1. No category

Skizofreni
Sammenhængen mellem den neuropsykiatriske sygdom og menneskets genetiske kode
Stefni Ravichandran, Kirstine Birkebæk Okkels og Amalie Bruno-Johansen 2.w Stenhus Gymnasium og HF
Indledning
Skizofreni er en psykisk sygdom i hjernen. Ca. en halv procent af den danske befolkning er ramt af denne lidelse.
Man mener, at skizofreni skyldes en ubalance i det dopaminerge system. Grundet øget mængde af dopamin i de
mesolimbiske baner, oplever patienten positive symptomer, hvilket er symptomer, der bliver ”lagt til” såsom hallucinationer, vrangforestillinger og storhedsvanvid. Mangel på dopamin i det præfrontale cortex menes at være årsag
til de negative symptomer, som er symptomer, der bliver ”taget fra” den syge såsom indadvendthed, manglende
initiativ og energi. Derudover ses kognitive forstyrrelser som evnen til at organisere, planlægge og have overblik1.
Man kender ikke den egentlige årsag til skizofreni, men man ved, at det ofte opstår i de unge år og som følge af en
blanding af arvelige og miljømæssige aspekter.
Der findes i dag medicin, der kan afhjælpe symptomerne men ikke helbrede sygdommen. Denne medicin virker typisk ved at blokere for dopaminet og har særlig
god effekt over for de positive symptomer. Medicinen kan give anledning til bivirkninger, og der er således et klart udækket behov for at finde medicin med færre
bivirkninger og bedre virkning over for især negative og kognitive symptomer1.
3. CNV’er associeret med skizofreni
5. Behandling
Efter at det menneskelige genom nu er identificeret, er der fundet forskellige typer af kromosomforandringer,
der kan associeres til psykiske sygdomme. Der kan være tale om deletioner eller duplilkationer – såkaldte
CNV’er og SNP’er. Udover deletioner og duplikationer, kan de komplementære basepar sidde forkert overfor
hinanden og dermed danne kromosomforandrigner.
Der er fundet mange forskellige CNV’er og SNP’er (snipper), der er associeret med skizofreni, men vi har valgt
at tage udgangspunkt i to højrisiko CNV’er (10-20 gange højere risiko for at udvikle skizofreni end normalt):
22q11.2 og 2p16.39.
CNV’en 2p16.3 sidder på genet NRXN1, der koder for dannelse af proteinet Neurexin 1. Kunne man finde et
stof, der virker som Neurexin 1, ville det kunne hjælpe de skizofreniramte patienter.
Der er to stadier i forskningsarbejdet: Det første er at identificere, hvilken given adfærd, der karakteriserer
mus med den introducerede CNV. Dernæst kan man, når denne adfærd kendes, relatere dette til kendte
skizofrenisymptomer.
I musemodeller kan man afprøve forskellige kemiske stoffer for, om de virker som de skal. Gør de dette,
vil de(t) evt. kunne bruges i behandlingen af patienter med de givne symptomer.
Et eksempel kan være:
Introduktion af CNV’erne i musene. Derefter skal musenes adfærd karakteriseres.
Et forsøg har vist, at mus med Neuraxin 1a deletioner, har adfærdsmæssige ændringer, der korrelerer med kognitive udfordringer. Det kan
eksempelvis være problemer med at planlægge og arrangere.
Det kunne være interessant at opsætte flere forsøg, der på forskellig vis
kunne vise musenes forskellige adfærd.
Ved at finde et stof, der virker på samme måde som Neurexin 1a vil man måske
kunne finde et præparat, der kunne have effekt på den skizofrene patients
kognitive symptomer, som er et af de udækkede behov, der er ved behandlingen af mange skizofrenipatienter.
Hvis man laver andre forsøg, hvor musene reagerer anderledes, kan det korrelere til andre aspekter og
dermed give ny og større viden.18
Når man har CNV’en 19a17.2 (fiktiv), er 19 et udtryk for, hvilket kromosom, der er tale om. ”A” fortæller
noget om, hvor på kromosomet, denne CNV sidder. Det kan bla. være på ”højre arm” af kromosomet og
derefter fortæller ”17.2”, hvor på højre arm, CNV’et er placeret.
2. DNA-SEKVENTERING
Inden for DNA-sekventering findes der allerede flere forskellige metoder, og samtidig udvikles der hele
tiden flere og mere præcise samt fuldendte sekventeringsmetoder. Udgangspunktet var Sanger-metoden,
men i dag er det hovedsageligt henholdsvis Illumina- og 454-metoden, der anvendes. Da 454 er den mest
komplekse (og derfor også den langsomste) metode, er den også den bedst egnede til sekventering af
menneske-DNA.
Illumina sekventering:
Ved Illumina, også kaldet Solexa sekventering2, fragmenteres DNA-prøven og adaptere tilføjes i hver ende.
DNA-fragmenterne bliver størrelsesdefineret vha. gelelektroforese, og stykker med 200-300 basepar
bliver anvendt i sekventeringen. Disse fragmenters ene ende binder sig tilfældigt til primere, som er
placeret på et objektglas. Da disse DNA-stykker er enkeltstrengede, vil polymeraser danne de komplementære strenge, og tilsammen forme dobbeltstrengede DNA-fragmenter. Dernæst replikeres DNA ved
”bridge PCR”-metoden2, hvor DNA-stykkerne bukkes således at enderne af DNA-stykkerne alle er koblet
til objektglasset, og DNA-fragmenterne på den måde danner en bro. DNA-strengene slipper hver deres
ende, så enkeltstrengede DNA-stykker (dvs. ssDNA3) kommer til at stå lodret. Denne proces fortsætter
til der er dannet en slags koloni af ens DNA-stykker, som består af det antal af gener, der er relevant for
forskningen, og DNA’et sekventeres derefter4.
Step 3
Syntese sekventering startes, og de enkeltstrengede DNA-fragmenter kopieres ved hjælp af et enzym, for
på den måde at lave DNA-fragmenterne dobbeltstrengede. Polymerase sætter sig på den ene ende af
de enkeltstrengede DNA-fragmenter, og påsætter enkelt-nukleotider, der er komplementære til den enkeltstrengede DNA, for at opnå starten på den dobbeltstrengede struktur. Beads’ne med DNA placeres
i en plade, hvor der kun er plads til en enkelt bead pr. rum. Pladen placeres i sekventeringsmaskinen, og
sekventeringen påbegyndes5.
454 sekventering:
CNV’en 2p16.3, hvis funktion ligger i genet NRXN 1, der koder for produktionen af proteinet Neurexin 1, som
er et præsynaptisk (før synapse) protein, der hjælper neuroner til at blive limet på synapsen10. Dette præsynaptiske protein kaldes et celleadhæsionsmolekyle11, og kan associeres med skizofreni, da NRXN1 er et gen, der
fungerer i nervesystemet.
Deletioner i NRXN1 er oftest forbundet med autisme, men kan relateres til skizofreni-familien. Der er lavet forsøg,
hvor NRXN1 og dets meget nært beslægtede gener, NRXN2 og NRXN3 er undersøgt for CNV’er i 2.977 skizofrenipatienter og derudover er 33.746 kontrolpersoner, fra syv forskellige europæiske befolkningsgrupper, testet.
Man fandt ingen CNV’er i NRXN2 og NRXN3. Dog fandt man 66 deletioner og 5 duplikationer i NRXN1 hos
skizofrenipatienterne mod henholdsvis 49 og 3 hos kontrolpersonerne.12
For at overskueliggøre processen, kan 454-metoden opdeles i fire step5,6.
Step 1
Det DNA-genom der skal undersøges, forberedes, og der etableres en samling af kopier af DNA molekyler
fra den pågældende person7. DNA’et sprænges til mindre DNA-fragmenter (dog stadig dsDNA7) med en
størrelse på omkring 400 til 600 basepar. ”A” og ”B” adaptere med farvestof tilsættes væsken med DNAfragmenterne, og både en ”A” og en ”B” adapter kobles vha. et enzym til hver deres ende af hvert DNAfragment. Fragmenterne tilkobles derefter enkeltvis på specielle dråber (såkaldte beads). Under opvarmning bliver hydrogenbindingerne i DNA-fragmenterne ustabile, og den dobbeltstrengede struktur ændrer
sig til enkeltstrengede. Resultatet er mange ’beads’ med identiske enkeltstrengede DNA-fragmenter5.
Step 4
I selve sekventeringsprocessen påsættes baser, der er komplementære til baserækkefølgen på det enkeltstrengede DNA via polymerasen. Hver gang en komplementær base tilkobles det enkeltstrengede
DNA udsendes et lys, der registreres af sekventeringsmaskinen. Hver base har hver deres farve.
Lysglimtet er proportionelt med antallet af ens baser der påsættes samtidigt. Dvs. at hvis der påsættes 3
komplementære baser til 3 A’er der sidder i træk på den enkeltstrengede DNA, vil det fremkaldte lys være
tre gange så kraftigt som hvis der kun sad ét A. Sekventeringsmaskinen analyserer lysglimtene, og danner
en oversigt over genomet5.
Step 2
Emulsionsvæske (dvs. en vand/olie-blanding) tilsættes reagensglasset med DNA-prøven samt enzymer.
For at replikere DNA-fragmenterne, påhæftes de til en anden type beads –”micron-sized beads”. Kombinationen af vand og olie samt rystning af blandingen, resulterer i, at der dannes yderligere dråber (droplets)
uden om beads’ne, kaldet emulsioner. PCR-teknikken ”Emulsion PCR”8 igangsættes ved, at det tilsatte
enzym påvirker DNA-fragmentet i hver dråbe, til at replikere. Det fører til omkring 10 millioner kopier af
DNA, som alle er koblet til beads. Beads’ne separeres fra emulsionsvæsken og renses5.
22q11.2 deletionen er en CNV, hvor et stykke af kromosom 22 mangler. Dette sted er betegnet q11.2 og er
placeret omkring midten af kromosomet.
Man har længe vidst, at patienter med 22q11.2 variationen har lidelser, der er meget karakteristiske for
netop denne variation, såsom ganespalte, infektioner forårsaget af et dårligt imunforsvar og hjertefejl, som
oftest opstår ved fødslen.
Derudover har børn med denne CNV større risiko for at udvikle ADHD og autisme end børn uden denne CNV
har. Nu er det så fundet at der også ses øget risiko for at udvikle psykiske sygdomme såsom skizofreni i
ungdomsårene og frem, hvis man lider af denne CNV.
22q11.2 variationen er betegnelse for mangel på en sekvens på ca. 3.000.000 basepar på kromosom 22.
Det medfører, at ca. 30-40 gener mangler. Et af disse gener er COMT, som ligger i regionen 22q11.2.
Genet kan medvirke til at forklare, hvorfor der kan være øget risiko for psykiske sygdomme og hvorfor de
ramte kan have adfærdsmæssige problemer9.
Forskere mener også at være kommet frem til, at tabet af genet TBX1, sandsynligvis forårsager mange af de
karakteristiske lidelser, der følger med CNV’en9.
22q11.2 variationen bliver opdelt i mange undergrupper, da der er mange symptommæssige varianter.
Ca. 1 ud af 4.000 har denne CNV og dette tal kan endda være langt højere, da det ikke er alle, der viser tegn
på 22q11.2 variationen.
22q11.2 variationen forekommer ofte tilfældigt i den tidlige udvikling af fosteret eller når kønscellerne dannes9.
Affected people typically have no history of the disorder in their family, though they can pass the
condition to their children.
For nylig har man fundet frem til flere væsentlige, men også sjældne CNV’er. To eksempler er 1q21.1 og 15q13.3.
Dog kender man ikke deres præcise funktion endnu. Derfor er forskere begyndt at undersøge disse CNV’er.
Man har, vha. undersøgelser, fundet frem til at 45 patienter på verdensplan har CNV’en 1q21.113,14.
Det er dog svært at redegøre for, og bestemme vigtigheden af forskellige CNV’er, da skizofreni er en meget
kompleks sygdom og man derfor langt fra har opdaget og/eller kortlagt alle genforskelle. Der findes ikke én
genforandring, der er årsag til skizofreni, så på nuværende tidspunkt antages det, at sygdommen kan være
fremkaldt af flere genforandringer, der tilsammen giver sygdommen.
Da skizofreni også er en sygdom, der fremprovokeres og påvirkes af det miljø, den syge færdes og befinder sig
i, kan CNV’er (samt SNP’er) derfor ikke bestemmes til at være den eneste årsag til sygdommen.
Det kan tænkes, at NRXN1 virker som en antagonist, som sætter sig på receptoren således, at dopamiet ikke
har mulighed for det15.
6. Brug af vores genetiske sekvens til diagnosticering
At vi i dag kan kortlægge hele genomer og dermed også bruge genetiske sekvenser til diagnosticering af
sygdomme og vurdering af risici og disponeringsfaktorer er nyt, og med ny viden følger også nyt ansvar og nye
overvejelser. Viden om vores genetiske koder, genfejl og disses sammenhængen med vores nervesystem kan
være med til, at man kan udvikle medicin, der er specialiseret og tilpasset præcis en bestemt genfejl eller
kombinationen af visse bestemte genfejl der disponerer for en sygdom, sådan at man i fremtiden kan give
symptombehandling rettet mod de specifikke områder genfejlene påvirker. Behandling og medicinering efter
det enkelte individs genom vil dermed give mulighed for bedst mulig behandling. Kortlægningen af genetiske
sekvenser vil også give mulighed for yderligere forståelse for koblinger mellem genfejl og kroppens funktioner
og helbredet. Risikovurdering og disponering for sygdomme ud fra viden om genetiske sekvenser kan være
vejen til forøgede chancer for succesfuld behandling og eventuel helbredelse, da man ved at kende genetiske
sekvenser kan være ekstra opmærksom på områder hvor et individ er meget disponibel for en sygdom, og
man på den måde kan være opmærksom på symptomer for den eller de pågældende sygdomme, og dermed
gribe væsentlig hurtigere ind og igangsætte behandling.
Ved kortlægning af genomer og brug af genetiske sekvenser til diagnosticering er der dog også eventuelle
konsekvenser der bør overvejes. Informering om disponering for sygdomme kan øge den pågældende persons
opmærksomhed på helbred og eventuelle sygdomstegn, og opmærksomheden risikerer at blive en angst, der
måske kan fremprovokere den egentlige sygdom, som fx skizofreni. Der er risiko for at nogle personernes
livskvalitet kan nedsættes ved viden om risici, der derfor kan have en meget bevidstgørende virkning.
Derudover bør der tages etiske overvejelser i forbindelse med behandling og opdagelse af nye koblinger mellem
fx CNV’er og sygdomme. Denne store viden kan muligvis give mulighed for opdagelse af disponering for sygdomme allerede på embryon-stadiet. Hvis gentests af fostre udbygges til en fuldstændig genom-kortlægning
med bl.a. oversigt over risici for udvikling af sygdomme, skal abortregler og regler for etik omkring ægsortering
sandsynligvis tages op til revision. Er et foster meget disponibel for udvikling af skizofreni, vil det så være i orden
at vælge det fra ved abort, eller for forskere at afslutte graviditeten for at bruge arvematerialet til forskning for
eventuel opnåelse af yderligere viden omkring sygdomme der muligvis vil være banebrydende og kan være en
afgørende hjælp for mange mennesker med samme genfejl i fremtiden? Her kan en diskussion om deontologi
(også kaldet pligtetik)19 mod utilitarisme (også kaldet nytteetik)20 opstå. Når de etiske overvejelser tages med,
er det spændende om vi ved at forske videre, en dag vil kunne helbrede alle skizofrene, eller i hvert fald finde en
ny og mere effektiv behandling med kun ganske få og harmløse bivirkninger.
4. Museforsøg
Kendskab til CNV’er associeret med skizofreni åbner muligheden for at få ny viden om såvel sygdommen som
mulig behandling af denne.
Da det er for risikabelt at starte med at teste ukendte lægemidler på mennesker, bruges ofte laverestående
dyr som mus og evt rotter som menneskellige sygdomsmodeller. Man søger således at introducere en given
CNV, som man ønsker at undersøge i eksempelvis mus, som derved fungerer som in vivo model for denne genvariation.
Man introducerer disse CNV’er i generne hos mus, ved at tage udgangspunkt i en menneskelig stamcelle og
ved hjælp af kromosomteknik udføres deletioner, duplikationer, translokationer og inversioner af store stykker
DNA16. Når den ønskede defekt er produceret, indsprøjtes DNA’et i en ægcelle fra en mus. Derefter sættes
denne ægcelle op i en rugemus, og der ventes nu et musefoster med den givne CNV. På denne måde kan mus
med denne CNV produceres17.
Ved at studere og teste disse mus vil man kunne lære, hvordan de adskiller sig fra normale mus og på denne
måde danne sig et billede af, hvad der karakteriserer mennesker med det givne gen defekt, og hvad det defekte gens funktion er. Et eksempel er, at man har fundet ud af, at CNV’en 2p16.3 på NRXN 1 genet koder for
celleadhæssionsmolekylet neurexin-110. Mus introduceret med denne CNV, vil kunne fungere som model når
man ønsker at teste stoffer for, om de har en effekt der ligner neurexin-1, dvs. om de virker som celleadhæssionsmolekyle og således vil kunne bruges som en screening af nye potentielle lægemidler til behandling af
skizofreni, måske især hos de patienter der har den givne gendefekt.
Som nævnt har man i disse museforsøg også mulighed for at se hvad funktionen er af en given gendefekt.
Man har således observeret, at mus med den nævnte gendefekt har påvirket kognition og indlæring.
I forbindelse med videretestning af stoffer, der har effekt som neurexin 1, ville det være naturligt at teste om
de havde effekt på eksempelvis indlæring.
Referenceliste:
1. http://www.levemedskizofreni.dk/patienter/symptomer
2. http://en.wikipedia.org/wiki/DNA_sequencing
3. http://www.denstoredanske.dk/Natur_og_miljø/Biokemi_og_molekylærbiologi/Molekylærbiologi/DNA
4. http://www.youtube.com/watch?v=77r5p8IBwJk
5. http://www.454.com/downloads/news-events/how-genome-sequencing-is-done_FINAL.pdf
6. http://www.youtube.com/watch?v=bFNjxKHP8Jc
7. http://medical-dictionary.thefreedictionary.com/Dsdna
8. http://en.wikipedia.org/wiki/DNA_sequencing
9. http://ghr.nlm.nih.gov/condition/22q112-deletion-syndrome
10. http://en.wikipedia.org/wiki/Neurexin
11. http://www.ugeskriftet.dk/LF/UFL/2010/12/pdf/VP57641.pdf
12. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18945720
13. http://en.wikipedia.org/wiki/1q21.1_duplication_syndrome
14. http://ghr.nlm.nih.gov/condition/15q133-microdeletion
15. http://www.biotechacademy.dk/Bioindex/Drughunters/skizofreni/udviklingen_af_medicin_mod_skizofreni.aspx
16. http://www.research.umn.edu/advance/documents/gia/S09Bagchi.pdf
17. http://publikationer.ku.dk/filer/forskning/hjerne_og_bevidsthed.pdf
18. http://www.pnas.org/content/106/42/17998.full.pdf
19. http://da.wikipedia.org/wiki/Deontologi
20. http://da.wikipedia.org/wiki/Utilitarisme