dvs. att fastställa vilken gen som orsakar en viss genetiskt betingad sjukdom, var också ett av genomprojektets viktigaste syften. Denna kunskap har visat sig vara oerhört värdefull för förståelsen av sjukdomsmekanismer, liksom för att kunna etablera genetisk diagnostik och i slutänden eventuellt kunna utveckla bättre behandlingsformer. Ett annat viktigt mål med genomprojektet var att fastställa DNA-sekvensen även för andra organismer och djurarter. I dag är ett betydande antal djurarters genom sekvenserade och tillgängliga i publika databaser. Denna information kan bland annat användas för att jämföra genom och gener över artgränser, vilket ger information om vilka regioner som kan vara viktiga för regleringen av en gen. Jämförelser kan även ange släktskap och hjäl-

pa till när s.k. fylogenetiska träd ska konstrueras. Dessa fastställer hur olika arter har utvecklats genom evolutionen. Ett exempel på praktisk användning av kunskapen om olika arters DNA-sekvens är att det nu är möjligt att fastställa vilka sekvenser i DNA som är evolutionärt konserverade. Om en del av en gen har exakt samma DNA-sekvens i jäst, flugor, fiskar, möss och människor kan man anta att just denna sekvens är viktig och att förändringar i bassekvensen kan få allvarliga konsekvenser. Denna typ av information kan också användas i bedömningen av huruvida en viss genetisk förändring i en gen hos en patient är sjukdomsframkallande eller utgör en normalvariant (polymorfi).

LITTERATUR

Alberts, B. (2022). Molecular biology of the cell. 7 uppl. Norton & Company. Strachan, T. & Read, A.P. (2019). Human molecular genetics. 5 uppl. CRC Press.

Inom området genetik fortgår kunskapsexplosionen med oförminskad styrka. Alla människans 21 000 gener är numera identifierade, och tack vare nya högeffektiva tekniker är sekvensering av en patients hela arvsmassa numera klinisk vardag. Precisa genetiska analyser är en förutsättning för behandling med de nya precisionsläkemedel som riktar sig mot den genetiska skada som orsakar en viss patients sjukdom. Det ställer krav på att allt fler inom vården ska kunna utreda, tolka och förmedla genetisk information till och besvara frågor från patienter och anhöriga. Genetiska sjukdomar är en översiktlig och praktiskt orienterad lärobok i klinisk genetik. Den beskriver ärftliga tillstånd i viktiga sjukdomsgrupper, ger fördjupad förståelse för grundläggande ärftlighetsmekanismer, diagnostik och principer för handläggning av patienter med genetiskt betingade sjukdomar. Läsaren får också hjälp med att upptäcka och förstå informationen i specialiserade databaser. Denna andra upplaga har genomgående uppdaterats samt utökats med ett kapitel i precisionsmedicin. Detta ger en inblick i precisionsdiagnostik och hur genterapiläkemedel fungerar. Genetiska sjukdomar vänder sig främst till studenter på läkarprogrammet. Den fungerar också som en ”verktygslåda” för yrkesverksamma läkare, sjuksköterskor och annan vårdpersonal som i sitt arbete möter patienter med genetiska sjukdomar och deras anhöriga. Magnus Nordenskjöld är professor i klinisk genetik och har i många år varit överläkare vid Karolinska universitetssjukhuset i Stockholm. Övriga författare tillhör Sveriges ledande expertis i klinisk genetik och ärftliga sjukdomar.

Best.nr 47-14829-5 Tryck.nr 47-14829-5