Fant sykdomsmekanismer i «søppel-DNA»

Selv om det har blitt brukt opp imot en milliard kroner på finne ut hvilke gener som kan kobles til sykdom, vet vi fortsatt skuffende lite. Et nytt prinsipp gjør at vi kan finne mekanismer i «søppel-DNA» som forklarer økt risiko for forskjellige sykdommer.

Etter at det menneskelige genom-prosjektet, som ga oss sekvensen til hele arvematerialet, var fullført i 2003, hadde man store forhåpninger om å kartlegge de genetiske årsakene til vanlige sykdommer.

Etter et tiår har man funnet tusenvis av genetiske varianter som assosierer med økt risiko for ulike vanlige sykdommer, gjennom såkalte genome-wide association studies (GWAS). Disse studiene har kostet opp imot en milliard kroner. Likevel sitter man igjen med skuffende lite utbytte i form av sykdomsforståelse og nye behandlingsformer, da det har vært vanskelig å finne mekanismene som gjør at arv øker risiko for vanlige sykdommer. En forståelse av mekanismene er en forutsetning for å kunne utvikle effektive behandlingsformer.

Gener

En ny studie, som vår forskningsgruppe ved Universitetet i Bergen har bidratt til, viser nye mekanismer i ukjente deler av DNA som bidrar til arvelig risiko for type 2 diabetes. Dette var muliggjort gjennom et nytt prinsipp, som kan anvendes generelt for å finne tilsvarende mekanismer ved en rekke vanlige sykdommer og tilstander. Artikkelen ble nylig publisert i tidsskriftet Cell.Det nye prinsippet gir en løsning for hvor man kan lete etter sykdomsmekanismer i DNA. Så langt har forskningen i all hovedsak fokusert på genetiske varianter som finnes i en begrenset del av arvematerialet, nemlig de DNA-sekvensene som gir opphav til nye proteiner i cellene våre. Arvelige endringer i disse «protein-kodende» DNA-sekvensene, kjent som «gener», kan endre den normale strukturen og dermed funksjonen til et protein. Men disse protein-kodende sekvensene utgjør mindre enn to prosent av hele DNA, og fokus på slike mekanismer kan bare forklare en mindre del av hvordan arv øker risiko for vanlige sykdommer.

Sentrale mekanismer i ukjent DNA

Forskningsfeltet hadde lenge liten iver etter å bevege seg ut i de 98 prosentene av DNA som ikke koder for proteiner (ikke-kodende DNA). Dette var kanskje til dels på grunn av det mindre lokkende tilnavnet «søppel-DNA», som ble gitt av den kjente nobelprisvinneren Francis Crick. Men man har også manglet gode redskaper som finner frem til sykdomsmekanismene i disse DNA-områdene.

ENCODE-prosjektet, en stor internasjonal innsats med sikte på å kartlegge nye funksjoner i hele DNA-sekvensen, kom med en rekke publikasjoner for vel et år siden som pekte mot viktige funksjoner i ikke-kodende DNA. Disse publikasjonene har imidlertid belyst hvor mye man ikke vet, og det gjenstår fortsatt å å finne de mange konkrete mekanismene som gir opphav til sykdom.

Helt uavhengig av betydelige teknologiske nyvinninger de siste fem årene, presenterer vi nå et nytt prinsipp som finner fram til nye funksjoner i det store ukjente DNA. Så hvordan kunne et forholdsvis enkelt prinsipp gjøre dette?

«Søppel-DNA»

Den antatt viktigste måten det såkalte «søppel-DNA»-fungerer på, er ved å påvirke hvor sterkt de protein-kodende sekvensene leses av. Dette er viktig, da en sterk avlesning gjør at cellen får flere proteiner, som igjen gir utslag i for eksempel enzymaktivitet.

Prinsippet tar utgangspunkt i kjente, kortere sekvenser i ikke-kodende DNA hvor man forutser at faktorer (proteiner) kan binde seg. Dette styrer dermed genavlesningen. Man ser på området rundt en genetisk variant for å finne sammensatte mønstre av slike DNA-sekvenser. Når like mønstre finnes igjen hos både mennesker og andre dyrearter, er det stor sannsynlighet for at området påvirker avlesningen av DNA, og dermed også hvor mye av et bestemt protein som produseres.

Genetiske varianter finnes spredt rundt i det ikke-kodende DNA. Men genetiske varianter som ligger nøyaktig i en sekvens i et sammensatt mønster som regulerer genavlesningen, har mye større sannsynlighet for å endre cellens funksjon enn en tilfeldig variant.

Arv og type 2 diabetes

I den publiserte studien ble en algoritme brukt for å undersøke om funksjonelle DNA-sekvenser sammenfalt med arvelige genetiske varianter som øker risiko for type 2 diabetes.

Type 2 diabetes er blant de vanligste folkesykdommene. Det er anslått at mer enn 350.000 nordmenn har type 2 diabetes, mange uten å vite det. Man ser at barn ned i åtteårs alder får type 2 diabetes, som tidligere var kjent som aldersdiabetes. Ved diabetes klarer ikke kroppen å holde blodsukkeret på et normalt nivå, og dette kan ha alvorlige konsekvenser som blindhet, amputasjon, hjertesykdom og tidlig død.

Ved å undersøke 47 områder i DNA som tidligere er blitt knyttet til type 2 diabetes, fant vi at genetiske varianter i disse områdene påvirker DNA-bindingsevnen til proteiner i en bestemt familie kalt «homeobox». Gjennom celleeksperimenter kunne vi bekrefte at disse proteinene regulerer hvordan hormonet insulin skilles ut og virker. Andre proteinfamilier ble funnet ved astma og Krohns sykdom. Dette viser at genetiske varianter forstyrrer bestemte proteinfamilier som er spesifikke for hver sykdom.

Økt risiko

Det er et spesielt viktig poeng at analysene av en rekke ulike genetiske varianter viste til den samme protein-familien som påvirker genavlesningen. Dette gir en sterk tiltro til at prinsippet gir biologisk relevante funn, hvor ulike genetiske varianter ved en sykdom sammen forsterker sykdomsrisiko gjennom å påvirke en bestemt biologisk funksjon som driver sykdomsutviklingen.

For å vise at metoden finner nye sykdomsmekanismer på en mer konkret måte, valgte vi et DNA-område nær genet PPARG. Dette genet styrer utviklingen av fettceller, og er blitt tett knyttet til type 2 diabetes. Blant 23 genetiske varianter som kunne ha en mulig funksjon, ledet analysene frem til en spesifikk genetisk variant i dette DNA-området. Ved hjelp av en rekke eksperimenter kunne vi vise at denne genetiske varianten forstyrrer utviklingen av fettceller og hvordan fettcellene håndterer glukose og fett.

Dette er den første omfattende bekreftelsen på hvordan en genetisk variant forklarer økt risiko for type 2 diabetes ved å påvirke avlesning av et gen.

Nye muligheter

Den nye måten å undersøke funksjoner i DNA på gir et nytt, pålitelig redskap til genetikk-forskningen, slik at man kan finne nye forklaringer på hvordan genetiske varianter øker sykdomsrisiko. Prinsippet kan anvendes på en rekke vanlige sykdommer og tilstander, som kreft, hjertesykdom, beinskjørhet, astma, fedme/magefedme, depresjon og Alzheimers.