Erfelijkheidsleer les 7: Mitochondriale aandoeningen ‘Genetica & kanker’

Mitochondriale aandoeningen

Erfelijk materiaal zit niet alleen in de celkern, maar ook in de mitochondriën.

Mitochondrieën zitten in het cytoplasma van de cel en worden beschouwd als overblijfsels van bacteriën die vroeger in symbiose leefden met de menselijke cel.

De mitochondriën worden beschouwd als de energiecentrales van de cel.

Aantal mitochondriën per humane cel is zeer variabel en varieert van een paar honderd tot ongeveer 100.000 in een volgroeide cel.

(een terminaal gedifferentieerde cel = een cel die niet meer in staat is verder te delen bv. zenuwcellen & neuronen)

De reden dat een eicel zoveel mitochondriën heeft is dat de eicel versmelt met de zaadcel. De zaadcel heeft op zich niet zoveel mitochondrieën, maar die versmelting moet na verloop van tijd wel leiden tot héél véél cellen (=> een volgroeid lichaam!).

Mitochondriaal DNA

De volledige sequentie van het mitochondriaal DNA werd bepaald in 1981 Het is een circulair dubbelstrengige structuur Het bevindt zich in de mitochondriën Dit genoom is ongeveer 16,5 kb (of 16.500 nucleotiden) groot Én dit genoom bevat slechts 37 genen:

(37 genen is héél weinig, het nucleair genoom: ~ 20.000 genen)

- 2 genen die coderen voor rRNA- 22 genen die coderen voor tRNA- 13 eiwitten (eiwitten zijn onderdeel van enzymen en zijn bel. i.d. oxidatieve

fosforylatie (= celademhaling))

De oxidatieve fosforylatie = een stofwisselingsreactie die bestaat uit verschillende enzymcomplexen en zorgt voor de energieproductie van de cel, uitgaande van suikers en zuurstof.

belangrijkste mechanisme van energieproductie i.d. cel speelt een rol in geprogrammeerde celdood (= apoptose)

De meeste cellen bevatten meer dan 1000 mtDNA moleculen verdeeld over honderden mitochondriën 1 mitochondrie bevat dus meerdere mitochondriale DNA-molecules.

1 cel ⬇︎honderden mitochondrieën ⬇︎1000 mtDNA-moleculen

(=> 1 mitochondrie bevat dus meerdere mitochondriale DNAs)

Het mtDNA genoom heeft een hogere mutatiefrequentie dan het nucleair genoom (10-voud!!) én een verschillende genetische code.

Het mitochondriale DNA (=mtDNA) heeft 3 bijzondere eigenschappen: replicatieve segregatie hetero-en homoplasmie volledig afkomstig van de moeder

1. Replicatieve segregatie

Bij iedere celdeling (= mitose) gaan de multipele kopieën van het mtDNA repliceren, die dan willekeurig verdeeld worden over de verschillende mitochondriën, welke zich daarna willekeurig gaan verdelen over de verschillende dochtercellen.

2. Hetero-en homoplasmie

Heteroplasmie = men heeft in een cel een mengeling van normaal en mutantemtDNAs.

Homoplasmie = wanneer alle mitochondriën in een cel dezelfde mtDNA moleculebevatten. Dit kan mutant mtDNA zijn, maar ook normaal mtDNA of wild typemtDNA.

3. Volledig afkomstig van de moeder

Reden? de eicel brengt het cytoplasma aan en dus ook de mitochondriën. Het cytoplasma van de spermacel gaat bijna volledig verloren bij de bevruchting.Aldus erven alle kinderen van een vrouw met een mutatie in het mtDNA demutatie. Een man met een mutatie in het mtDNA zal deze niet doorgeven aan zijnkinderen (=> maternele overerving!!).

Wanneer er defecten aanwezig zijn in het mtDNA zijn vooral die organen getroffen die een grote energiebehoefte hebben zoals:

Hersenen Dwarsgestreepte spieren Ogen (netvlies) Oren (binnenoor) Nieren Harstpier

Mitochondriale overerving is gekenmerkt door

onvolledige pentrantie variabele expressie pleiotropie (~weefseldistributie).

Illustratie van de variabele expressie

de fenotypische expressie van een mutatie in mtDNA is afhankelijk van de proportie normaal en mutant mtDNA in de cellen van de verschillende weefsels

MOMENTEEL: meer dan 40 verschillende types mitochondriale aandoeningen bekend. ofwel 1 enkel orgaan betrokken ofwel meerdere lichaamssystemen betrokken

Mitochondriale aandoeningen zijn vrij moeilijk te identificeren, vanwege hun variabele expressie (gaande van vrij milde tot zeer ernstige aantasting).

Symptomen:- kunnen aanwezig zijn van bij de geboorte

OF- plots optreden op volwassen leeftijd

Incidentie: 1/5000 levend geborenen

Mitochondriale aandoeningen zijn zeer moeilijk OF zelfs niet te behandelen.

Er kunnen 3 types defecten/mutaties optreden in het mitochondriaal DNA:

deleties of duplicaties missense mutaties in genen die coderen voor eiwitten van de oxidatieve

fosforylatie (genen die coderen voor ademhaling) mutaties in tRNA of rRNA-genen

1. Mitochondriale deleties/duplicaties

Meestal sporadisch Zelden overgeërfd (slechts in 5% maternele transmissie) De belangrijkste: ‘Kearns-Sayre syndroom’ & ‘Pearson syndroom’

5 kb deletie grotere deletie

Kearns-Sayre syndroom:

Kenmerken:- progressieve myopathie (= spierzwakte)- progressieve oftalmoplegie (= verzwakking van oogspieren)- cardiomyopathie (= hartspierzwakte)- ataxie (= onregelmatige en onhandige beweging van romp en ledematen)- suikerziekte (= diabetes)

Dit syndroom is het gevolg van een 5kb deletie.

Patiënten hebben zowel mutant als wildtype mtDNA (=> heteroplasmisch).

Pearson syndroom:

Kenmerken:- onvoldoende werking v.d. pancreas/alvleesklier- tekort aan alle soorten witte bloedcellen (= pancytopenie) vermoeidheid- melkzuuropstapeling (= lactaat acidose) in het bloed

Patiënten sterven vaak reeds op kinderleeftijd, INDIEN ze overleven ontwikkelen ze vaak op de leeftijd van 20 jaar het Kearns-Sayre syndroom.

Patiënten hebben zowel mutant als wildtype mtDNA (=> heteroplasmisch).

2. Missense mutaties in genen die coderen voor eiwitten van de oxidatieve fosforylatie

Het meest bekende is ‘LHON’ = ‘Leber Hereditary optic neuropathie’

Kenmerken LHON:- acuut gezichtsverlies op volwassen leeftijd (20 à 30 jaar)

Incidentie: 12/100.000 individuen

Het overgrote deel v.d. mutaties betreft de zogenaamde ‘hotspot mutaties’ (3).

(hotspot mutaties = mutaties die je in meerdere mensen tegenkomt)

De meerderheid van de patiënten heeft enkel mutant mtDNA en is dus homoplasmisch.

Algemeen: meer mannen dan vrouwen aangetast.

De ziekte wordt gekenmerkt door onvolledige penetrantie. in een familie zijn ongeveer 50% van de mannen aangetast & 10% van de

vrouwen.

3. Puntmutaties in tRNA of rRNA

De meest bekende:- MELAS- MERFF- Een speciale vorm van doofheid

MELAS:

= myopathie, encefalopathie, lactaat acidose, stroke-like episodes.

Deze patiënten hebben een mutatie in het tRNA gen dat codeert voor leucine.

Er is een hotspotmutatie.

Patiënten hebben meestal zowel mutant als wildtype mtDNA (=heteroplasmisch).

Mutaties worden vooral door maternele transmissie overgeërfd.

Variabele expressie! mutatie in 10-30% v.d. witte bloedcellen => type 2 suikerziekte al dan niet metdoofheid mutatie in >70% mtDNA => MELAS

MERFF:

= myoclone epilepsie met ragged red fibers, myopathie, ataxie, doofheid,dementie.

Deze patiënten hebben een mutatie in het tRNA gen dat codeert voor lysine.

Hotspotmutatie!

Ragged red fibers = geclusterde mitochondrieën tussen spiervezels die kunnenaangekleurd zijn met een rode kleurstof.

Patiënten hebben meestal zowel mutant als wildtype mtDNA (=heteroplasmisch).

Mutaties worden vooral door maternele tranmissie overgeërfd.

Een speciale vorm v. doofheid: ‘Progressieve sensorineuraal, niet-syndromischsensorineurale doofheid’

Oorzaak: mutatie in het ‘12sRNA gen’.

Patiënten hebben enkel mutante mtDNA moleculen ( = homoplasmisch).

Mutaties worden vooral door maternele transmissie overgeërfd.

Mitochondriale overerving:

Vertikale transmissie Zowel mannen als vrouwen aangetast Geen man op kind transmissie Aandoening wordt alleen in vrouwelijke lijn doorgegeven

Want mannen geven het niet door!

Voorbeeld van mitochondriale overerving:

De gekleurde mensen zijn aangetast.(maternele transmissie!! Enkel via vrouwen!!)

Mitochondriaal DNA wordt veel gebruikt voor onderzoek.Zie 11 september, slachtoffers identificeren.

Behandeling zeer moeilijk!Wat is het?De kern van een eicel inplanten in andere eicel en laten bevruchten door zaadcel 3 parents, 1 baby enkel gedaan bij apen tot nog toe.

http://www.youtube.com/watch?v=GcubrH6HRnk

Genetica & kanker

o ¼ mensen ontwikkelt ooit kanker => belangrijk gezondheidsprobleemo I.d. meerderheid v.d. gevallen ontstaat die kanker na een leeftijd van 60 jaaro Na ongevallen, is kanker de belangrijkste doodsoorzaak bij kinderen (leukemie)o Veroudering bevolking => verdere toename v.h. aantal mensen die kanker krijgeno Psychologen: belangrijke rol! => diagnose, behandeling, herval, palliatief

Kanker = niet 1 enkele ziekte, maar een benaming van meerdere vormen van maligne (kwaadaardige) neoplasie.

Neoplasie = een proces gekenmerkt door ongecontroleerde proliferatie (voortplanting, woekering) van cellen met het ontstaan van een maligne tumor.

Wanneer is een tumor maligne(= kwaadaardig)? wanneer de celgroei ongecontroleerd verloopt met invasie van omliggende weefsels en uitzaaiing naar meer op afstand gelegen weefsels (= metastasering = uitzaaiingen).

Een massa die niet metastaseert (= uitgezaaid is), is vaak niet cancerogeen en is dus benigne of goedaardig.

Hersentumoren zijn meestal NIET kwaadaardig, maar moeilijk vanwege de plaats.

3 grote subgroepen van kanker:

- sarcomen: tumor uitgaande van mesenchymaal weefsel (bot, spier, bindweefsel)

- carcinomen: tumoren uitgaande van epitheliaal weefsel (darm, bronchi, borstklier)

- hematopoietische en lymfatische maligniteiten (leukemie & lymfomen)

kankers worden meestal genoemd naar het orgaan waar ze ontstaan

Classificatie van kanker (volgens celtype): vaste tumoren: carcinomen, sarcomen, .. bloedkankers: leukemieën, lymfomen, ..

(= vloeibare vormen van kankers)

Classificatie van kanker (volgens orgaantype): borstkanker huidkanker: melanoom botkanker: osteasarcoom, Ewing sarcoom testis: seminoom …

Ontstaan van kanker:

De mens is een multicellulair organisme (10 tot de 14de cellen) ontstaan uit 1 bevruchte eicel door gecontroleerde celdeling, celdifferentiatie en apoptose (= geprogrammeerde celdood).

- De meeste cellen => terminale differentiatie (bv. hersenen & spieren)- MAAR bep. cellen behouden levenslang de capaciteit tot delen (bv. beenmerg, darmepitheel, wondheling)

De processen van celdeling & celdood worden gereguleerd door meerdere genetische mechanismen.Mutaties in dié genen die instaan voor controle en celproliferatie, celdifferentiatie en celdood zijn verantwoordelijk voor het ontstaan van kanker.

Kanker is een ‘meerstapsproces’ waarbij meerdere genen betrokken zijn:

Hyperplasie: weefsel ziet er normaal uit, maar groeit sneller Dysplasie: weefsel vertoont afwijkingen in vorm en orïentatie In situ kanker: aanwezigheid van maligne cellen die nog niet binnengedrongen

zijn i.d. omliggende weefselstructuren Invasieve kanker: invasie v.h. onderliggend weefsel en metastasering (=

uitzaaiing)

doorheen dit proces ontstaat er een accumulatie van mutaties (= gendefecten) in meerdere genen.(meerdere fouten/mutaties nodig voordat kanker kan ontstaan)

er gebeurt niets

er gebeurt niets

cel wordt displastisch

cel is niet meer rond => displastisch!De cel is nu een kankercel of maligne cel

VOORBEELD: DARMKANKER

Eerst hebben we een normale ‘kolonie’ cellen.

Die evolueren naar adenomen = poliepen.

Die poliepen/adenomen ontaarden tot carcinomen => kwaadaardig!

Na de fase van carcinoom begint de metastasering of uitzaaiing.

In de meerderheid van de gevallen:Initieel ontstaat er een mutatie in 1 enkele somatische cel die zich verder deelt.

Deze mutatie kan optreden: Onder invloed van omgevingsfactoren (roken, voeding, omgevingspolluenten,

ioniserende & UV straling, virussen)- Roken: veel grotere kans op longkanker- Rood vlees: slecht om darmkanker te ontwikkelen- Ioniserende straling: kerncentrales- UV-straling: de zon(nebanken)

Spontaan (spontane DNA schade i.d. cel)

In de minderheid van de gevallen:(bij erfelijke kanker syndromen) is de initiële ‘kankerveroorzakende’ mutatie overgeërfd en dus in elke cel van het lichaam aanwezig (constitutioneel).

=> in beide gevallen ontstaat kanker door verdere accumulatie van mutaties in genen betrokken in:

Toename van groeisignalen Verlies van groeiremmende signalen Geprogrammeerde celdood Bloedvatvorming Invasie en metastase Onbeperkte delingscapaciteit

=> 6 essentiële veranderingen in kankercellen!

Kanker is dus het gevolg van: meerdere gendefecten die stapsgewijs leiden tot omzetting van een normale

cel tot een kankercel.

Voor groei v.d. tumor is er nodig angiogenese (= aanmaak van nieuwe bloedvaten die zorgen voor voedings- en zuurstofvoorziening v.d. tumor).Kankers (= kankercellen) zullen zélf bloedvaten aanmaken. Ze zullen vanuit de omgeving bloedcellen nemen en voorzien zichzelf zo van voeding en kunnen dus zo blijven bestaan.

Kankergenen

Welke soort genen worden getroffen door genetische fouten?

We kunnen 3 categorieën van genen betrokken bij kanker onderscheiden:

de oncogenen stimulering celdeling de tumorsuppresor genen onderdrukking celdeling de DNA herstel genen

(de 2 laatste horen bij elkaar)

Tumorsuppresorgenen VS. Proto-oncogenen

1. De oncogenen

Een oncogen = een mutant gen waarbij zijn ‘gewijzigde’ expressie aanleiding geeft tot abnormale stimulatie van celdeling en proliferatie = groeibevorderend.

Oncogenen zijn meestal mutante (‘geactiveerde’) allelen v.e. klasse normale cellulaire genen die we proto-oncogenen noemen.

Normale functie ‘proto-oncogenen’ :- stimuleren van celgroei

groeistimulerende factoren celmembraanreceptoren voor deze groeistimulerende factoren intracellulaire groeisignalen of celdelingsstimulatoren in de

celkern- verhinderen van de apoptose (= de geprogrammeerde celdood)- stimuleren van bloedvatvorming (= angiogenese)- stimuleren van invasie

Hoe ontstaan oncogenen?

Doorgaans ontstaan oncogenen door een ‘gain-of function’ mutatie,waardoor maligne transformatie bevorderd wordt door:

- stimulatie van celproliferatie- toegenomen bloedvoorziening- inhibitie van de apoptose

Activatie van een proto-oncogen kan door:

een puntmutatie (bv. missense mutatie met aminozuur-substitutie) een amplificatie (= vermenigvuldiging) van een gen => dus heel veel kopieën

i.p.v. 2 kopieën/cel het vormen van een translocatie met vorming van een nieuw fusiegen of gen

dat onder controle komt van een sterke zogenaamde ‘enhancer’ (bv. BCR/ABL-fusiegen t.g.v. een translocatie (9;22) bij leukemie, met activatie v.d. enzymactiviteit van ABL

Illustratie.

2. De tumorsuppresorgenen

Een tumorsuppresorgen = een gen dat de tumorontwikkeling inhibeert door regulatie van de celgroei.

Functie’s v.e. tumorsuppresorgen:- remmen v.d. celgroei (‘gatekeepers’) (bv. darmkanker)- remmen v.d. angiogenese- remmen van invasie en metastase (bv. maagkanker)- herstel van DNA (‘caretakers’) (DNA herstel genen) (bv. borstkanker)

Loss-of-function mutaties van beide allelen van deze tumorsuppresorgenen gevenaanleiding tot ongecontroleerde celproliferatie of een defectieve apoptose.

Op overgangen van G1 S G2 => bewakers/gatekeepers!Wanneer niet alles in orde is, gaat de cel niet naar de volgende fase.

Kanker door tumoruppresorgen op cellulair niveau => recessief! Erfelijke kankers door tumorsuppresorgen : reeds bij de bevruchting is er eenmutatie aanwezig in alle cellen in 1 van beide allelen (germinale mutatie!).MAAR wanneer daarbij een 2de somatische mutatie optreedt in het overblijvend allelv.e. welbepaald weefsel, ontstaat tumorvorming en kanker.

DUS grote kans op het ontwikkelen van tumoren op verschillende plaatsen & op jonge leeftijd.

Bij ‘niet-erfelijke’ vormen van kanker veroorzaakt door een mutatie in een tumorsuppresorgen is er initieel (bij de bevruchting) GEEN mutatie aanwezig.De mutaties in beide allelen ontstaan pas na de bevruchting (i.d. somatische cellen). kans op tumorvorming is kleiner en kans dat meerdere tumoren ontstaan op verschillende plaatsen is gering.

“The Knudson hypothesis, also known as the two-hit hypothesis or multiple-hit hypothesis, is the hypothesis that cancer is the result of accumulated mutations to a cell's DNA.”

Deze ‘Knudson two hit hypothese’ werd voor het eerst beschreven naar aanleiding v.d. observatie dat er zowel sporadische als familiale vormen van het retinablastoom (bep. vorm van oogkanker) voorkomen.

Deze ‘twee hit hypothese’ is algemeen aanvaard als belangrijk model bij het ontstaan van vele familiale vormen van kanker (autosomaal dominante overerving) zoals:

o familiaal polyposis colio familiaal borstkankero hereditair nonpolyposis colon carcinoomo neurofibromatosis type 1o Li-Fraumeni syndroom (zeldzame vorm van familiale kanker)

RETINABLASTOOM

(= een bep. vorm van oogkanker)

Bij de sporadische vorm :- Geen familiale voorgeschiedenis.- Ontstaat meestal op latere leeftijd.- Het is unilateraal en vaak unifocaal.

1 v.d. 2 ogen + 1 tumor per oog.

Bij de familiale vorm :

- Wél familiale voorgeschiedenis.- Ontstaat doorgaans op jonge leeftijd.- Het bilateraal en multifocaal.

! LEEFTIJD ! belangrijk om het verschil te kennen tussen erfelijk & niet-erfelijk.

Het retinablastoma-gen => RB1 gen Ontdekt in 1986 Gelegen op chromosoom 13 = een tumorsuppresorgen blokkeert de overgang van G1 naar de S-fase

1ste hit wordt overgeërfd, MAAR pas bij de 2de hit ontwikkel je kanker!

I.d. niet-erfelijke vorm van retinablastoom, moeten beide RB1-allelen (1 & 2de hit) dus

geïnactiveerd worden vooraleer een tumor ontstaat.Het RB1-gen blokeert de overgang van de G1 naar de S-fase tijdens de celcyclus.Inactivatie van RB1 => celproliferatie en tumorvorming. bij de familiale vorm is de 1ste hit (germinaal) reeds overgeërfd. bij de sporadische vorm zijn zowel 1ste als 2de hit na de geboorte ontstaan(somatisch).

Andere vben. van tumorsuppresorgenen

HET APC-GEN

APC-gen = een gen dat de celdeling van de darmepitheelcellen controleert.

Bv. bij ‘FAP’ is er een germinale mutatie in 1 van beide allelen van het APC-gen. deze individuen (= FAP-heterozygoten) ontwikkelen een groot aantal goedaardige,adenomateuze poliepen i.d. dikke darm (colon) op jonge leeftijd.MAAR steeds worden 1 of meerdere van deze poliepen maligne met als gevolg het

ontstaan van coloncarcinoom & darmkanker.

Illustratie FAP.

De darm is volledig bezaaid met poliepen Het is niet meer mogelijk de poliepen weg te halen

Doorsnede van een normale darm

3. DNA-repair/herstelgenen

HEREDITARY NON POLYPOSIS COLON CANCER (HNPPC)

= een erfelijke (autosomaal dominant) vorm van darmkanker op jongvolwassenleeftijd, die niet gerelateerd is met het voorkomen van een verhoogd aantaldarmpoliepen.

Oorzaak: inactiverende mutaties in DNA herstelgenen.

Mannen hebben een groter risico op het ontwikkelen van darmkanker gedurende hunleven (70%).

Bij vrouwen is het risico op het ontwikkelen van darmkanker lager (70%), MAARvrouwen vertonen een verhoogd risico op het ontwikkelen van endometrium- enovariumkanker + verhoofd risico op het ontwikkelen van kanker v.d. galwegen ofurinewegen.

HNPCC = een groep kankersyndromen die veroorzaakt worden door een mutatie in 1van de 5 verschillende DNA-repair genen (‘DNA-herstelgenen).

De 5 DNA-repairgenen/ DNA-herstelgenen zijn:

MLH1 MSH2 PMSL1 PMSL2 MSH6

deze genen zijn verantwoordelijk voor 60 à 70% van alle HNPCC-families.

Alle HNPCC-genen zijn zogenaamde “care-taker”-genen.

BRCA1 & BRCA2-genen

= DNA-repairgenen + tumorsuppresorgenen

mutaties in deze tumorsuppresorgenen zijn verantwoordelijk voor familialevormen van borst- en ovariumkanker. (Angelina Jolie heeft een mutatie in 1 van deze 2 genen)

OOK MANNEN KUNNEN BORSTKANKER KRIJGEN!

Darmkanker: verschillende vormen!

Besluit:

Kanker is een genetische aandoening:

ontstaat door veranderingen in het erfelijk materiaal van een cel deze veranderingen veroorzaken een toename/afname van expressie van

bepaalde genen als gevolg hiervan is er een toename/afname van bepaalde eiwitten dìe eiwitten spelen een rol in processen die de celdeling controleren,

bloedvatvorming.. meestal gaat het om defecten die optreden in de loop van het leven (=>

sporadische kanker) MAAR soms zijn deze defecten overgeërfd (=> erfelijke kanker) Genetische veranderingen kunnen veroorzaakt worden door:

Inactiverende/activerende mutaties Chromosomale defecten Genamplificatie (= vermeningvuldiging)

Genetisch onderzoek van kankercellen is van diagnostisch belang vermits de genetische defecten zeer divers zijn en vaak karakteristiek voor welbepaalde types van kanker.Aanwezigheid van bepaalde genetische defecten kan een belangrijke diagnostische en prognostische betekenis hebben en soms een rol spelen in de keuze van de behandeling (bv. leukemie)Een moleculaire merker biedt bovendien soms de mogelijkheid tot opvolging van het antwoord op een behandeling en laat soms toe om een minimale ziekteest te detecteren.

Erfelijke Sporadische kankerskanker

bij na – fout in DNA in eenkomelingen is welbepaald orgaan. er een fout in Niet i.d. kiembanen.alle lichaams- Niet erfelijk.cellen =>

constitu- tioneel

!!! Kanker is een genetische ziekte (fouten in het DNA/erfelijk materiaal), maar niet alle vormen van kanker zijn erfelijk !!!

De minderheid aan kankers is erfelijk (5 à 10%)