Klinisk genetik omfattar studier av medfödda och förvärvade genetiska skador och deras betydelse för uppkomsten av sjukdomar hos människa. Tack vare framväxten under det senaste decenniet av viktiga metodologiska förbättringar inom cytogenetik och molekylärgenetik har ämnesområdet genomgått en ovanligt kraftig expansion och forskningsresultat har snabbt kunnat omsättas i praktisk sjukvård. Kunskapen om ärftliga faktorers betydelse för uppkomsten av sjukdomar, inklusive folksjukdomar som cancer, hjärt-kärlsjukdomar och diabetes, har ökat dramatiskt, samtidigt som ett ständigt stigande antal sjukdomar kan påvisas med stor precision, t.o.m. innan symptom uppkommit (s.k. presymptomatisk diagnostik). Genetiska utredningar får därmed en alltmer framskjuten plats inom sjukvården, inte bara för diagnostik utan även för profylax och behandling. Då ärftligt betingade sjukdomar kan drabba individer i alla åldrar och samtliga organsystem kan vara involverade påträffas patienterna inom praktiskt taget alla medicinska verksamheter och följaktligen har den kliniska genetiken stora beröringsytor mot såväl grundforskning, t.ex. cellbiologi, som klinisk forskning inom de flesta medicinska specialiteter, f.f.a. pediatrik, gynekologi, hematologi och onkologi. Forskningen vid Genetiska kliniken är fokuserad på studier av genetiska faktorers betydelse för uppkomst av cancer och omfattar såväl grundforskning som klinisk forskning. I denna broschyr vill vi kort informera om aktuella projekt inom båda forskningsfälten. Ulf Kristoffersson Verksamhetschef Maria Soller Stf verksamhetschef Bertil Johansson Professor
Genetiska skador i en cell orsakar cancer Cancer är vanligtvis inte en ärftlig sjukdom i den bemärkelsen att den går i arv från en förälder till ett barn. Det finns visserligen ärftliga cancerformer men de är sällsynta. Det förhållandet att flera cancerfall påträffas i en familj behöver inte innebära att sjukdomen är ärftlig. Cancer är en vanlig sjukdom - var tredje människa drabbas någon gång under livet - och det är följaktligen inte anmärkningsvärt om flera familjemedlemmar haft en cancersjukdom. Även om cancer alltså bara undantagsvis är ärftlig på individnivå är den alltid ärftlig på cellnivå. Cancer uppstår nämligen genom en förändring av det ärftliga materialet i en cell och då cellen delar sig överförs canceregenskapen till dottercellerna. Eftersom skadan är begränsad till en kroppscell, t.ex. en lungcell eller en levercell, går förändringen inte i arv till individens barn. Som en följd av att det genetiska materialet (arvsanlagen) troget kopieras vid varje celldelning, får emellertid alla dotterceller denna förändring. När en tumör påvisas, vilket vanligtvis sker först flera år efter att den första cancercellen uppstått, har följaktligen samtliga cancerceller den ursprungliga genetiska förändringen. Målet för forskningen vid Genetiska kliniken är att karakterisera de genetiska förändringarna i cancerceller i syfte att klarlägga dels hur de omvandlar en normal cell till en cancercell, dels hur de påverkar sjukdomsbilden och sjukdomsförloppet.
Hur studeras genetiska förändringar? Kromosomerna, d.v.s. bärarna av det ärftliga materialet, finns i kärnan i varje cell och kan under speciella betingelser studeras direkt i mikroskop. Varje kromosom innehåller en DNA-molekyl. Dessa DNA-trådar är ytterst tunna men den totala längden är c:a två meter och de ryms i en cellkärna med en diameter av en hundradels millimeter. I samband med celldelningen förkortas och förtjockas trådarna och lägger sig i ett plan. I detta stadium kan de ses i mikroskop med 000 gångers förstoring. Kromosom Cellkärna Cell DNA 3
Människan har normalt 6 kromosomer par s.k. autosomer och ett par könskromosomer (X och Y). Inom varje par härstammar den ena kromosomen från modern, den andra från fadern. Detta beror på att könscellerna, spermier och ägg, endast har en enkel uppsättning kromosomer, d.v.s. 3 stycken. Vid befruktningen, då ägget sammansmälter med spermien, uppkommer ett foster med 3 + 3 = 6 kromosomer. Figuren visar människans 6 normala kromosomer ordnade parvis. Kromosomerna kan färgas på ett speciellt sätt så att det framträder omväxlande mörka och ljusa band. Med hjälp av detta bandmönster kan varje kromosompar och t.o.m. delar av varje kromosom kännas igen och avvikelser från det normala identifieras. Autosomerna betecknas med siffror: kromosom är den största kromosomen, kromosomerna och de minsta; kvinnor har två X-kromosomer, män en X- och en Y-kromosom.
Nya metoder att studera genetiska förändringar Med hjälp av en sofistikerad teknik, FISH (fluorescent in situ hybridisering), baserad på kunskapen om det genetiska innehållet i varje kromosom, kan alla kromosomer framställas i olika färg. Med den nya tekniken kan mycket små avvikelser, som inte kan upptäckas med konventionell bandfärgning, påvisas med en tidigare oanad precision. Bilden visar ett exempel på multicolor-fish. En bit av kromosom (röd) har förflyttats till den ljusblå kromosomen 7 och samtidigt har ett segment på kromosomerna (lila) och (violett) bytt plats. 5
Det genetiska materialet - arvsanlagen - ligger som pärlor på ett pärlband längs kromosomerna. De enskilda arvsanlagen, c:a 30 000 i varje cell, kan inte urskiljas i mikroskop men de kan påvisas med särskilda tekniker genom att man till ett bestämt anlag binder in en mycket stor mängd av ett specifikt färgämne. Man kan i dag t.o.m. samtidigt färga flera anlag i olika färg i samma kromosom. På bilden nedan visas åtta anlag i olika färg längs en kromosom. I den högra kromosomen har det skett en förändring, en s.k. inversion - omkastning av läget 80 grader - av ett segment (utmärkt med pil) mitt på kromosomen. Normal Inversion 6
Med hjälp av den kunskap som uppnåtts genom HUGO (Human Genome Organization)-projektet, d.v.s. den fullständiga kartläggningen av människans arvsmassa, kan man med s.k. microarray-teknologi studera aktiviteten av ett mycket stort antal enskilda anlag i en vävnad. På bilden visas en sådan kartläggning av flera tusen gener i en cancer. De gula prickarna anger att genen finns i normal mängd, gröna prickar markerar gener som finns i onormalt liten mängd och röda prickar gener som förekommer i abnormt stor mängd. 7
Genetiska förändringar i cancer Cancerceller kännetecknas av kromosomförändringar. Dessa kan se ut på olika sätt, t.ex. utbyte av kromosommaterial mellan två eller flera kromosomer, förflyttning av segment inom en kromosom och tillskott eller förluster av hela eller delar av kromosomer. Ett ständigt stigande antal av dessa avvikelser har visats vara mycket starkt associerade med bestämda tumörformer och man känner i dag till flera hundra karakteristiska förändringar i olika tumörsjukdomar. Mycket talar för att dessa endast utgör toppen av ett isberg och en fortsatt kartläggning kan således förväntas påvisa ett mycket stort antal tumörassocierade kromosomförändringar. Exempel på en typisk kromosomavvikelse i cancer: Utbyte av två segment på kromosomerna och 6. 8
Mekanismer för canceruppkomst Detaljanalys på DNA-nivå av tumörassocierade specifika kromosomavvikelser har under de senaste åren dramatiskt ökat vår förståelse för deras betydelse för canceruppkomst. Samtliga tumörspecifika kromosomförändringar som hittills kunnat analyseras på molekylär nivå har nämligen visats leda till förändringar av gener i brottspunkterna i de förändrade kromosomerna. För närvarande har drygt 00 gener av direkt betydelse för canceruppkomst kunnat identifieras på detta sätt. En mycket vanlig mekanism tycks vara att delar av två gener, en i vardera av två brottspunkter, förenas och bildar en s.k. fusionsgen. Kromosomavvikelsen leder således till att det bildas en helt ny gen och experimentella studier har klart och tydligt visat att denna nya gen kan omvandla normala celler till cancerceller. Genom att identifiera cancerassocierade kromosomförändringar kan uppmärksamheten riktas på de kromosomsegment som kan förväntas innehålla för canceruppkomst viktiga gener. Forskningsområdet befinner sig bara i början av en utveckling som med all säkerhet kommer att resultera i grundläggande ny kunskap. Kromosom 6 Brott Kromosom Gen A 5 3 3 3 3 5 Fusionsgen A/B 5 3 6 5 3 3 3 3 3 Brott 3 3 5 6 7 Gen B 9
Klinisk betydelse Kunskapen om samband mellan typiska kromosomavvikelser och specifika tumörsjukdomar har medfört att kromosombilden blivit en alltmer betydelsefull parameter vid diagnostiken av tumörsjukdomar, framför allt maligna hematologiska sjukdomar och ben- och mjukdelstumörer. Påvisandet av en karakteristisk kromosomavvikelse kan vara avgörande för att bedöma om en tumör är godartad eller elakartad och för att erhålla en exakt diagnos. Kromosomanalys bidrar även med viktig information för utvärdering av terapieffekt vid maligna hematologiska sjukdomar. Vid diagnostillfället av t.ex. akut leukemi har flertalet benmärgsceller den för leukemitypen karakteristiska kromosomförändringen. Framgångsrik behandling medför att leukemicellerna successivt elimineras och ersätts av friska celler med normal kromosomuppsättning. Kromosomundersökning ger således upplysning om behandlingen varit effektiv. Ett problem i detta sammanhang är att det kan vara svårt att finna ett tillräckligt stort antal celler som befinner sig i den fas av cellcykeln då kromosomerna kan studeras, d.v.s. när cellen delar sig. Med hjälp av nya metoder att direkt analysera enskilda arvsanlag och tack vare kunskapen om vilka arvsanlag som är involverade i olika kromosomavvikelser, kan emellertid förekomsten av allt fler kromosomförändringar påvisas även i celler som inte befinner sig i delningsfas. Genom att ett stort antal celler kan studeras ökar säkerheten i analysen avsevärt. Konsekvensen av en kromosomavvikelse av det slag som illustreras i bilden på föregående sida kan direkt observeras i en cellkärna. De två aktuella generna, färgade i rött och grönt, har genom kromosomförändringen bringats i kontakt med varandra och denna sammansmältning ses som en gul signal. Kromosombilden har avgörande betydelse för prognosbedömningen vid flera leukemiformer. Som exempel kan nämnas att typen av kromosomavvikelse vid akut lymfatisk leukemi hos barn har bättre prognostisk precision än andra välkända riskfaktorer. Den prognostiska betydelsen av kromosomfynden vid solida tumörer är i stort sett okänd. 0
Figuren nedan visar överlevnaden fem år efter diagnos för fyra grupper av barn med akut lymfatisk leukemi. Indelningen i de fyra grupperna har gjorts på basen av den kromosomavvikelse som finns i leukemicellerna. Kurvorna illustrerar den stora betydelse som enskilda kromosomavvikelser har för behandlingseffekt. Patienter med avvikelsen A (översta kurvan, grön linje) har 95% chans att bli botade från sin sjukdom medan endast 30% av patienter med avvikelsen D (nedersta kurvan, svart linje) kan botas. Ö v e r l e v 00% 75% 50% n 5% a d 3 5 Tid efter diagnos A B C D År Trots de viktiga framsteg som nåtts beträffande kliniskt-cytogenetiska samband, f.f.a. vid hematologiska sjukdomar, är den kliniska betydelsen av de flesta kromosomavvikelser fortfarande huvudsakligen okänd. De lovande resultat som redan erhållits ger dock hopp om att den övergripande målsättningen att med hjälp av specifika genetiska förändringar karakterisera och avgränsa undergrupper av till synes enhetliga tumörtyper ska kunna uppnås i en nära framtid. Förhoppningsvis kan en sådan kartläggning, baserad på den genetiska avvikelse som inducerat tumören snarare än på cellernas utseende, som i dag utgör basen för konventionell diagnostik, bidra till en bättre klassifikation av tumörsjukdomar och därmed leda till nya behandlingsstrategier.
Specifika projekt som bearbetas vid Genetiska kliniken De enskilda projektens övergripande mål presenteras på http://www.med.lu.se/plain/labmedlund/clinical_genetics Genetiska studier av hematologiska sjukdomar Projektledare: Bertil Johansson Medarbetare: Josef Davidsson, Andrea Horvat, Margareth Isaksson, Kristina Karrman, Catarina Lundin och Kajsa Paulsson Molekylära och funktionella studier av fusionsgener i hematologiska sjukdomar Projektledare: Thoas Fioretos Medarbetare: Nils Hansén, Petra Håkansson, Marcus Järås, Carin Lassen, Henrik Lilljebjörn, Marianne Rissler och Helena Ågerstam Genetiska analyser av ben- och mjukdelstumörer Projektledare: Fredrik Mertens och Nils Mandahl Medarbetare: Samuel Gebre-Medhin, Hammurabi Bartuma, Anna Collin, Karolin Hansén Nord, Margareth Isaksson, Yuesheng Jin, Linda Magnusson, Emely Möller och Jenny Nilsson Nätverk för cancergenetiska mottagningar i Sverige Projektledare: Ulf Kristoffersson Databas över kromosomförändringar i cancer Projektledare: Felix Mitelman Medarbetare: Bertil Johansson och Fredrik Mertens Studier av genetisk instabilitet Projektledare: David Gisselsson Nord Medarbetare: Linda Holmquist-Mengelbier, Yuesheng Jin, Tord Jonson och Gisela Lundberg