uit dna-studies blijkt dat mensen voor 99,9 procent genetisch identiek zijn en dat slechts 0,1 procent variatie in het genoom ervoor zorgt dat iedere individu uniek is. kleine genetische variaties spelen een verrassend belangrijke rol: ze bepalen niet alleen ons uiterlijk maar ook onze aanleg om bepaalde ziektes te ontwikkelen. de systematische identificatie van die variaties kan een belangrijke bijdrage leveren om complexe ziektes te onderzoeken.
Kleine DNA-veranderingen, grote effecten
DNA (of desoxyribonucleïnezuur) is de belangrijkste chemische drager van erfelijke informatie in levende organismen. Een DNA-molecule is opgebouwd uit vier verschillende basenparen: adenine (A), thymine (T), guanine (G) en cytosine (C). De volgorde waarin ze in een streng voorkomen wordt de genoomsequentie genoemd. De genoomsequentie van de mens bevat maar liefst 3 miljard basenparen en is georganiseerd in 23 verschillende strengen of chromosomen. Het bepalen van de precieze volgorde waarin deze basenparen voorkomen wordt DNA-sequencen genoemd. Het sequencen van een volledig humaan genoom bleek een enorme uitdaging. Na jaren intensief onderzoek en technologische ontwikkeling slaagde men er in 2003 in om de volledige sequentie van één menselijk genoom in kaart te brengen. Sindsdien is de technologie exponentieel geëvolueerd en duurt het nog maar enkele dagen om het volledige genoom van een individu op te tekenen. In de nabije toekomst zal men een menselijk genoom op enkele uren tijd kunnen bepalen, voor minder dan 1000 dollar.
Kleine varianten zoals SNP’s kunnen een belangrijke rol spelen in de ontwikkeling van complexe ziektes
De systematische identificatie van SNP’s in ieder individu is wetenschappelijk bijzonder interessant omdat deze kleine varianten een belangrijke rol kunnen spelen in de ontwikkeling van complexe of polygene ziektes. Monogene ziektes worden veelal veroorzaakt door een afwijking in één bepaald gen, waarbij een gen een bepaalde regio in het DNA is dat de informatie voor de productie van een specifiek eiwit bevat. Een mutatie in dat ene gen leidt dan tot de ziekte. Complexe of polygene aandoeningen worden echter veroorzaakt door heel wat meer genetische variaties in verschillende genen – 10, 20, soms wel 30 of 40. Het is vaak zo dat elke variant op zichzelf onschadelijk is, maar dat net de interactie van specifieke varianten met elkaar en met de omgeving ervoor zorgt dat de persoon effectief de ziekte ontwikkelt of alleszins een hoog risico op de ziekte heeft. Een typisch voorbeeld van een dergelijke omgevingsfactor is blootstelling aan sigarettenrook. Eén SNP leidt op zich dus niet tot de ziekte maar kan wel bijdragen tot een verhoogde vatbaarheid. Zo’n SNP wordt een ‘susceptibiliteitslocus’ genoemd.
De technologie om deze kleine variaties in een menselijk genoom te detecteren werd slechts recent ontwikkeld, maar laat ons intussen toe om genetische studies op zeer grote schaal uit te voeren. Zo werd een aantal microchips ontwikkeld waarmee het mogelijk is om meer dan 1 miljoen SNP’s in het DNA van één enkel individu te bepalen, in slechts tien minuten tijd. Belangrijk is ook dat de onderzochte SNP’s niet lukraak gekozen werden, maar zorgvuldig geselecteerd op frequentie. Iedere SNP gelegen op de microchip komt frequent voor in de bevolking (tussen 5 % en 50 %) en alle SNP’s zijn min of meer gelijkmatig over het gehele genoom verspreid. Die microchips worden onder andere gebruikt om de genetische bijdrage van SNP’s aan complexe ziekten te onderzoeken. De studies hebben gewoonlijk een ‘case control’-ontwerp, waarbij de ‘cases’ bestaan uit een groep niet-verwante patiënten met een bepaalde ziekte. De gezonde ‘controles’ worden geselecteerd uit de algemene populatie, waarbij erop wordt toegezien dat ze zijn blootgesteld aan gelijkaardige omgevingsfactoren als de cases. Vervolgens wordt het genoom van duizenden patiënten en controle-individuen gescand om genetische varianten te identificeren die vaker voorkomen in de patiënten, en dus het risico op een bepaalde ziekte verhogen. Door deze nieuwe techniek, die ‘genoomwijde associatiestudie’ genoemd wordt, zijn onze inzichten voor de meeste complexe aandoeningen enorm geëvolueerd. Die aandoeningen omvatten een aantal van de meest voorkomende ziektes. Zo worden de meeste vormen van borstkanker, hart- en vaatziekten, diabetes, reumatoïde artritis, de ziekte van Alzheimer, de ziekte van Crohn en tot slot bijna alle vormen van kanker als complexe aandoeningen beschouwd.
Intussen zijn er meer dan 85 regio’s geïdentificeerd die het risico op bepaalde kankertypes verhogen. Veel van deze SNP’s zijn alleen met een bepaald soort kanker geassocieerd, of zelfs specifiek met een bepaald subtype. Zo is de susceptibiliteitslocus voor longkanker op chromosoom 5 (regio 5p15.33) bijvoorbeeld alleen met het subtype adenocarcinoom geassocieerd. Anderzijds verhoogt deze SNP ook de vatbaarheid voor andere kankers, waaronder huid-, long-, blaas-, prostaat- en baarmoederhalskanker. Het belangrijkste gen in deze regio is het TERT-gen (telomerase reverse transcriptase), dat het telomerase-enzym produceert. Dit enzym bewaart de integriteit van de chromosoomuiteinden of telomeren en beschermt zo de cel tegen de chromosomale instabiliteit die het ontstaan van kanker bevordert. Momenteel is de invloed van de SNP’s in het TERT-gen nog onbekend, maar het is nu al duidelijk dat het bestuderen van deze regio zal leiden tot een beter inzicht in de ontstaansmechanismen van kanker. Een andere susceptibiliteitsregio voor tal van kankers is gelokaliseerd op chromosoom 8 (8q24). Deze regio bevat geen gekende genen, maar zou mogelijk over een lange afstand de activiteit van het MYC-kankergen kunnen beïnvloeden.
Een belangrijk inzicht uit genoomwijde associatiestudies is de onverwachte genetische verwantschap tussen kanker en andere complexe ziekten
Een verder belangrijk inzicht uit genoomwijde associatiestudies is de onverwachte genetische verwantschap tussen kanker en andere complexe ziekten. Zo veroorzaakt een variant in het HNF1B-gen (hepatocytenuclear factor 1 homeobox B) een verhoogd risico op prostaatkanker, maar ook een verlaagd risico op type 2-diabetes. Dit bevestigt de gekende klinische observaties van de inverse relatie tussen beide ziekten. Een gelijkaardig voorbeeld zijn de SNP’s in het tumorsupressorgen CDKN2A, die zowel geassocieerd zijn met hartinfarcten als met een bepaald type melanomen. Deze opmerkelijke ontdekkingen benadrukken de veelzijdige impact die specifieke genetische varianten kunnen hebben op onze gezondheid.
Naast de genetische basis bepaalt ook de omgeving waarin een persoon leeft in sterke mate zijn risico op kanker of andere ziektes. Belangrijke omgevingsfactoren zijn ondermeer eet-, drink- en rookgedrag. Elk van die factoren kan het risico op een bepaalde aandoening vergroten of verkleinen. Het bekendste voorbeeld hiervan is longkanker: 85 % tot 90 % van de longkankers wordt immers veroorzaakt door overmatige blootstelling aan sigarettenrook. Anderzijds is het ook zo dat slechts 20 % van alle rokers ook longkanker ontwikkelen. Er zijn alsmaar meer aanwijzingen dat genetische factoren in belangrijke mate bepalen welke rokers uiteindelijk longkanker ontwikkelen. Belangrijk is dat deze genetische factoren bij niet-rokers een verwaarloosbaar effect op de vatbaarheid voor de ziekte hebben, en dat zij dus een interactie met een specifieke omgevingsfactor veronderstellen. Een ander voorbeeld is dat het risico op huidkanker blijkt af te hangen van het erfelijk bepaalde huidtype én de mate van blootstelling aan ultraviolette straling. De diversiteit in huidtypes in de populatie zou grotendeels toe te schrijven zijn aan variatie in het MC1R-gen (melanocortine-1-receptor). In de klinische praktijk is er een duidelijke relatie tussen het huidtype van een persoon en zijn risico op huidkanker, met het hoogste risico voor mensen met een bleke huid en blond of rossig haar. Merkwaardig genoeg werd dit verband ook aangetoond in enkele grote genoomwijde associatiestudies, die een duidelijke associatie aantoonden tussen variatie in het MC1R-gen en het risico op huidkanker. Die bevindingen werden bevestigd in verschillende populaties met sterke variaties in blootstelling aan de zon (onder andere in een Duitse en een Spaanse populatie). Bepaalde genetische varianten in het MRC1-gen maken bepaalde personen dus gevoeliger voor ultraviolette stralen, maar toch zullen zij enkel kanker ontwikkelen als ze in grote mate worden blootgesteld aan uv-stralen.
Een intrigerende vraag is of deze SNP’s ook zouden kunnen helpen om de ontwikkeling van ziektes te verhinderen. De meeste SNP’s blijken op zich een relatief kleine invloed op de vatbaarheid voor ziektes te hebben. Dit wordt geïllustreerd door hun beperkte ‘odds ratio’ (OR), die aangeeft in welke mate een SNP het risico op een bepaald soort kanker verhoogt. Van de 17 SNP’s die momenteel geassocieerd zijn met borstkanker, bedraagt de hoogste OR slechts 1,26. Dit betekent dat dragers van een bepaalde risicovariant 26 % meer kans hebben om borstkanker te ontwikkelen in vergelijking met vrouwen die deze variant niet dragen. Hoewel het individuele effect van een SNP dus eerder beperkt is, zou een gecombineerde risicoscore toch klinisch relevant kunnen zijn. Recent onderzoek heeft immers aangetoond dat vrouwen die drager zijn van 7 geïdentificeerde risicovarianten, tot 23 % kans hebben op het ontwikkelen van borstkanker tijdens hun leven, in vergelijking met slechts 4,2 % bij vrouwen die geen van deze risicovarianten dragen. Het gemiddelde risico om tijdens het leven borstkanker te ontwikkelen bedraagt 11 %. Hoe meer risicovarianten, hoe hoger het risico op borstkanker, wat maakt dat de som van de risicovarianten waardevol kan zijn voor zowel risicovoorspelling als ziektepreventie.
Vrouwen die op basis van SNP-typering weten dat ze een sterk verhoogd risico lopen op borstkanker, zouden bijvoorbeeld op vroegere leeftijd en frequenter gescreend kunnen worden in de nationale screeningprogramma’s. Wie meer aanleg heeft voor hart- en vaatziekten, zou meer aandacht kunnen besteden aan een gezond eet- en leefgedrag. Dit alles zou de preventieve gezondheidszorg dus een stuk vooruit kunnen helpen. Anderzijds moeten we vermijden dat men die informatie, als ze ooit beschikbaar wordt, verkeerd gaat interpreteren. Zo zouden personen met weinig genetische aanleg om longkanker te ontwikkelen kunnen beslissen om toch maar niet te stoppen met roken, vanuit de veronderstelling dat het voor hen toch geen kwaad kan. Dat zou een verkeerde houding zijn, want de component ‘omgeving’ is en blijft immers erg belangrijk in de ontwikkeling van complexe ziektes en mag niet worden onderschat. Voorts is de informatie die we uit SNP’s halen ook niet zwart-wit. In het geval van de roker zou de SNP het risico alleen verlagen, niet uitsluiten. Het gebruik van genetische informatie in diagnostiek en behandeling is bijgevolg een erg moeilijk debat. Bovendien is er het financiële plaatje: het is immers niet zeker of de opsporing van genetische informatie van iedere burger ooit kostefficiënt wordt voor de gezondheidszorg en de ziektepreventie.
Het onderzoek naar SNP’s kan ook de gepersonaliseerde geneeskunde vooruit helpen
Het onderzoek naar SNP’s kan ook de gepersonaliseerde geneeskunde vooruit helpen. Tussen verschillende patiënten bestaan er immers verschillen in de efficiëntie van een behandeling en in het optreden van complicaties ten gevolge van die behandeling. Farmacogenetica probeert deze klinische variabiliteit te koppelen aan het unieke genetische profiel van elke patiënt. Op deze manier kan men op basis van het genetische profiel achterhalen bij welke patiënt een bepaalde therapie succesvol is, of bij welke patiënt nevenwerkingen zullen optreden. Hoewel dit domein binnen de genetische diagnostiek nog jong is, neemt het aantal studies dat de invloed van genetische variatie op therapierespons onderzoekt toe. Warfarine (Marcoumar) bijvoorbeeld is een krachtig geneesmiddel dat zeer frequent gebruikt wordt in de preventie van hart- en vaatziekten. Het is echter moeilijk te gebruiken in de klinische praktijk omdat de dosering erg verschilt van persoon tot persoon, en zowel over- als onderdosering nefaste gevolgen kan hebben. Voorlopig wordt de onderhoudsdosis bepaald op basis van trial-and-error, met vaak levensbedreigende verwikkelingen tot gevolg, gaande van klontervorming tot hevige bloedingen.
Genoomwijde associatiestudies hebben recent een verband aangetoond tussen de respons op een bepaalde dosis Warfarine en frequent voorkomende varianten in twee genen, het CYP2C9-gen (cytochroom P450 2C9) en VKORC1-gen (vitamine K epoxide reductase complex subeenheid 1). Vanuit biologisch standpunt zijn beide associaties plausibel, aangezien beide genen gelinkt zijn aan de verwerking van Warfarine in de cel: CYP2C9 staat in voor de verwerking van Warfarine, terwijl het enzymproduct van VKORC1 instaat voor de vorming van geactiveerd vitamine K, wat op zijn beurt gedeactiveerd wordt door Warfarine. Samen zouden CYP2C9 en VKORC1 ongeveer 30 % tot 40% van de totale variatie in gevoeligheid voor Warfarine verklaren. Het bepalen van de aanwezigheid van die variaties bij patiënten zou dus het op punt stellen van de dosis aanzienlijk kunnen versnellen en het aantal levensbedreigende verwikkelingen verminderen. Het klinische nut van screening naar de aanwezigheid van CYP2C9 en VKORC1 genotypes werd al in enkele studies bevestigd. Zo werd in een grote studie aangetoond dat men het aantal zware complicaties in de eerste zes maanden na het begin van de therapie significant kan verminderen door het opsporen van zowel klinische risicofactoren (zoals leeftijd, gewicht, dieet en andere medicatie) als genetische risicofactoren (zoals CYP2C9 en VKORC1-varianten). Die informatie vertaalde zich reeds in een aanbeveling van de Food and Drug Administration (FDA) om bij het opstarten van Warfarine rekening te houden met het unieke genetische profiel van elke patiënt. Ook bij geneesmiddelen voor de behandeling van bijvoorbeeld de ziekte van Crohn, hiv en borstkanker is de invloed van genetische variatie op het effect van de behandeling beschreven. Grote prospectieve studies zullen moeten aantonen of men in de toekomst voor elke patiënt afzonderlijk de therapierespons en het risico op nevenwerkingen zal kunnen voorspellen.
Hoewel genoomwijde associatiestudies belangrijke informatie onthuld hebben over het ontstaan van complexe ziektes, zijn er nog heel wat genetische factoren ongekend. Dit zou kunnen te maken hebben met het feit dat de SNP’s die in dergelijke studies gebruikt worden, specifiek geselecteerd zijn op hun frequentie in de algemene populatie. Daarom verwacht men dat SNP’s die veel minder frequent voorkomen (minder dan 5 %) een groot deel van de ontbrekende genetische puzzel verder kunnen invullen. Daarnaast groeit ook de overtuiging dat andere genetische mechanismen aan de basis kunnen liggen van deze complexe aandoeningen, zoals methylatie van bepaalde basenparen. Dit is een chemische verandering die cellen op hun DNA kunnen aanbrengen om de activiteit van genen te regelen. Het veranderen van deze genactiviteit zou dus ook een rol kunnen spelen bij het ontwikkelen van ziektes. Intussen werd de technologie om SNP’s te bepalen al aangepast, zodat het nu ook mogelijk is om zowel zeldzame basenparen als de methylatiestatus van basenparen op een genoomwijde manier in kaart te brengen. De eerste grootschalige studies die het effect van deze factoren voor complexe aandoeningen in kaart brengen zijn lopende. Verwacht wordt dat zij ons vernieuwende inzichten zullen opleveren die ons weer een stap dichter zullen brengen bij het begrijpen van de genetische basis van complexe aandoeningen.
Elke individu is uniek wat betreft zijn aanleg voor ziekte, maar ook wat betreft het verloop van deze ziekte en de respons op de opgestarte behandeling. Voorlopig is de klinische impact van de nieuw ontdekte genetische varianten nog beperkt. Het effect van de risicovarianten op de vatbaarheid voor een ziekte is klein, hun interactie met andere (nog grotendeels ongekende) genetische factoren én de omgeving is complex. Voor de meeste varianten kunnen we alleen maar speculeren hoe ze de vatbaarheid voor een bepaalde ziekte verhogen. Met de komst van nieuwe technologieën wordt echter verwacht dat die obstakels overwonnen zullen worden, en dat de bruikbaarheid van genetisch onderzoek in de klinische praktijk zal toenemen. Een toekomst met een gepersonaliseerde aanpak van complexe aandoeningen en preventie lijkt dus stilaan dichterbij te komen. Of hoe de genetische revolutie ons dagelijks leven ongetwijfeld zal beïnvloeden.
Teri A. Manolio, ‘Genomewide Association Studies and Assessment of the Risk of Disease’, in: The New England Journal of Medicine, 2010, 363, 166-176.
Diether Lambrechts is als geneticus verbonden aan de VIB Vesalius Research Center en de KU Leuven.
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Unported License