Doodmoe

Genetische ziekten in de mitochondriën, de energiefabriekjes van alle levende cellen, leiden tot een snelle dood, of tot extreme vermoeidheid. Nijmeegse onderzoekers vonden een bijzonder gen.

EEN MEISJE dat binnen een maand na haar geboorte stierf staat aan de basis van een deze week gepubliceerde vondst van een genafwijking in de energievoorziening van lichaamscellen. De baby, in Duitsland geboren en van Libanese ouders, was vanwege groei-achterstand met een keizersnede vervroegd ter wereld geholpen. Na haar geboorte bewoog ze nauwelijks, was stijf en had een klein hoofdje. Al snel was het melkzuurgehalte in haar bloed veel te hoog. Haar lever gaf het op. Het meisje stierf 27 dagen oud.

Na enige tijd werd de moeder opnieuw zwanger. Het jongetje dat werd geboren was ook ziek, maar iets minder ernstig, en overleed na 5 maanden. Vader en moeder van de kinderen waren volle neef en nicht van elkaar. Een zeldzame erfelijke ziekte in de energiestofwisseling lag voor de hand. Maar welke?

Bewaard gebleven lichaamscellen van beide kinderen kwamen voor onderzoek bij kinderarts prof.dr. Jan Smeitink die aan het Universitair Medisch Centrum St Radboud in Nijmegen het centrum voor mitochondriële ziekten leidt. Mitochondriën zijn afzonderlijke, membraanomhulde energiefabriekjes waarvan er 100 tot 10.000 in lichaamscellen aanwezig zijn. Zij produceren het molecuul ATP, een energierijk molecuul dat in het hele lichaam de brandstof is voor ons bewegen, denken, groeien en voor de stofwisseling. Het lichaam slaat de energie die vrijkomt uit spijsverteerde koolhydraten, vetten en eiwitten op in ATP. De laatste stap van de ATP-productie gebeurt in de mitochondriën en heet de oxidatieve fosforylering, het OXPHOS-systeem. Het is een ingewikkeld systeem, waar 85 eiwitten bij betrokken zijn, gegroepeerd in vijf eiwitcomplexen die in het binnenmembraan van de mitochondriën liggen. Genetische afwijkingen in het OXPHOS-systeem verstoren de energievoorziening van lichaamscellen.

Smeitinks groep doet de diagnostiek van ziekten van het OXPHOS-systeem niet alleen voor Nederland, maar ook voor een flink deel van de wereld. De diagnostiek wordt in het genetisch tijdperk steeds geavanceerder, maar een genezende therapie is er nog niet.

Het gen, en de afwijking in het gen dat beide kinderen dodelijk ziek maakte, is gevonden door promovenda Marieke Coenen die tot vorig jaar in het centrum voor mitochondriële ziekten werkte en nu als postdoc bij antropogenetica in Nijmegen aan de slag is. Coenen wachtte met het afronden van haar proefschrift tot deze week de publicatie over de genvondst in The New England Journal of Medicine (11 nov) verscheen.

spierzwakte

Genetische ziekten van het OXPHOS-systeem zijn zeldzaam en komen voor bij 1 op de 10.000 geboren kinderen. In Nederland gaat het om ruim 20 kinderen per jaar. Smeitink: ``Als je heel kritisch kijkt zijn het er misschien meer, 1 op de 5.000 wellicht.'' Want wat is een ziekte? De ernst van genetische aandoeningen in het OXPHOS-systeem varieert van een snel dodelijke ziekte, tot migraine of diabetes. Smeitink: ``Er is een kleine groep waarbij de aandoening zich vroeg manifesteert en die meestal voor het vijfde levensjaar overlijdt. Dan gaat het om syndromen waarbij zwakzinnigheid, hart-, nier- en leverfalen en spierzwakte voorkomen. Stel je maar voor wat er gebeurt als je onvoldoende energie kunt maken om te groeien, te bewegen en je stofwisseling te onderhouden. Maar ik ken ook patiënten die op het gymnasium zitten en `slechts' een ernstige inspanningsintolerantie hebben. Na honderd meter lopen zijn zij totaal uitgeput.''

Het idee is dat mitochondriën ongeveer 2 miljard jaar geleden zelfstandig levende bacteriën waren die toen in andere kernhoudende cellen zijn opgenomen. Door die afkomst zijn mitochondriën de enige celcompartimenten met hun eigen erfelijk materiaal (DNA), waarvan ook de code nog eens afwijkt van het DNA in de celkern. Om onbekende redenen is sinds die tijd het merendeel van de genen die voor de mitochondriële bouw en werking nodig zijn naar de celkern verhuisd. Op het ringvormige DNA-molecuul in de mitochondriën zitten bij de mens uiteindelijk nog slechts 13 genen die voor eiwit coderen. De vijf eiwitcomplexen van het OXPHOS-systeem worden opgebouwd uit die 13 mitochondriële eiwitten én uit ruim 70 eiwitten waarvoor het coderende gen op de chromosomen in de celkern ligt.

De diagnose van een mitochondriële ziekte is de laatste tien jaar zeer veel gedetailleerder geworden. Smeitink en zijn groep achterhalen nu tot in detail in welk van de vijf OXPHOS-complexen de ziekte ontstaat. Smeitink: ``Tweederde van onze patiënten heeft een stoornis in één van de vijf complexen. Bijna altijd gaat het dan om een afwijking van een gen voor een van de eiwitten waaruit het complex is opgebouwd. Eenderde van de patiënten heeft echter een gecombineerde aandoening, waardoor meerdere complexen uitvallen. Zo'n gecombineerde aandoening ontstaat meestal doordat de aanmaak van alle eiwitten in de mitochondriën verstoord is. Meestal ligt de oorzaak dan in een fout in het mitochondriële DNA. De mitochondriële genfouten kunnen we tegenwoordig goed opsporen, ook al omdat het mitochondriële DNA-molecuul relatief kort is. We bleven echter zitten met een aantal patiënten met een gecombineerde OXPHOS-stoornis die niks mankeerden aan hun mitochondriële genen. Maar er was geen techniek om het aangedane gen in het kern-DNA op te sporen.''

afwijking

Het probleem daarbij was dat mitochondriële ziekten zo zeldzaam zijn. Het opsporen van een gen met een erfelijke afwijking te midden van de 25.000 genen in de celkern gebeurt traditioneel door DNA van zo veel mogelijk gezonde en zieke familieleden met elkaar te vergelijken. Smeitink: ``Maar de mitochondriële ziekten zijn zo zeldzaam dat er nooit veel zieke familieleden zijn. Die methode werkt bij ons niet.''

Smeitink en zijn promovenda Marieke Coenen zochten hun heil bij de pas ontwikkelde chromosoominbrengtechniek. Coenen leerde de techniek aan de McGill University in Montreal, Canada. De Canadezen gebruikten muizencellijnen waar met een retrovirus steeds één menselijk chromosoom aan is toegevoegd. Door de celkernen daarvan te fuseren met cellen van de patiënt is te achterhalen welk chromosoom het erfelijke gebrek opheft. Het was chromosoom 3.

Met wat onderzoekersgeluk vond Coenen snel een brokstuk van chromosoom 3 dat de gezonde versie van het gen bevatte. De databases van menselijke genen lieten zien dat van de 30 tot 40 genen op dat fragment er twee heel goed iets te maken konden hebben met de mitochondriële stofwisseling.

In één van die twee genen hadden beide Libanese kinderen één afwijkende letter in hun DNA, bleek na verdere analyse. Het gen codeerde voor de elongatiefactor EFG1, een enzym dat tijdens de eiwitsynthese ieder nieuw aangesleept aminozuur aan de groeiende eiwitketen plakt en de keten een positie opschuift, zodat het volgende aminozuur er aan kan.

Coenen en Smeitink lieten als een van de eerste onderzoekers ter wereld de kracht van de nieuwe chromosoominbrengtechniek zien bij het onderzoek naar zeldzame genafwijkingen. Bovendien waren ze de eersten die, met dit door het Prinses Beatrix Fonds gesubsidieerde onderzoek, de oorzaak van een gecombineerde OXPHOS-aandoening bij een gen in het kern-DNA vonden. Vandaar dat hun onderzoek in een vooraanstaand tijdschrift als The New England Journal of Medicine is gepubliceerd.

doorgronden

De vraag is ondertussen wat de patiënten aan het onderzoek hebben. Smeitink: ``Op dit moment nog weinig. Er bestaan überhaupt nog maar weinig therapieën tegen ziekten door erfelijke afwijkingen. Maar met het ontrafelen van de ziekte-oorzaken, door te kijken naar de afwijkingen, doorgronden we langzaam maar zeker ook steeds meer details van de normale energiestofwisseling. Zo verwerven we ook kennis over verouderingsprocessen, diabetes en kanker.'' Sommige patiënten hebben enige baat bij radicaalvangers of co-enzym Q. Het zijn therapieën die voortkomen uit kennis over het OXPHOS-systeem.

Geavanceerde moleculaire en genetische therapieën liggen in het verschiet. Niet zozeer door herstel van foute genen, als wel door het versterken van compensatiesystemen. De gegevens daarvoor komen van uitzonderlijke patiënten.

Smeitink vertelt hoe hij een paar jaar geleden in consult werd geroepen door een neonatoloog die een pasgeboren kindje in de couveuse had liggen met een zeer snelle ademhaling, een vijfmaal te hoge concentratie melkzuur in het bloed en nog andere desastreuze verschijnselen. ``Dat is bijna niet met het leven verenigbaar,'' aldus Smeitink, ``maar ze is nog steeds een patiëntje van ons. Ze is klein en mager gebleven en heeft permanent te veel melkzuur in haar bloed. Bij haar werkt complex III van het OXPHOS-systeem niet. Maar ze weet dat probleem op een of andere manier te omzeilen. Die patiënten dragen de sleutel voor therapieën in zich.''