De ontdekking van FXTAS

Door het bestuderen van grootvaders van kinderen met fragiele X syndroom, hebben wetenschappers FXTAS ontdekt, een aandoening die veroorzaakt wordt door afwijkingen in het RNA. Randi Hagerman is waarschijnlijk de enige kinderarts die een ziekte heeft ontdekt die zich pas op oudere leeftijd openbaart.

Hagerman heeft zich gespecialiseerd in de behandeling van kinderen met fragiele X syndroom. Verschillende jaren geleden begon haar iets vreemd op te vallen in de gesprekken met de ouders van haar patiënten. “Meestal kwam de moeder met het kind mee naar Randi. In de loop van het gesprek zei de moeder dan: ‘Ik maak me ongerust over mijn vader. Hij valt zo vaak'”, zegt moleculair bioloog Paul Hagerman, Randi’s echtgenoot en medeonderzoeker. “Dit was een patroon dat ze vaker en vaker hoorde”. 

Hand opsteken

Eerst vermoedden de Hagermans dat dit toeval was; een paar geïsoleerde gevallen van ataxie of coördinatieproblemen. Dat veranderde in 2000 toen Hagerman op een fragiele X conferentie in een presentatie voor ouders en onderzoekers verslag deed van de neurologische problemen bij een kleine groep grootvaders van haar patiënten. Aan het eind van haar praatje vroeg ze of er mensen waren die deze problemen herkenden. “Van de moeders in haar publiek, stak ongeveer een derde haar hand op”, zegt Randi. Paul herinnert zich de opwinding nog goed. In vervolg onderzoek hebben de Hagermans en anderen een serie symptomen in kaart gebracht die zich voordoen bij familieleden – meestal de grootvaders van moederskant – van kinderen met fragiele X syndroom.

Deze mannen zijn goed gezond en hebben een normaal tot bovengemiddeld IQ. In de loop van hun 50e tot 60e levensjaar krijgen velen van hen last van bevingen (tremor) en bewegingsproblemen die geleidelijk aan verergeren. Uit psychologisch onderzoek bij deze mannen komen ook cognitieve en psychiatrische problemen naar voren. De symptomen zijn veel ernstiger dan de normale verouderingsverschijnselen op deze leeftijd.

FXTAS

Deze nieuw ontdekte ziekte, het Fragiele X–gerelateerde tremor/ ataxie syndroom (FXTAS) kan wel eens een van de meest voorkomende erfelijk bepaalde vormen van een neurologische ziekte zijn. Onderzoek van de Hagermans en anderen heeft FXTAS verbonden aan hetzelfde gen dat voor fragiele X syndroom verantwoordelijk is – hoewel beide aandoeningen drastisch verschillend zijn. Onderzoekers bestuderen nu hersenweefsel van overleden FXTAS patiënten en ontwikkelen genetisch veranderde fruitvliegen en muizen in de hoop het onderliggende biologische proces te ontrafelen. Artsen brengen tegelijkertijd het klinische beloop bij patiënten met FXTAS in kaart. Dit moet neurologen helpen om de diagnose te stellen – iets dat nu vaak niet gebeurt.

Meer risico’s

“Eerst was niemand er nog zeker van of dit echt was”, zegt Stephen Warren, een geneticus van de Emory Universiteit in Atlanta en betrokken bij de ontdekking van de genetische mutatie die fragiele X syndroom veroorzaakt. Dokters hebben altijd tegen familieleden van kinderen met fragiele X syndroom gezegd dat zij zelf geen gezondheidsproblemen hoefden te verwachten en dat hun enige risico was om een ‘fout’ gen door te geven aan een volgende generatie. Nu, zegt Warren, is het duidelijk dat dit anders is.

Paul and Randi Hagerman onderzoeken een FXTAS patient, de grootvader van een kind met fragiele X syndroom.

Het premutatie raadsel

De naam fragiele X syndroom is afgeleid van het breekbare uiterlijk van het X chromosoom van mensen met deze aandoening. Wanneer men het onder de microscoop bekijkt lijkt het alsof een deel van het chromosoom aan een dun draadje hangt. In 1991 werd een veranderd gen ontdekt in dat gedeelte van het chromosoom. Een soort genetische ‘stotter’ maakt dat in dat gen, het FMR1 gen, 200 of meer herhalingen optreden van steeds drie aminozuren: een cytosine gevolgd door twee guanines, ofwel CGG. Mensen zonder fragiele X syndroom hebben ongeveer 30 van deze CGG herhalingen in het FMR1 gen. Bij 200 of meer herhalingen raakt het gen buiten werking en wordt het eiwit waarvoor het codeert, FMRP, niet meer gemaakt. Hoe het gebrek aan FMRP de verstandelijke handicap en andere fragiele X kenmerken veroorzaakt is nog niet duidelijk. Maar onderzoekers zijn opgewonden geraakt over een recent ontwikkelde theorie die een verband legt tussen de beperkingen en ‘neurale plasticiteit’ (zie kader).

Overerving

In sommige opzichten volgt het overervingpatroon bij fragiele X het script dat iedere genetica student leert. Omdat het X chromosoom van een jongen altijd afkomstig is van zijn moeder (een jongen heeft een X en een Y chromosoom), kan hij alleen van zijn moeder het ‘foute’ X chromosoom krijgen. En omdat jongens maar één X chromosoom hebben, heeft een jongen met de fragiele X mutatie geen andere manier om FMRP te maken.

En meisjes?

Meisjes zijn gecompliceerder. Meisjes hebben een reserve kopie van het FMR1 gen op hun tweede X chromosoom, maar toch kunnen meisjes ook fragiele X syndroom krijgen. Hoe dit kon, was lang een raadsel. Een ander raadsel is dat de meeste moeders van zonen met fragiele X zelf minder dan 200 CGG herhalingen hebben. Zij hebben een ‘premutatie’ waarbinnen het aantal herhalingen varieert van 55 tot 200. Via een nog steeds mysterieus proces kan het aantal herhalingen uitgroeien tot de volledige mutatie, wanneer de premutatie wordt doorgegeven van moeder naar kind. Mannen kunnen ook drager zijn van de premutatie en deze doorgeven aan hun dochters (alleen dochters erven hun vaders X chromosoom), maar dan blijft het aantal herhalingen gelijk.

Ander hersengebied

In 1999 toen Randi Hagerman zich ongerust begon te maken over de grootvaders van moederskant van haar patiënten, nam ze contact op met de neurologe Maureen Leehey, een bewegingsspecialist van het medisch centrum van de Colorado Universiteit in Denver waar de Hagermans in die tijd werkten. Tegen verschillende van deze mannen was gezegd dat ze de ziekte van Parkinson hadden, een ziekte die samenhangt met het afsterven van de basale ganglia, een hersengebied dat helpt om bewegingen goed uit te voeren. Maar Leehey’s neurologische testen wezen op problemen in een ander hersengebied.

Signalen dat er problemen zijn. Boven: een MRI scan onthult degeneratieve verschijnselen van FXTAS. Onder: eiwitinclusies in neuronen (zwarte pijl) en astrocyten (open pijl) zijn kenmerken van de ziekte (zichtbaar gemaakt in post morten weefsel)

De mannen presteerden bijvoorbeeld slecht op een test waarbij ze in een rechte lijn moesten lopen (met de hiel van de ene voet tegen de teen van de vorige). Patiënten met Parkinson doen het verrassend goed op deze test, zegt Leehey, maar de grootvaders konden nauwelijks met de ene voet voor de andere staan, laat staan in een rechte lijn lopen. Dat suggereert dat er een probleem is in het cerebellum, een hersenstructuur aan de achterkant van het brein die belangrijk is bij balans en coördinatie. Vervolgens is via hersenscan onderzoek dit vermoeden bevestigd. Op de scans is te zien dat een belangrijk communicatiekanaal tussen cerebellum en hersenstam als het ware gekrompen is. Uit deze onderzoeken bleek bovendien dat er verspreid door het brein signalen waren voor afname van witte stof, de zenuwuiteinden (axonen) die signalen doorgeven.

Wat zou hiervan de oorzaak kunnen zijn?

Het FMR1 gen is bij FXTAS patiënten niet stilgelegd zoals bij mensen met fragiele X syndroom. Het genproduct FMRP kan normaal worden aangemaakt. De vertaling van DNA naar eiwit gaat via het boodschapper RNA (mRNA), zegt Paul Hagerman. Bij mensen met de premutatie bevat het FMR1 boodschapper RNA (FMR1mRNA) een hoog aantal CGG herhalingen net als het gen zelf (want het boodschapper RNA spiegelt het DNA). Wat Hagerman – onverwacht – gevonden heeft is dat mensen met de premutatie vijf tot tien keer méér FMR1mRNA maken dan mensen zonder de premutatie. “Het is een raadsel”, zegt hij. “Je zou eerder verwachten dat het omlaag gaat.”

Plukjes eiwit

In 2002 rapporteerden de Hagermans en collega’s dat overal in de hersenen van vier overleden FXTAS patiënten kleine plukjes eiwit zichtbaar waren. Deze ‘inclusies’ vonden ze vooral binnen de celkernen van de neuronen, en deze inclusies bevatten onder andere hoge concentraties van FMR1mRNA.

Het team heeft nu 11 hersenen van overleden FXTAS patiënten onderzocht. Ze ontdekten dat in de hersenen van patiënten met méér CGG herhalingen in FMR1 ook meer inclusies aanwezig waren en dat deze patiënten op een jongere leeftijd overleden dan mannen met minder CGG herhalingen.

Men onderzocht ook de inclusies zelf. Het team vond meer dan 20 verschillende eiwitten binnen deze inclusies. Een daarvan, lamin A/C, is vooral interessant, zegt Paul Hagerman. Lamin A/C is een eiwit dat onder andere nodig is om de wand van de celkern te verstevigen. Hagerman heeft het vermoeden dat de CGG herhalingen het FMR1mRNA ongewoonlijk aantrekkelijk maakt voor verschillende eiwitten, waaronder lamin A/C. Volgens deze theorie trekt het mRNA deze eiwitten aan, waardoor ze hun normale taken binnen de cel niet meer kunnen uitvoeren.

Ring rond kernwand

En inderdaad toen men in het laboratorium FMR1mRNA met extra CGG herhalingen toevoegde aan gekweekte menselijke zenuwcellen, verstoorde dit de werking van lamin. Hagerman en collega’s rapporteerden dit in december 2005 in het tijdschrift Human Moleculair Genetics. “Normaal zie je een mooie ring rond de kernwand wanneer je een kleuring voor lamin toevoegt”, zegt Hagerman, “Maar met de extra herhalingen breekt deze ring af en zie je alleen brokstukjes.” Hagerman zegt dat het nog te vroeg is om te zeggen hoe deze verstoring in lamin A/C de afbraak van axonen bewerkstelligt. We weten wel dat lamin – onregelmatigheden ook betrokken zijn bij een andere neuro degeneratieve ziekte, de ziekte van Charcot-Marie-Tooth.

Het kleverige mRNA scenario

Andere onderzoekers zijn het met hem eens dat het ‘kleverige mRNA scenario’ plausibel is. Velen zien een parallel met een erfelijke spierziekte; myotone dystrofie. Meestal is de oorzaak van deze aandoening een mutatie in een gen die maakt dat het bijpassende mRNA een abnormale CTG herhaling vertoont. Verschillende eiwitten kleven daarbij aan dit gedeelte vast en negeren hun gebruikelijke taken, waardoor de cellen niet meer normaal kunnen werken. Hoewel veel erfelijke aandoeningen worden veroorzaakt door een mutatie die een gen stillegt (zoals bij fragiele X syndroom) of een afwijkend genproduct oplevert (zoals bij de ziekte van Huntington), is myotone dystrofie tot dusverre de enige aandoening waarvan men weet dat die veroorzaakt wordt door afwijkend RNA.”Het idee van RNA toxiciteit is heel nieuw” zegt geneticus Peng Jin. Net als de Hagermans heeft Jin het vermoeden dat RNA toxiciteit aan de wortel ligt van FXTAS.

Fruitvliegjes en muizen

In samenwerking met Warren en anderen publiceerde Jin in 2003 een artikel waarin werd aangetoond dat toename van CGG herhalingen bij fruitvliegjes degeneratie van neuronen veroorzaakte. Bij deze fruitvliegjes vond men ook inclusies in de hersencellen, vergelijkbaar met de inclusies bij FXTAS patiënten. Tezelfdertijd begonnen onderzoekers de effecten van FMR1 premutaties te bestuderen bij dieren met een zenuwstelsel dat meer lijkt op het onze.

Afgelopen jaar beschreven Ben Oostra en collega’s van de Erasmus Universiteit in Rotterdam op FXTAS lijkende symptomen bij mannelijke muizen met 98 CGG herhalingen in het gen. “Wanneer je naar deze muizen kijkt op jonge leeftijd, dan is er geen verschil met hun normale muizenbroertjes”, zegt Oostra, “Maar rond de leeftijd van een jaar – middelbare leeftijd voor een muis – beginnen de muizen met de premutatie symptomen van ataxie te vertonen.” De Nederlandse onderzoekers rapporteerden op 30 juli 2005 in het tijdschrift Behavioral Brain Research dat deze muizen ongewoon schichtig werden en geheugenproblemen kregen die erger werden naarmate ze ouder werden – beide kenmerken zijn ook beschreven bij patiënten met FXTAS.

Gemiste of verkeerde diagnose

Artsen zijn nog druk doende om de kenmerken van FXTAS bij mensen op te helderen. “Uit recent onderzoek komt naar voren dat cognitieve en geheugenproblemen vaak volgen op de ataxie en de bevingen (tremor), zo zegt Randi Hagerman. Patiënten hebben er vaak moeite mee om plannen te formuleren, hun aandacht te richten of om te weten wat passend gedrag is in bepaalde situaties. “Er was een man [met FXTAS] wiens familie vertelde dat ze uit eten gingen en dat hij naar het toilet ging en terug kwam met de toiletbril op zijn hoofd bij wijze van grap”, zegt Randi Hagerman. Een combinatiestudie van drie belangrijke onderzoekers (Hagerman, Leehey, Berry-Kravis) gaat nu de precieze kenmerken van FXTAS in kaart brengen en beschrijven hoe het beloop is. Een belangrijk doel, zegt Elizabeth Berry- Kravis, is om te bepalen of het aantal CGG herhalingen voorspellende waarde heeft voor de ernst en het soort kenmerken.

Gevolgen

Bij mannen met de premutatie neemt de frequentie van voorkomen van FXTAS scherp toe met de leeftijd. Van 17% van de mannen in hun 50e naar 38% van de mannen in hun 60e en 75% van de mannen van 80 jaar en ouder, aldus een studie uit 2004. De onderzoekers schatten dat de aandoening een op de 3000 mannen in de algemene bevolking treft (FXTAS lijkt erg zeldzaam te zijn onder vrouwen). Ter vergelijking, de ziekte van Huntington komt voor bij ongeveer 1 op de 10.000 mensen en de ziekte van Parkinson treft ongeveer 1 op de 100 mensen. Krijgen mensen met FXTAS de diagnose ‘Parkinson’, dan kan dit leiden tot een behandeling die geen enkel resultaat geeft of erger die negatieve gevolgen heeft, zegt Paul Hagerman. En de tweede reden waarom het belangrijk is om te weten is omdat het gevolgen kan hebben voor de genetische counseling, zegt Randi Hagerman. “Naarmate het bewustzijn over FXTAS toeneemt, gaan neurologen de ziekte ook vaststellen bij mannen die in hun familie niet bekend zijn met fragiele X. Sommige van deze mannen kunnen dochters hebben die de leeftijd hebben om hun eigen gezin te gaan stichten. En het overervingpatroon maakt dat al deze dochters draagsters zijn van de premutatie. Zij wisten niet dat ze draagsters zijn, en dat is toch belangrijke informatie.”

Bovenstaand artikel beschrijft de ontdekking van FXTAS. Het is een vertaling van een artikel dat in 2007 werd gepubliceerd door de The American Association for the Advancement of Science (AAAS).