Zoek de verschillen

Mensen zijn genetisch vrijwel identiek. Maar de 0,1 procent verschil is wel verantwoordelijk voor de meeste erfelijke ziekten. Dus speuren onderzoekers naar af- wijkende letters in het DNA.

In de Centrale Vallei van Costa Rica woont een genetisch geïsoleerde bevolking. De vallei is omzoomd door oerwoud en hoge bergen. De medisch statisticus dr. Lodewijk Sandkuijl is er bijzonder in geïnteresseerd. ``De gehele bevolking stamt af van een paar honderd Spaanse kolonisten die er eeuwen geleden neerstreken en waarvan het nageslacht nu is uitgegroeid tot een half miljoen mensen. Al die tijd is er nauwelijks vermenging opgetreden met andere bevolkingsgroepen en dat maakt deze mensen zo interessant voor ons onderzoek.''

Sandkuijl is verbonden aan het Leids Universitair Medisch Centrum en adviseur van diverse grootschalige genetische onderzoeken in de Centrale Vallei. Met zijn collega's speurt hij in het DNA van de Vallei-bevolking naar de genetische oorzaken van manische depressie, het syndroom van Gilles de la Tourette, astma en migraine. ``Voor manische depressiviteit hebben we al duidelijke hints dat we op het juiste spoor zijn; ergens op chromosoom achttien ligt een gebied dat duidelijk correleert met de aandoening. Maar genen hebben we nog niet in handen.''

De onderzoekers zoeken in het DNA naar SNP's, kleine merkpunten die iemands genetische aanleg kunnen verraden. SNP's (spreek uit: `snips', voluit: Single Nucleotide Polymorphisms) bepalen een groot deel van de genetische variatie. Het DNA van verschillende mensen is bijna identiek: dat van twee willekeurige personen komt voor 99,9 procent overeen.

Erfelijke ziektes

De meeste variaties, en ook de meeste erfelijke ziektes, zijn toe te schrijven aan die kleine 0,1 procent verschil in genetische achtergrond. Die verschillen bestaan hoofdzakelijk uit SNP's. Nu de gemeenschappelijke genetische erfenis van de mens is vastgesteld in het onlangs voltooide Human Genome Project, zijn deze kleine verschillen des te interessanter geworden.

Het DNA bestaat uit een lange reeks van vier verschillende basen, die met de letters A, T, G of C worden aangeduid. Een SNP is de verandering van één zo'n letter, een puntmutatie. ATTGCCA wordt dan bijvoorbeeld ATAGCCA. Deze puntmutaties ontstaan door kopieerfouten bij de vermenigvuldiging van het DNA of door beschadiging van het DNA, bijvoorbeeld door straling (UV-licht) of chemische stoffen. SNP's komen vaak voor, gemiddeld in een op de driehonderd basenparen (sommige wetenschappers houden het op een op de honderd). Het complete menselijk DNA bestaat uit drie miljard basenparen, gemiddeld telt het DNA van een mens dus zo'n tien miljoen SNP's. Andere mutaties, waarbij langere stukken DNA verdubbelen of verdwijnen, komen veel minder vaak voor.

Sommige SNP's liggen in een gen of in regio's van het DNA die de activiteit van genen reguleren, en kunnen daar de orde zo verstoren dat zij de kans op een ziekte vergroten. Bepaalde vormen van kanker kunnen zo ontstaan. Veruit de meeste SNP's liggen echter als betekenisloze letters buiten de genen, in de circa 95 procent van het genoom dat bestaat uit het genloze, zogeheten junk-DNA. Deze SNP's zijn echter ook van belang bij het opsporen van ziektegenen, want ze kunnen dienen als genetische merkpunten. Als SNP's dicht in de buurt liggen van genen die de gevoeligheid voor een ziekte bepalen, erven zij vaak tegelijk met die genen over.

Tot 1996 vond het zoeken naar nieuwe ziektegenen voornamelijk plaats in families. Opsporen van genen in niet-verwanten betekende een nachtmerrie-achtige hoeveelheid werk op, omdat de onderzoeker vrijwel geen houvast heeft waar in het DNA hij moet gaan zoeken. Dat veranderde naar aanleiding van een baanbrekend artikel van de statistici Neil Risch en Kathleen Merikangas in Science (13 september 1996). De twee bewezen dat het mogelijk is om zeldzame genetische aandoeningen aan de hand van SNP's van een relatief klein aantal patiënten op te sporen. Sandkuijl glijdt met zijn vinger langs de rijen in de tabel die bij het artikel is afgedrukt: ``Stel dat een bepaalde mutatie het risico op het krijgen van een bepaalde ziekte met een factor 4 verhoogt, dan kun je – op een statistisch betrouwbare manier – de SNP daarvoor met tussen de 100 en 1000 patiënten vinden. Dat is dus goed te behappen.''

Vanaf dat moment zijn alle grote farmaceutische bedrijven als haviken op het SNP-onderzoek gedoken, in de verwachting dat zij met de kennis van de genetica van de meest uiteenlopende ziekten betere geneesmiddelen zouden kunnen ontwerpen. Een aantal ervan sloeg in april 1999 de handen ineen om samen met enkele computerbedrijven en academische centra het SNP-consortium op te richten. Het doel was voor april 2001 een kaart van 300.000 SNP's in het menselijk genoom samen te stellen. Die doelstelling is ruimschoots gehaald. In de dbSNP-databank van de National Institutes of Health zijn er al meer dan 2,8 miljoen bij elkaar gebracht (www.ncbi.nlm.nih.gov/SNP/).

Maar zelfs voor het SNP-onderzoek is vergelijking van het DNA van willekeurige mensen nog te hoog gegrepen. Daarom wordt veel SNP-onderzoek gedaan in een geïsoleerde genetische populatie. Eilanden zijn populair: IJsland, Sardinië, Tonga en Tristan da Cunha, allemaal hebben zij hun eigen SNP-jagers die op zoek zijn naar genetische oorzaken van uiteenlopende ziekten. Sandkuijl: ``Je hebt daar minder ziekte-oorzaken. De variatie in genen is grotendeels bepaald door het handjevol voorouders. In geïsoleerde populaties hoop je bij een complexe ziekte als manische depressie bijvoorbeeld maar zo'n tien sets van SNP's waarin patiënten verschillen van de rest van de bevolking. In niet-geïsoleerde populaties zou je wel tienduizend verschillende sets kunnen vinden.''

De `genetische goudmijnen', zoals Sandkuijl ze noemt, zijn nog lang niet allemaal aangeboord. ``Je vindt ze in in afgelegen valleien in Noorwegen, in dunbevolkt Finland en in de dalen van de Alpenlanden. Maar ook in Nederland. Hier missen we weliswaar de geografische afscheiding, maar de godsdienst heeft een grote rol gespeeld. Tussen de verschillende geloven werd niet gehuwelijkt. Zo heb je katholieke dorpen naast protestantse gemeenschappen. Bekend zijn de hechte Nederlandse gemeenschappen van Volendam, Katwijk en Spakenburg. Dat wordt in rap tempo minder door de ontkerkelijking en de grotere mobiliteit van mensen. Het zou voor ons interessant zijn om ook hier SNP-onderzoek te doen, maar dan moeten we dus wel snel zijn.''

nog efficiënter

Overigens is onlangs al weer een aanzet gegeven tot de ontdekking hoe ook buiten geïsoleerde bevolkingen goed SNP-onderzoek te doen is. In Nature van 10 mei beschrijven Britse en Amerikaanse onderzoekers hoe een slimme keuze van de onderzoekspopulatie het SNP-jagen nog efficiënter kan maken. Uit een vergelijking van Zweden met Nigerianen bleek dat er een groot verschil bestaat tussen verschillende etnische groepen als het op de verdeling van SNP's aankomt. SNP's die tot gemiddeld 60.000 basenparen uit elkaar liggen, erven bij de Zweden nog gezamenlijk over. Bij de Nigerianen is die afstand tussen gelijk overervende SNP's niet meer dan 5000 basenparen. Teamleider Eric Lander van het Whitehead Institute ziet mogelijkheden voor een tweetrapsbenadering: ``De grote aaneengesloten stukken DNA in de Noord-Europese populaties kunnen dienen om snel inzicht te krijgen waar de ziektegenen zich ongeveer bevinden. Vervolgens kun je naar de Afrikaanse populaties gaan om in het gevonden gebied in de kleinere DNA-segmenten gedetailleerd verder te zoeken.''

Het SNP-onderzoek is vooral van groot belang voor onderzoek naar multifactoriële ziekten, waar de genetische factoren gecompliceerd zijn, zoals bij depressie, schizofrenie, kanker, suikerziekte en hart- en vaatziekte. Voor ziektes die worden veroorzaakt door één genfout, zoals de ziekte van Huntington of taaislijmziekte, is familie-onderzoek meestal wel afdoende. Maar bij de multifactoriële ziekten is de erfelijkheid veel ingewikkelder, met vele genen die in het spel zijn. En de invloed van die genen is ook niet zwart-wit. Het ontstaan van deze ziekten hangt ook af van leefgewoontes en omgeving.

Door het DNA van meer dan honderd depressieve patiënten uit de Centrale Vallei te vergelijken met het DNA van evenveel gezonde controlepersonen, wisten Sandkuijl en zijn collega's een gedeelte van het DNA op te sporen dat bij patiënten duidelijk afweek. ``Vervolgens hebben we van dit gebied letter voor letter de DNA-volgorde bepaald van drie patiënten en drie mensen uit de controlegroep. Telkens wanneer we een afwijkende base aantroffen, testten we of die ook in de rest van de patiënten terug te vinden was. Zo vonden we een serie SNP's die drie maal vaker voorkomt bij manische depressieven dan bij de andereCosta-Ricanen.''

Sandkuijl heeft de SNP's bij de kop, maar het bijbehorende gen is nog niet gevonden. ``Welke SNP de relevante is en welke toevallig meelift, is niet te zeggen. Het kunnen ook best variaties zijn die alleen in deze Spaanse bevolking voorkomen en bij de rest van de wereldbevolking niet bestaan. Toch is deze kennis belangrijk, want het geeft een eerste idee van hoe het ziektemechanisme zou kunnen werken. Het wordt zo makkelijker om een volgend ziektegen voor manische depressie te vinden.''

Elders aan de Leidse universiteit werkt moleculair bioloog dr. Johan den Dunnen van de afdeling Antropogenetica van het Leids Universitair Medisch Centrum aan het ophelderen van SNP's die verband houden met de cholesterolhuishouding, vooralsnog in muizen. Ook darm- en borstkanker staan op het programma. Het onderzoek verkeert nog in de beginfase, aldus Den Dunnen, die net voor huidkanker een eerste resultaat heeft bereikt: ``We hebben voor het eerst duidelijk een SNP geïdentificeerd die correleert met een ziekte. Er kwam uit wat we al verwachtten: patiënten met een licht huidtype hebben een mutatie in een gen voor het huidpigment en hebben daardoor een grotere kans op huidkanker. Voor genetici is dit natuurlijk een open deur, maar het bewijst dat deze aanpak werkt. Als je een goed kandidaatgen hebt, kun je SNP's snel opsporen.''

Ook het farmaceutische bedrijf Organon in Oss is zeer geïnteresseerd in SNP's, hoewel het zich nauwelijks bezighoudt met het onderzoek in geïsoleerde bevolkingsgroepen om nieuwe genen op te sporen. Organon gooit het voornamelijk over een andere boeg: het bedrijf gebruikt SNP's om varianten van voor het bedrijf interessante genen in kaart te brengen. Bekend is bijvoorbeeld dat mensen aanzienlijk verschillende varianten van lever-enzymen kunnen hebben, bepaald door erfelijke aanleg. Die variëteit heeft grote gevolgen voor hoe mensen op bepaalde geneesmiddelen (bijvoorbeeld antidepressiva) reageren. Sommigen breken het geneesmiddel te snel af, waardoor het onwerkzaam is, anderen breken het juist te langzaam af, waardoor het bijwerkingen krijgt. ``Dit is een serieus probleem in de farmacie'', zegt Henri Theunissen, Research Alliance Manager van Organon. ``Er is aanleiding genoeg om al vroeg in het proces van de geneesmiddelenontwikkeling rekening te houden met individuele variatie van patiënten.''