6. februar 2013

2. Teknikken: Hvad er en genom-undersøgelse?

Her skal vi se på, hvorfor genom-undersøgelser kan forbedre diagnostikken af arvelig sygdom, men også på, hvordan den nye teknik samtidig har gjort, at genetiske undersøgelser i stigende grad resulterer i store mængder usikker information.

Det gælder for genom-undersøgelser som for andre typer af sundhedstests, at usikkerhed øger sandsynligheden for falske resultater. Et falsk positivt resultat ("falsk alarm"=du tror fejlagtigt, at du med sikkerhed har en sygdomsfremkaldende mutation) kan føre til unødig bekymring, og til at der bliver truffet uhensigtsmæssige valg. Et falsk negativt resultat ("falsk tryghed"=du tror fejlagtigt, at du med sikkerhed ikke har en sygdomsfremkaldende mutation) kan gøre, at den undersøgte er mere uforsigtig end ellers. Derfor er det vigtigt, at resultaterne sjældent er falske eller let bliver fejlfortolket.

1. Udredning for arvelig sygdom

At en familie plages af flere tilfælde af en ellers sjælden sygdom, og at sygdommen rammer familiemedlemmerne i en tidligere alder end normalt, er tegn på, at sygdommen er arvelig.

Familier med tegn på alvorlig arvelig sygdom kan blive tilbudt en genetisk udredning ved en klinisk genetisk afdeling på et hospital. Ved udredningen bliver det undersøgt, om årsagen til sygdom i familien er genetisk, det vil sige, om årsagen til sygdommen er en sygdomsfremkaldende mutation.

Hvis en gentest kan identificere en sygdomsfremkaldende mutation hos en patient, kan vedkommendes raske slægtninge blive undersøgt. Med resultatet fra en genetisk test kan de af slægtningene, der viser sig ikke at have genet ("normalt" resultat), slippe for unødig bekymring; mens de, der har arvet genet ("abnormt" resultat), får vished om genets tilstedeværelse og fx kan overveje forebyggende foranstaltninger.

Generne BRCA1 og BRCA2 er blandt de gener, hvori mutationer oftest medfører arvelig sygdom. BRCA står for "breast cancer", fordi bestemte mutationer i BRCA1 og 2 generne voldsomt forøger kvinders risiko for at få brystkræft. Risikoen for at en kvinde med disse genvarianter på et tidspunkt i livet får brystkræft, stiger fra 12-13 % - som er gennemsnitsrisikoen for kvinder i befolkningen som helhed – og i nogle tilfælde helt op til 80 %. Risikoen stiger med andre ord med op til syv gange den gennemsnitlige risiko. Også risikoen for kræft i æggestokke og, hos mænd, risikoen for prostatakræft, forøges når bestemte mutationer optræder i BRCA-generne, men ikke helt så markant.

Nogle vil måske spørge, hvorfor genmutationer ikke medfører sygdom hos alle dem, der er bærere af sådanne mutationer? Svaret er, som nævnt, at sygdom sjældent alene bestemmes af, hvilke genmutationer, man har; i langt de fleste tilfælde ser generne faktisk ud til at spille en beskeden rolle for udvikling af sygdom, mens de faktorer, vi udsættes for – de ikke-genetiske faktorer eller "miljøet" – spiller en mere eller mindre dominerende rolle (se figur 1 om genetiske og ikke-genetiske faktorer).

Genetiske og ikke-genetiske faktorer

Figur 1: Genetiske og ikke-genetiske faktorer.

Modsat gentests undersøger man ved en genom-sekventering ikke blot de gener, der kunne være årsag til den sygdom, patienten har eller frygter at få: Man kortlægger hele den genetiske arvemasse, genomet, det vil sige den præcise sammensætning, base for base, af alle gener , og dermed i princippet gener, der spiller en rolle for alle den undersøgtes egenskaber, fx den undersøgtes medfødte tilbøjelighed til at blive ramt af forskellige sygdomme.

Men som nævnt i afsnittet "Hvad generne gemmer" kan den, der bliver undersøgt, føle sig presset til at tage stilling til, om vedkommende ønsker usikker information om mulige risici for fremtidig sygdom eller ej. Så hvorfor ikke bare holde sig til de mere afgrænsede gentests?

2. Hvorfor kan genom-undersøgelser hjælpe familier med arvelig sygdom?

Der findes tusindvis af arvelige sygdomme, men de fleste er meget sjældne. Samlet set er det måske 1-2 procent af os, der har et en sygdomsfremkaldende mutation, hvis man kun tæller dem med, der så ofte medfører sygdom, som tilfældet er med visse mutationer i BRCA-generne.

I mange familier med sådanne arvelige sygdomme er man allerede klar over, at "der er sygdom i familien". Når en gentest alligevel kan være til stor gavn skyldes det ikke mindst, at de raske slægtninge ikke ved, om de har arvet den sygdomsfremkaldende genvariant – og derfor bør være særligt agtpågivende over for symptomer på sygdom – eller om de derimod kan "frikendes".

Hertil kommer, at sygdomme kan springe nogle generationer over, eller der kan være andre grunde til, at en familie ikke er bevidst om arvelig sygdom i familien. Et muteret BRCA-gen kan fx "skjule sig", hvis det i nogle generationer kun bæres videre af drengebørn, og de alle er så heldige, at de ikke bliver ramt af tidlig prostatakræft – eller at man i familien ikke er opmærksom på sammenhængen mellem forskellige kræftformer. Andre arvelige sygdomme er recessive, det vil sige, at kun børn, der modtager en defekt variant af samme gen fra både mor og far, bliver syge (se figur 2 om arvegange).

Arvegange

Figur 2: Arvegange. Arvelig brystkræft indebærer, at familiemedlemmer, der har arvet en sygdomsfremkaldende genvariant, har tre til syv gange højere risiko for at blive syge end gennemsnitsbefolkningen, og de bliver også ofte syge i en yngre alder. Familiær brystkræft indebærer en cirka fordoblet risiko for sygdom.

Desværre er det sådan, at selvom de genetiske tests er blevet stadig bedre til at "fange" sygdomsfremkaldende mutationer i familier med arvelig sygdom, kan de langt fra altid identificere den tilgrundliggende mutation. Det skyldes, at man med genetiske tests kun kan søge efter genvarianter, man allerede kender. Kvinder med tegn på arvelig brystkræft tilbydes i dag en "brystkræftpakke", hvor man sekventerer de seks gener, i hvilke mutationer giver den højeste risiko for arvelig brystkræft (såkaldt targetteret sekventering). Men alligevel finder man kun den sygdomsfremkaldende mutation hos cirka en tredjedel af de kvinder, der har tegn på arvelig sygdom. Med andre ord kan man hos familier med tegn på arvelig brystkræft endnu kun identificere en sygdomsfremkaldende mutation i en tredjedel af tilfældene (se figur 3: Sygdom og arvelighed).

Sygdom og arvelighed

Figur 3: Sygdom og arvelighed. I lagkagediagrammet ses det, at kun 5-10 procent af alle brystkræfttilfælde er klart arvelige og derfor anses for at skyldes en mutation med høj penetrans (30-80 % livstidsrisiko). Man kan dog med traditionelle gentests kun finde en tredjedel af disse. De fleste af disse venter man på sigt at kunne hjælpe, hvis genom-undersøgelser tages i brug. 15-20 procent er familiære tilfælde, hvor genernes betydning for udvikling af sygdom er moderat (20-30 % livstidsrisiko). Det er uklart i hvilket omfang disse vil have gavn af genom-undersøgelser. De øvrige 70-80 procent af brystkræfttilfældene er sporadiske tilfælde, dvs. her spiller generne formentlig en begrænset rolle. Genom-undersøgelse vil derfor typisk kun kunne give usikker viden om individets sygdomsrisiko.

Det er ikke svært at forestille sig, at familier, hvis en sygdomsfremkaldende mutation ikke kan identificeres, presser på for, at lægerne leder videre efter mindre kendte eller måske hidtil helt ukendte genvarianter. Kendskab til sådanne genvarianter er netop forudsætningen for, at øvrige raske familiemedlemmer kan testes.

Det er her, genom-undersøgelser ventes at blive relevante, for da kortlægger man netop ikke kun de mest hyppige genvarianter, men hele den genetiske arvemasse.

3. Nålen i høstakken af gener

Det kan imidlertid være meget udfordrende at finde frem til, hvilket af et menneskes 20-25.000 gener, der gemmer på en variant, som kan forklare den arvelige sygdom!

Strategien i dette "detektivarbejde" er at finde frem til de få gener, der med størst sandsynlighed forklarer sygdommen, og som man dernæst kan undersøge mere præcist. I praksis sker det ved, at man sorterer generne ved hjælp af en række informations-"filtre" (se figur 4: Sortering af genetiske data).

Sortering af genetiske data

Figur 4: Sortering af genetiske data. Detektivarbejdet med at finde præcis den mutation, om nogen, der medfører arvelig sygdom: Molekylærbiologer og bioinformatikere sorterer de store mængder genetiske data, så de står tilbage med de mutationer, der mest sandsynligt er årsag til sygdommen.

For det første kan man nøjes med at undersøge de 1-2 % af genomet, der koder for proteiner, da arvelig sygdom formentlig oftest skyldes fejl her. Det kaldes for en exom-undersøgelse – exomet består af de dele af generne, der i sidste ende "oversættes" til protein, mens introns splejses ud af mRNAet før det translateres til protein på ribosomerne (se figur 5: Genomets bestanddele).

Genomets bestanddele

Figur 5: Genomets bestanddele. Genomet består af protein-kodende sekvenser – exomerne – som er adskilt af introns. Intronsekvensen bliver transskriberet til mRNA, og hjælper blandt andet med at guide mRNA det rigtige sted hen i cellen, men bliver splicet væk før mRNA translateres til protein. De øvrige 98 % af DNAet, der ikke er protein-kodende, har vist sig blandt andet at have vigtige regulatoriske funktioner.

Som det næste trin kan man sortere såkaldte "polymorfier" fra, det vil sige base-udskiftninger, som er hyppige i befolkningen, og som man derfor antager ikke medfører arvelig sygdom. Det, man er på udkig efter, er sjældne eller ligefrem "private" mutationer, det vil sige mutationer kun få mennesker har – eller som ligefrem kun den undersøgte og dennes familie har (læs også om "konserverede sekvenser" )

Men hvordan ved man, hvilke mutationer og genvarianter, der er hyppige i bestemte befolkningsgrupper, og dermed om en bestemt mutation er "typisk" eller "privat"? Det er først noget, man så småt begynder at få overblik over i disse år.

Sekventeringsteknologien er nemlig blevet så billig, at forskerne har kunnet gå i gang med at sekventere tusindvis af mennesker med forskellig etnisk baggrund og dermed få overblik over, hvilke mutationer og genvarianter, der er typiske i bestemte befolkningsgrupper.

Netop denne forskning har kastet lys over det faktum, at vi alle går rundt med overraskende mange mutationer. Hvert eneste exom indeholder således cirka 100.000 private mutationer og dermed mulige forklaringer på sygdommens arvelighed!

Det næste skridt kan være at sortere efter mutations-typer, man ved ofte giver anledning til fejl i proteinet. På grund af måden, hvorpå gener koder for proteiner, er rækkefølgen af genernes baser afgørende for proteinets funktion, på samme måde som bogstavers rækkefølge er afgørende for en sætnings mening:

Normal rækkefølge:  Himlen er blå
Missense:  Humlen er blå
Nonsense:  Himl [stop]
Frameshift (insertion af s):  Himsle ne rbl

Missense-mutationer er mutationer, der ved at ændre på blot en base, giver anledning til, at en anden aminosyre sættes ind i proteinet end ellers. Det kan være nok til, at proteinets funktion ændres så meget, at en biologisk funktion i cellen ændres og giver anledning til sygdom. Men ofte vil en enkelt baseudskiftning ikke ødelægge proteinets funktion; baseudskiftninger behøver ikke at medføre ændringer i proteinets rækkefølge af aminosyrer, og selv hvis det sker, afhænger effekten af, om aminosyreændringen medfører ændringer i proteinets funktion. Et enzym har fx typisk nogle områder ("domæner"), der er afgørende for dets evne til at binde til eller ændre de molekyler, det normalt interagerer med. BRCA-enzymets funktion er fx at reparere beskadiget DNA. Udskiftning af en aminosyre med én kemisk egenskab med en aminosyre med en helt anden kemisk egenskab i disse følsomme områder kan med andre ord gøre, at enzymet ikke kan binde til DNA eller har mistet evnen til at sætte DNA-stumper sammen.

Derfor kan missense-mutationer være et godt sted at lede, hvis man vil finde den genetiske årsag til en arvelig sygdom. Problemet er bare, at vi alle går rundt med i omegnen af 12.000 missense-mutationer i vores exom. Der er simpelthen for mange "mistænkte" til, at lægerne kan gå i gang med at undersøge, hvilken en af dem, sygdommen skyldes.

Blandt dem kan man dog søge efter de endnu mere ødelæggende nonsense-mutationer, der gør, at genet kommer til at indeholde koden for at stoppe translation til protein. Her er resultatet et amputeret protein, hvilket oftest har betydning for proteinets funktion, især hvis stop-koden optræder tidligt i sekvensen. Det samme gælder for frame-shift-mutationer, der kan skyldes, at en base er blevet indsat eller slettet, og som gør, at genets hele mening, og dermed proteinet, ændres.

Til forskernes store overraskelse har 1000genomes-projektet for nylig vist, at vi hver især går rundt med omkring 150 nonsense-mutationer og 190 frameshift-mutationer. I mange tilfælde er der slet ikke en genfunktion. Man ved endnu ikke helt, hvorfor det ikke medfører mere alvorlige effekter end tilfældet jo – heldigvis – er for de fleste af os. Noget kunne tyde på, at vores biologiske funktionsevne er mere robust overfor genetiske mutationer end man tidligere har troet.

Man kan som et næste skridt bruge filtre, der sorterer sådan, at man kun ser på de gener, der har en kendt forbindelse til den slags sygdom, man konkret undersøger, såsom brystkræft. Endelig kan det være en stor hjælp at undersøge den undersøgtes slægtninge, både med og uden sygdom, for der at se hvilke af de mutationer, man mistænker, der "følges med" sygdommen. Det er derfor, det er vigtigt for lægen indledende at tegne familiens stamtræ op og dermed få et overblik over sygdommens arvegang.

Herfra starter et stort arbejde med at undersøge, hvad der findes af fortilfælde af sygdom for de tilbageværende mutationer, fx via videnskabelige tidsskrifter, forskere og kollegaer. Lægen arbejder sammen med molekylærbiologer og bioinformatikere, der står for sekventeringen og for en stor del af analysen og sorteringen.

Der kan groft sagt være tre resultater af en genom-undersøgelse. I nogle tilfælde finder man den genmutation, der skønnes at være årsag til sygdommen, og til at patientens sygdom går i arv. Men lægerne kan også stå tomhændet selv efter lang tids leden. I mange tilfælde ender undersøgelsen med, at man finder en mutation i et gen, man mistænker, er årsag til sygdom, men uden at være sikker, fx fordi man ikke har set varianten før – sådanne fund går også under betegnelsen "uldne varianter".

4. Tilfældighedsfund og usikkerhed

Jo mere man sorterer de genetiske data, jo mere overskuelig bliver opgaven med at tolke på fundenes helbredsmæssige betydning. Men jo flere gener man frasorterer, jo større er risikoen også for at man kommer til at sortere den sygdomsfremkaldende genvariant fra i processen.

Omvendt: Jo mindre man sorterer, jo flere gener skal man efterfølgende undersøge, og udover at dette kan være et kolossalt tidskrævende arbejde, stiger sandsynligheden for, at lægen eller andre i processen støder på genvarianter, der afslører en risiko for andre sygdomme end den, patienten konkret undersøges for, det vil sige, at der gøres tilfældighedsfund.

Tilfældighedsfund kan naturligvis opstå ved alle typer af diagnostisk undersøgelse. Finder en læge fx en mulig kræftsvulst i forbindelse med en rutineundersøgelse, fx et røntgen efter et trafikuheld, vil man forvente, at han eller hun følger op på fundet og inddrager patienten.

Som det fremgår af det foregående, er genom-undersøgelser dog alligevel lidt specielle. Dels tilvejebringer de information om arvelige forhold, og er dermed relevante for ikke blot den undersøgte selv, men også vedkommendes slægtninge. Effekterne af en genetisk undersøgelse rækker med andre ord udover den undersøgte selv. Samtidig kan tilfældige fund være næsten uundgåelige, når man sekventerer hele patientens genom, og det er en ny situation i forhold til den hidtidige brug af genetiske tests af ét eller få gener.

Hertil kommer, at der ofte mangler pålidelig viden om hvorvidt de mutationer, man finder, faktisk resulterer i sygdom. Har patienten og måske flere slægtninge symptomer, kan der naturligvis være gode grunde til at tro, at mutationen er sygdomsfremkaldende. Men når der gøres tilfældighedsfund, er usikkerheden større, da man ikke altid kan støtte sig til eksempler på, at der har været udbrud af sygdom i familien. Som vi hørte kan nogle arvelige sygdomme "gemme sig" ved fx at være kønsspecifikke. Så her må lægen vurdere sygdomsrisikoen ud fra erfaringer med genvarianten i helt andre familier og befolkninger.

5. Usikkerhed

Opsummerende kan man altså sige, at en traditionel gentest viser, om patientens genom indeholder mutationer, man ved er sygdomsfremkaldende. Som vi hørte, betyder et negativt resultat derimod ikke nødvendigvis, at patienten er uden for risiko, men måske blot, at man ikke har kunnet søge efter den mutation, der faktisk er årsag til sygdommen, måske fordi man simpelthen ikke på forhånd kendte den.

En genom-undersøgelse giver til gengæld mulighed for desuden at søge efter mindre kendte mutationer, måske endda efter hidtil ukendte mutationer, men resultatet kan dermed også let være, at der knytter sig stor usikkerhed til resultatet – såvel de søgte og de tilfældige fund kan være "uldne".

Resultatet af en genom-undersøgelse er derfor i højere grad end ved de traditionelle gentests usikker information. Den "dobbelte usikkerhed", der blev nævnt i afsnittet "Hvad generne gemmer", henviser til, at informationen er usikker på to måder:

Uforudsigelighed – usikkerhed om, hvorvidt den undersøgte faktisk får sygdommen

Med få undtagelser siger informationen fra en genetisk udredning noget om sandsynligheden for, at de undersøgte rammes af sygdom, snarere end vished – fx 80 % risiko for at en rask slægtning får brystkræft før de fylder 75 år. I nogle tilfælde kan risikoen for sygdom være høj, mens den i andre tilfælde kan være moderat eller lav. Groft sagt skyldes uforudsigeligheden, at også mange andre faktorer end genet spiller ind på sygdomsudviklingen. Den undersøgte er delvist selv herre over sin sygdomsrisiko, fx kan risikoen påvirkes af kostvalg eller af, hvor meget forurening eller stråling, et individ udsættes for.

Upålidelighed – usikkerhed om vurderingen

Man kan forholdsvist nemt og billigt komme med mere eller mindre "kvalificerede gæt" på hvilke sygdomsrisici, den undersøgte har. Men der er stor forskel på, hvor pålidelige forskellige undersøgelser er. Konsekvensen er, at en vurdering, der lyder på fx 80 % livstidsrisiko for en bestemt sygdom, kan være mere eller mindre pålidelig – at risikoen i virkeligheden ikke er 80 %, men måske 20 % eller helt fraværende. Resultaters pålidelighed afhængig af den viden og de analysemetoder, undersøgelsen bygger på.

Undersøgelser som dem, der laves ved hospitalerne, bygger på kendskab til årsagssammenhænge mellem bestemte mutationer og sygdomme og til mutationernes betydning i de specifikke familier, der undersøges. Selvom lægerne udviser stor omhyggelighed, kan sådanne undersøgelser som nævnt alligevel medføre usikre resultater. De er dog stadigvæk langt mere pålidelige end de undersøgelser, der tilbydes billigt af private udbydere, hvor man i nogle tilfælde forudsiger sygdomsrisiko på grundlag af ganske få forskningsresultater.





Hvad er arvelig brystkræft?

Brystkræft er som andre kræftformer karakteriseret ved, at nogle celler ikke mere reagerer på kroppens normale kontrolmekanismer, men deler sig uhæmmet, hvorved der opstår en knude. Hvis cellerne desuden formår at sprede sig væk fra det oprindelige væv, kan kræftcellerne etablere knuder andre steder, hvor de kan gøre skade efterhånden som de vokser. Sådanne knuder kaldes for ondartede (eller "maligne") SP-knuder.

Den hyppigste årsag til arvelig brystkræft er en mutation i genet BRCA1 der befinder sig på kromosom nummer 17. BRCA1 koder for BRCA1-proteinet, hvis funktion i forskellige væv blandt andet består i at reparere brud på dobbeltstrenget DNA. Sådanne skader på DNAet kan opstå som følge af miljøpåvirkninger, såsom stråling.

Hvis der sker en mutation på et afgørende sted i BRCA-genet, kan resultatet være, at proteinets funktion ændres eller ødelægges med en ophobning af muterede celler i vævet til følge. Det forklarer, hvorfor familier med et muteret gen oftere rammes af kræft end andre familier. Når kræften ofte opstår i netop brystvæv og æggestokke skyldes det, at der i visse af cellerne her sker en deaktivering af den ene BRCA-kopi – som jo ellers kunne have kompenseret for den anden kopis manglende funktionsevne.


1000 genomes reference genom – en krumtap i forståelsen af gener og sygdom

Et reference-genom er en slags "normal-genom", man har sammensat ved at undersøge en masse genomer og finde frem til en sammensætning, der kan siges at være nogenlunde repræsentativt eller typisk for en given art. Det humane reference-genom opdateres løbende, efterhånden som der kortlægges flere genomer, blandt andet via det internationale arbejde, der udføres i projektet 1000genomes. Derved får man gradvis en bedre forståelse af, hvad der er normalt og hvilke afvigelser, der bidrager til sygdom, og også de typiske forskelle der er mellem forskellige etniske grupper. Blandt de overraskende resultater i kortlægningsarbejdet har det været konstateret, at der regionalt – for eksempel i Danmark – findes mange genvarianter, som er langt sjældnere andre steder. Det kan være forklaringen på, at de traditionelle gentests – der måske kun tester for globalt udbredte genvarianter – kun identificerer en sygdomsfremkaldende mutation i en begrænset del af danske familier med arvelig sygdom. Et dansk forskningsprojekt er i gang med at kortlægge genvarianter, der er særligt hyppige i Danmark. Det kan måske forbedre mulighederne for at identificere sygdomsfremkaldende mutationer hos danske patienter.

Resultatets pålidelighed afhænger af baggrundsviden

En anden faktor, der spiller en vigtig rolle for resultaters pålidelighed, er den baggrundsviden, dvs. den overordnede forståelse af genetik, analyserne baserer sig på. At individerne fra to familier med samme genvariant kan have meget forskellige sygdomsrisici, anses fx i dag for at være en kendsgerning, men forståelsen af årsagerne hertil er stadigvæk begrænset. Nyere forskning viser, at forskellige individer i varierende omfang evner at kompensere for en tabt genfunktion og dermed at undgå sygdom. Forskerne taler ligefrem om "beskyttende gener".

Man har også opdaget, at mindst lige så vigtig for sygdomsudvikling som sammensætningen af generne selv er genernes aktivitet. Der forskes intensivt i blandt andet såkaldt epigenetisk modifikation, som betyder, at gener af cellen biokemisk "lukkes ned", i nogle tilfælde som følge af påvirkninger fra omgivelserne. Sådanne modifikationer kan i nogle tilfælde være så permanente, at de passerer videre til næste generation. Der kan på den måde ske en form for ikke-genetisk biologisk arv af tilegnede egenskaber. Man overvejer fx, om dette kan forklare over-hyppigheden af livsstilssygdomme blandt gruppen af børn, der er født undervægtige og derefter har taget meget hurtigt på som følge af en meget kalorierig kost. Med andre ord, måske er barnets stofskifte-gener under fostertilstanden modificeret til et lavt kalorieindtag, så barnet ikke er rustet til det store kalorieindtag efter fødslen.

Et præcist billede af sådanne faktorer kræver en kortlægning af sammenhængene mellem og aktiviteten af muterede genvarianter, konstellationer af andre gener og ydre påvirkninger både i familier med og uden sygdom. Det kan vare mange år, før man får et sådant overblik.