Vierailin 4. joulukuuta Pennsylvanian hollantilaismaiseman ytimessä sijaitsevassa Erityislasten klinikassa, jossa pikkuruinen henkilökunta hoitaa yli 2000:aa potilasta, joilla on erilaisia perinnöllisiä sairauksia. Viime viikon postauksessa kuvattiin perhettä, jonka kuudesta lapsesta viidellä on kohtauksellinen sairaus, johon liittyy autistisia piirteitä. Tämän oireyhtymän tutkiminen viimeisten 15 vuoden aikana havainnollistaa kauniisti geenien löytämismenetelmien kehittymistä ennen kuin sekvensointi vei meidät uuteen teknologiseen aikakauteen. (Varoitus: jargonia luvassa.)
FENOTYYPIN JA GENOTYYPIN YHDISTÄMINEN
Nykyään tutkijat vertailevat vanhempien ja mahdollisesti sisarusten eksomin (genomin proteiineja koodaava osa) sekvenssejä löytääkseen aiheuttavan geenin variantit (alleelit). Se on nopeaa.
Esi-genomia edeltävällä aikakaudella tutkijat seurasivat epäsuoraa reittiä päästäkseen fenotyypistä genotyyppiin:
– Huomattiin, että oireet ”kulkevat suvussa.”
– Todettiin, että sairaus on yleisempi identtisillä kaksosilla kuin veljeskaksosilla ja potilaiden sisaruksilla kuin väestössä yleensä.
– Tunnistettiin epänormaalit kromosomit ihmisillä, joilla on sairaus.
– Käyttämällä genomin laajuisia assosiointitutkimuksia (GWAS, genome-wide association studies) tunnistamaan geneettisen vaihtelun malleja (yhden emäksen paikkojen joukoissa, joita kutsutaan yksittäisnukleotidipolymorfismeiksi eli SNP:iksi), jotka saattavat merkitä tautia aiheuttavaa varianttia.
– Geenin tunnistaminen ja hiirimallin luominen hoitojen testaamista varten.
Kun amish-heimon asukkaat poistuivat Sveitsistä 1700-luvun alkupuoliskolla paetakseen uskonnollista vainoa ja asettuivat asumaan Pennsylvaniassa, he toivat mukanaan näytteen eurooppalaisesta geenivarannosta. Lisääntyminen keskenään moninkertaisti mutaatiot ja johti ”autotsygoottijuoksuihin” heidän genomissaan – kromosomien osiin, joiden molemmissa kopioissa on samat DNA-sekvenssit. Autotsygoottiusjuoksutukset osoittavat, että kaksi sukulaista on perinyt geenimuunnosjoukkoja yhteiseltä esi-isältä, kuten pikkuserkut isoisovanhemmalta. Nämä alleelit, joita kutsutaan nimellä ”identtinen polveutuminen” (IDB), ovat tehokas väline geenien löytämiseksi, jos niitä esiintyy yksinomaan ihmisillä, joilla on sama sairaus.
AAMISHIN YHTEYS
Pojalla, jonka tapasin klinikalla, ja neljällä hänen viidestä sisaruksestaan on kortikaalinen dysplasia-fokaalinen epilepsiaoireyhtymä (CDFE). Se johtuu CNTNAP2-nimisestä geenistä puuttuvasta yhdestä ainoasta DNA-emäksestä.
Kuten monet tarinat geenien keksimisestä, havainto siitä, että CNTNAP2:n mutaatiot ovat erilaisten aivosairauksien – autismin, kouristuskohtausten, skitsofrenian, Touretten oireyhtymän ja kielihäiriöiden – taustalla, sai alkunsa erilaisista langoista. Keskitytäänpä autismiyhteyteen.
Jopa vanhimmat geenitekniikat osoittavat autismin perinnöllisen komponentin. Identtiset kaksoset sairastavat sitä kumpikin paljon todennäköisemmin kuin veljeskaksoset; autistisen lapsen sisaruksilla on 75-kertainen riski yleiseen väestöön verrattuna.
International Molecular Genetic Study of Autism Consortium käytti GWAS-menetelmää vuonna 1998 löytääkseen genomista kuusi aluetta, jotka seurasivat autismia sairastavien henkilöiden perimää – ykkösehdokas oli seitsemänneksi suurimman kromosomin pitkällä haaralla eli ”7q:lla.”
Vuonna 1999 tutkijat epäilivät CASPR2:n olevan osallisena eräänlaisessa neureksiiniksi kutsutussa proteiinissa, joka epänormaalina häiritsee hermoimpulssin lähettämistä. Neureksiinit asettuvat yhteen muiden neuroligiineiksi kutsuttujen proteiinien kanssa luodakseen synapseja, jotka muodostuvat, kun pieni lapsi alkaa tutkia maailmaa ja lujittaa muistia oppimiseksi.
Vuonna 2003 tuli raportteja kromosomien uudelleenjärjestelyistä, jotka häiritsevät CASPR2:ta koodaavaa geeniä, CNTNAP2:ta, Touretten oireyhtymää sairastavilla ihmisillä, ja vuonna 2007 ihmisillä, joilla on älyllinen kehitysvammaisuus, kehitysviivästymä, puhehäiriö ja hyperaktiivisuus mutta ei Touretten oireyhtymä. Nämä erilaiset tilat eivät ole yllättäviä – vaikutukset vaihtelevat sen mukaan, missä päin aivoja neureksiinitasot ovat epätasapainossa.
Vuonna 2006 Clinic For Special Childrenin ja Translational Genomics Research Instituten tutkijat yhdistivät CNTNAP2:n mutaation CDFE-oireyhtymään läheisesti sukua olevilla amish-lapsilla. Kohtaukset alkavat suunnilleen siinä iässä, kun autistiset piirteet yleensä tulevat esiin – 14-20 kuukauden iässä.
Ennen kohtausten alkamista CDFE:n oireet ovat hienovaraisia: vähäisiä motorisia viivästymisiä, heikkoja syviä jännerefleksejä ja hieman suurikokoisia päitä. Lapsilla on vaikeuksia keskittyä, matkia ihmisiä ja suunnitella liikkeitä, kuten ryömimistä, risteilyä ja kävelyä. Kohtaukset ovat yleisiä ja vaikeita, ja niiden puhkeaminen merkitsee kielellisten, kognitiivisten ja sosiaalisten taitojen heikkenemistä. Useiden vuosien kuluttua kohtaukset loppuvat, mutta älykkyys pysähtyy lapsuudessa, ja henkilö tarvitsee elinikäistä hoitoa.
Kevin Strauss, MD, Erik Puffenberger, PhD, ja Holmes Morton, MD, klinikalta kollegoineen käyttivät 100 000 SNP:n mikrosirulaitteita analysoidakseen neljän CDFE-oireyhtymää sairastavan lapsen DNA:ta, jotka olivat kotoisin kolmesta amish-suvusta. He löysivät 7,1 miljoonan emäksen pituisen autotsygoottisen alueen epäillyltä alueelta 7q:ssa. (Nykyään algoritmit havaitsevat nopeasti autotsygoottisuuden eksomisekvensseissä.)
7,1 miljoonaan emäkseen sisältyy 83 geeniä, mutta vain muutama niistä oli järkevä. Ryhmä sekvensoi ensin geenin nimeltä CENTG3, jonka tiedetään aiheuttavan muita aivosairauksia. Sairastuneilla lapsilla ei kuitenkaan ollut siinä mutaatioita.
Silloin ryhmän geneetikko tohtori Puffenberger löysi oikotien: hän huomasi CENTG3:n keskellä yhden SNP:n, joka oli heterotsygoottinen kahdella lapsella (kaksi erilaista varianttia) eikä homotsygoottinen (sama varianttia molemmissa kromosomikopioissa), mikä merkitsi identtisen perimän mukaan identtisen alueen päättymistä. ”Rekombinaatiotapahtuma geenin keskellä mahdollisti sen, että Eric pääsi eroon suuresta osasta geeniä mutaation löytämiseksi. Se on täydellinen esimerkki siitä, että ’sattuma suosii valmistautunutta mieltä'”, tohtori Morton kertoi minulle. Tämä löytö leikkasi kiinnostavan alueen 7q:ssa 3,8 miljoonaan emäkseen.
Toinen geeniehdokas, CNTNAP2, sijaitsee kiinnostavan alueen keskellä. Kummaltakin lapselta puuttui siellä kromosomi 7:n molemmista kopioista yksi emäs, ja kummallakin vanhemmalla oli sama mutaatio, mutta vain toisessa kopiossa. He ovat kantajia. Se oli Mendelin ensimmäinen laki toiminnassa.
Ryhmä oli löytänyt geeninsä. Sitten he etsivät tarkemmin yhteisössä, ja 105 terveen amish-ihmisen joukossa neljä oli kantajia. Yhdeksällä 18 potilaasta, joilla oli osittaisia kohtauksia mutta ei tarkkaa diagnoosia, seitsemästä perheestä, oli CDFE-oireyhtymä.
Kohtaukset olivat hämmentäviä. ”Yksi mutaatio voi aiheuttaa erityyppisiä kohtauksia. Neljä lasta yhdessä perheessä reagoi eri tavoin. Jotkut ovat hyvin vammaisia, jotkut eivät ole kovin vammaisia”, tohtori Morton sanoi. Kolme lasta leikattiin kohtausten lievittämiseksi, mutta helpotus ei kestänyt. Leikkauksista saatiin kuitenkin aivokudosnäytteitä, joiden avulla tutkijat pystyivät paremmin kuvaamaan, mikä oli vialla.
Yhteydet kohtauksille alttiissa aivoissa ovat sekaisin. Harmaan ja valkoisen aineen rajat hämärtyvät, ja jotkut aivokuoren osat ovat paksuuntuneet. Itse neuronit eivät ole aivan kunnossa. Ne ovat liian pyöreitä, liian tiiviisti pakattuja, ja niiden dendriittipuut ovat sekaisin. Neuroneissa olevat pisteet viittaavat siihen, että niissä on liikaa glia-ytimiä, tukisoluja, jotka muodostavat suurimman osan hermostosta. Vuonna 2006 julkaistussa tutkimusraportissa kuvailtiin runollisesti amygdala, tunteiden tyyssija, epileptikkojen aivoissa ”eksentrisinä mikroskooppisina saarekkeina, jotka koostuvat osittain kypsyneistä hermosolujen esiasteista tiiviissä klustereissa”, jotka ovat verhoutuneet hillittömiin solukalvoihin.
Amish-epilepsian aivojen kuvaus oli järkevä sen työn valossa, jota tehtiin neureksiiniproteiinista CASPR2:sta (lyhenne tulee sanoista contactin-associated protein-like 2). Neureksiini muodostaa telineen Ranvierin solmukohdissa. Solmut ovat aksonin alttiita kohtia, jotka sijaitsevat myeliinityynyjen välissä. Myeliini on eristävää materiaalia, joka on itse asiassa hermosolujen solukalvoja, jotka on kiedottu neuronin ympärille kuin laastari sormen ympärille. Hermoimpulssit kiertävät solmut ja lähettävät viestejä riittävän nopeasti ylläpitääkseen elämää.
Amish-lapsilla CASPR2-proteiinit ovat kitukasvuisia. Ne eivät kulje hermosolun solukalvojen läpi ja uppoa sytoplasmaan niin kuin pitäisi, ja sen seurauksena läheiset kaliumkanavat romahtavat. Nämä kanavat sallivat normaalisti kaliumionien ryntäämisen ulos hermosoluista impulssin kulkiessa ja nollaavat sen. Ilman neureksiiniä hermosolu ei siis pysty nollaamaan itseään. Transmissio pysähtyy. Ja jotenkin kohtaukset alkavat. En usko, että tiedetään, aiheuttavatko kohtaukset autistiset piirteet vai syntyvätkö ne suoraan – geneettisten jatkotutkimusten pitäisi osoittaa se.
MUUTTOMALLI
Daniel Geschwind, tohtori, lääketieteen tohtori ja neurologian professori UCLA:n David Geffenin lääketieteellisessä tiedekunnassa, työskenteli autismigeenien parissa ja luki vuonna 2006 New England Journal of Medicine -lehdessä julkaistun artikkelin. ”Hän soitti ja sanoi: ’Löysit minun geenini!’. Alkoi mukava yhteistyö, ja hän teki hiiren, jossa oli amish-mutaatio”, tohtori Morton sanoo. Hiirillä on CNTNAP2-geeni tyrmätty, ja kuten ihmisillä, niillä on kouristuksia ja autistisia piirteitä.
”Hiiri juoksee yleensä ympäri häkkiä, normaalisti sosiaalinen ja höpöttelevä. Nämä hiiret eivät olleet kumpaakaan”, tohtori Morton selitti. Hiiret osoittivat myös toistuvaa käyttäytymistä ja niillä oli kouristuksia.
Mutanttihiirten aivoissa näkyi epänormaali kytkentäkuvio, joka muistutti aiempaa histologista työtä. ”Aivojen etuosa keskustelee enimmäkseen itsensä kanssa. Se ei kommunikoi yhtä paljon muiden aivojen osien kanssa, ja siltä puuttuvat pitkäkestoiset yhteydet aivojen takaosaan”, Geschwind sanoi. Ryhmä oli osoittanut samanlaisia poikkeavuuksia autististen lasten aivoissa.
Amissiolasten ja hiirten silmiinpistävä samankaltaisuus tarjoaa testialustan lääkkeille. Risperidoni, jota määrätään lasten toistuvan käyttäytymisen hoitoon, vaikutti hiiriin samalla tavalla ja paransi samalla niiden pesänrakennuskykyä. Lääke ei kuitenkaan auta lapsia sosiaalistumaan.
Yksilöinen lääkeehdokas sosiaalisten taitojen parantamiseksi on ”rakkaushormoni” oksitosiini. Sitä on runsaasti samoissa aivojen neuroneissa, joissa on runsaasti CASPR2-proteiinia. Voisiko liian vähäinen oksitosiinin määrä aiheuttaa autistisia piirteitä? Oksitosiinin lisäämisen tulokset ovat lupaavia sekä hiirillä että lapsilla.
Tohtori Geschwind ja työtoverit havaitsivat, että oksitosiinin nenäsumute ”parantaa dramaattisesti sosiaalisia puutteita” hiirillä. Koska ei-autistiset hiiret eivät reagoineet, hormoni näyttää todellakin kompensoivan vajetta.
Amish-maataloustuottajat antavat oksitosiinia jo lehmille supistamaan niiden kohdun lihaksia, ja muistan saaneeni sitä vauhdittamaan pysähtynyttä synnytystä. Mutta älä kokeile tätä kotona. Käynnissä on useita kliinisiä kokeita oksitosiinista tai lääkkeistä, jotka lisäävät sen aktiivisuutta aivoissa parantaakseen autististen lasten sosialisaatiota.
Autism Speaks rahoitti ensimmäisen kliinisen kokeen oksitosiinista vuonna 2010, ja NIH sponsoroi suurempaa meneillään olevaa kokeilua oksitosiinin nenäsumutteesta. Tietääkseni potilaat kuitenkin otettiin mukaan DSM-IV:n mukaisten kliinisten diagnoosien perusteella – ei genotyypin tarkemman kriteerin perusteella.
Vaikka ajatus oksitosiinin kokeilemisesta autismin sosiaalisten oireiden parantamiseksi ei edellyttänyt taustalla olevan mutaation tuntemista, tällainen tieto voi lisätä tarkkuutta johtopäätöksiin ottamalla huomioon mekanismin – mikä voi johtaa muiden hoitojen kehittämiseen. Toisessa postauksessa tarkastelen, miten geneettinen tarkkuus mahdollisti sen, että tohtori Morton pystyi kehittämään parannuskeinoja tiettyihin synnynnäisiin aineenvaihduntavirheisiin, jotka ovat paljon yleisempiä amishien keskuudessa, mutta jotka silti näkyvät kaikkien vastasyntyneiden näytöissä.