Diabetes Mellitus (Genetische factoren)
Hoewel levensstijl en (over)consumptie van voedsel de doorslaggevende pathogene factoren zijn, spelen erfelijke factoren tevens een rol bij de ontwikkeling van DM2. Indien de ziekte in de familie voorkomt, betekent dat al een 2 tot 4 keer verhoogd risico op het krijgen van DM2(1). Van de eerstegraads familieleden van patiënten met DM2, ontwikkelt 15-25% een verminderde glucose-tolerantie of DM(1). Het levenslange risico (op een leeftijd van 80 jaar) voor DM2 is berekend op 38%, indien een van de ouders aan DM2 lijdt(1). Als beide ouders deze ziekte hebben, is de prevalentie bij de nakomelingen ongeveer 60% wanneer deze de leeftijd van 60 jaar hebben bereikt(1). Een laag geboortegewicht wordt tevens geassocieerd met een verhoogd risico voor DM2 op latere leeftijd(1). De invloed van het geboortegewicht wordt verder besproken in hoofdstuk 5 Fetal programming. Hoewel er weinig twijfel is over het belang van genetische factoren bij DM2, moet in het achterhoofd gehouden worden dat de ziekte zeer heterogeen is, dus dat houdt in dat de ontwikkeling van DM een samenkomst van omstandigheden is. Genetische studies geven (mede daardoor) zeer uiteenlopende resultaten(1). Op het moment van dit schrijven wordt onderzoek gedaan naar vele genetische factoren. Er is echter voor gekozen om in dit hoofdstuk in te gaan op manieren van onderzoek naar genetische variaties en een beschrijving van 3 veelbesproken genetische factoren bij DM2. Het gaat dan om ‘peroxisome proliferator-activated receptor γ’(PPARγ), Calpaïne-10 (CAPN10) en ‘Hepatocyte Nuclear Factor’(HNF). Getracht is om deze genen te plaatsen in de context van de ontwikkeling van DM2.
Onderzoeksmethoden in de genetica
In het algemeen worden twee methoden gebruikt om genetische factoren bij een bepaald ziektebeeld te onderzoeken, namelijk de ‘candidate gene approach’ en de ‘genome-wide scan approach’(1).
De ‘candidate gene approach’ onderzoekt specifieke genen betrokken bij een bepaald ziekteproces. Het doel is om verbanden te vinden tussen een bepaald allel en fenotype (bijvoorbeeld DM2 en insulineresistentie) en dit wordt getest bij niet-familiaire individuen(1). De ‘genome-wide scan approach’ is niet gebaseerd op aannames, maar op het localiseren van bepaalde genen door hun plaats op het genoom. Het principe hierachter is dat familieleden met een bepaald fenotype ook vergelijkbare chromosomen hebben rondom het betrokken gen(1). Veranderingen in de expressie van genen brengen niet bij ieder individu dezelfde verandering(en). Hoewel er in onderzoeken naar DM al veel genen zijn getest op relevantie, is er altijd veel variatie tussen individuen en betreft het vaak (te) kleine populaties om de uitkomsten een goed fundament te geven(11).
PPARγ
‘Peroxisome proliferator-activated receptor γ’ (PPARγ) is een transciptiefactor die geactiveerd wordt door onverzadigde vetzuren, prostanoïden en thiazolidinedionen(1). De thiazolidinedionen zijn een groep geneesmiddelen die valt onder de orale bloedverlagende middelen en de werking is gebaseerd op het agoneren van de kernreceptor PPARγ(3). De isovorm PPARγ1 komt tot expressie in de meeste weefsels en PPARγ2 is specifiek voor adipocyten, waar het een sleutelrol speelt in de differentiatie van adipocyten(1), welke een belangrijke orgaan is betrokken bij DM2. Indien gesproken wordt over PPARγ, valt daar nog een aantal transcriptiefactoren onder. Een voorbeeld hiervan is PPARγ gen co-activator-1α (PGC-1α). In hoofdstuk 2 is aangegeven wat de rol van OXPHOS speelt in de ontwikkeling van DM2. In een publicatie uit 2003(11) wordt
uiteengezet welke relatie er is tussen individuen die DM ontwikkelen en welke genen daar te maken mee kunnen hebben. In het bijzonder wordt ingegaan op genen die te maken hebben met OXPHOS, danwel te maken hebben met de regulering (‘coregulated; CR) van genen voor OXPHOS. Studies naar genexpressie tonen dat verminderde expressie van PGC-1α ( ca. 20% minder(11)) effect heeft op mitochrondriale functies (zoals dus OXPHOS) bij mensen met insulineresistentie en DM2(1, 11). Onderzoek in vitro laat zien dat PGC-1α een rol heeft in de regulering van OXPHOS-CR, waardoor toegenomen insulineresistentie danwel mogelijk DM2 ontstaat(11). De relatie tussen OXPHOS(-CR) en DM2 wordt ondersteund door klinische onderzoeken, bewegingsfysiologie, farmacologie en genetische componenten(11). Een voorbeeld hiervan is dat de mitochondriën van diabetici structureel afwijkingen vertonen en verminderde capaciteit van OXPHOS hebben(11). Hoewel meer onderzoek nodig is om een definitieve relatie te leggen tussen PGC-1α, OXPHOS en OXPHOS-CR, kunnen deze mechanismen een mogelijk target vormen voor toekomstige geneesmiddelen (naast de huidige thiazolidinedionen) voor DM2.
Calpaïne-10
Er wordt onderscheid gemaakt tussen typen calpaïne en op dit moment zijn er 16 verschillende soorten bekend(12). Calpaïne-10 (CAPN10) is een cytoplasmatische cysteïne protease(1, 12, 13) en speelt een rol in signaaltransductie, celcyclus, celdifferentiatie, apoptose, membraanfusie en plaatsjesactivatie(12). Voor de werking van dit protease zijn calciumionen nodig(12). Mutaties in het gen voor CAPN10 worden in verband gebracht met DM2(12). Het werkingsmechanisme van CAPN10 is tot op moleculair niveau uitgebreid onderzocht (deze zal in dit verslag niet worden besproken, zie daarvoor referentie(12)) teneinde de functie op te helderen. Het is bekend dat CAPN10 tot expressie komt in alle menselijke weefsels (zowel foetussen als volwassenen) en in ratten en muizen(12). De activiteit van CAPN10 varieert in verschillende menselijke weefsels, maar is het meest actief in hartweefsel, gevolgd door de hersenen, de lever, de nieren en de pancreas(12). Genetische variaties van CAPN10 zijn in verband gebracht met verhoogde concentraties vrije vetzuren en
insulineresistentie(12). In vitro onderzoek heeft uitgewezen dat vrije vetzuren de activiteit van PKC verhogen, waardoor insulinereceptoren hyperfosforyleren; de activiteit van intracellulaire kinases afneemt en insulineresistentie optreedt(12). Downregulatie van de activiteit van PKC lijkt een belangrijke factor om fosforylatie van insulinereceptoren op een goed peil te houden(12). Een polymorfisme van het G allel van het ‘single nucleotide polymorphism (SNP)’-43 van CAPN10 wordt geassocieerd met DM2(1). Door dit polymorfisme daalt de expressie van mRNA voor CAPN10(12). In vivo is PKC een belangrijk substraat voor CAPN10, dus wanneer de hoeveelheid beschikbaar CAPN10 daalt, leidt dit tot een upregulatie van de hoeveelheid geproduceerd PKC, waardoor uiteindelijk insulineresistentie kan optreden(12). Een publicatie uit 2004(13) laat resultaten zien van een onderzoek naar polymorfismen onder een Mexicaanse populatie. In deze studie werden 5 polymorfismen van CAPN10 onderzocht in relatie tot DM2, te weten
SNP-43, SNP-44, SNP-19, SNP-63 en SNP-110. Zonder in detail te treden over de resultaten van deze studie, legden de onderzoekers wel een causaal verband tussen genetische variaties in het gen voor CAPN10 en de ontwikkeling van DM2 bij deze populatie(13). Verder (geografisch) onderzoek op dit gebied moet uitwijzen of er vanuit evolutionair opzicht voor bepaalde genen is gekozen (natuurlijke selectie) om de mens te laten aanpassen aan veranderende omstandigheden(13). De vraag is dan wat dit heeft betekend voor de ontwikkeling van DM2 bij verschillende bevolkingsgroepen. Calpaïne speelt zoals genoemd een rol bij membraanfusie en hydrolisatie van verschillende eiwitten die participeren in cellulaire signalen, zoals kinasen, receptoren en transcriptiefactoren(12). Verder is calpaïne belangrijk bij de differentiatie van preadipocyten naar adipocyten(12). De genoemde betrokkenheid van calpaïne (en dan met name CAPN10) bij bepaalde processen versterkt de mogelijkheid dat het een rol speelt op de werking van insuline(1, 12, 13). Op dit moment wordt onderzoek verricht naar de mogelijke betrokkenheid van andere soorten calpaïne bij DM2(12).
HNF
HNF is de afkorting voor ‘Hepatocyte Nuclear Factor’(meervoud: HNFs). HNFs zijn transcriptiefactoren die door de evolutie heen geconserveerd zijn gebeleven en spelen een rol in celdifferentiatie en in het celmetabolisme(14). Mutaties in de genen HNF- 1α en HNF-4α hebben een negatief effect op de secretie van insuline en veroorzaken M2(14). De expressie van HNF-1 en HNF-4 wordt gereguleerd door HNF-3α en
HNF-3ß(14). HNF-3ß upreguleert HNF-4 en HNF-1 en de daarbij behorende downstream effecten, terwijl HNF-3α het tegenovergestelde effect heeft op HNF-1 en -4(14). Daarnaast is HNF-3ß noodzakelijk voor de expressie van HNF-3α(14). In vivo lijken HNF-3α en – 3ß dus een antagonerende werking te hebben(14). De ratio HNF-3α/ HNF-3ß wordt beïnvloed door de hoeveelheid aanwezige insuline, waardoor er een nog sterker
verband tussen HNF en de werking van insuline lijkt te zijn(14). Doordat er verschillende verbanden tussen transcriptiefactoren van HNF zijn gelegd menen de auteurs(14) dat deze factoren een netwerk vormen en elkaar kunnen beïnvloeden door expressie, waarbij een bepaalde hiërarchie wordt gevolgd(14). Een subtype van DM2 is ‘Maturity Onset Diabetes of the Young’ (MODY), welke te onderscheiden is in MODY-1 en MODY-3(14, 15). De vorm van DM2 wordt veroorzaakt door een verstoring van de functie van ß-cellen en vertoont een autosomale dominante overerving. In veel gevallen liggen mutaties van de genen
HNF-1α en HNF-4 α aan de ziekte ten grondslag(14, 15). Een mutatie van het gen HNF-1α wordt bij 1-2% van alle diabetes-patiënten gevonden(15). Het interessante van de bevindingen rondom de mutatie van het gen HNF-1α, is dat de therapie van de patiënt kan worden afgestemd op het genetisch profiel. Onderzoek heeft aangetoond dat diabeten mét een mutatie in het gen HNF-1α beter reageren op gliclazide dan op het eerstekeus middel metformine(15, 16). De afname van de nuchtere glucosewaarden waren significant lager bij de personen met de mutatie dan bij de groep zonder mutatie(15). Een kanttekening bij dit onderzoek is wel dat het een klein aantal patiënten betrof. Daarnaast maakten de kenmerken van de twee soorten diabetes het moeilijk om de betrokken factoren gelijk te trekken voor een goede vergelijking(15). Concluderend stelden de onderzoekers dat een genetisch profiel het effect van de therapie beïnvloedt en dat de behandelend arts daar rekening mee moet houden(15). Bovenstaand voorbeeld van een mutatie die betrokken is bij DM2 (en DM1, want onderscheid was volgens de publicatie moeilijk te maken(15)) illustreert het belang van onderzoek naar genetische factoren rondom deze ziekte. Farmacogenetica zullen in de toekomst een grotere rol gaan spelen bij de behandeling van DM. Dit hoofdstuk heeft een globaal overzicht gegeven over de rol van specifieke (veel beschreven) genen en de mogelijke link voor de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen. OXPHOS lijkt door meerdere genen te worden gereguleerd (zowel bij PPARγ als CAPN10), waar het proces van insulineresistentie begint. Er bestaan al geneesmiddelen (thiazolidinedionen) die een bepaald gen als target hebben, maar het blijft nog altijd van belang het genetische profiel van de patiënt in ogenschouw te houden, zoals uit het voorbeeld van HNF-1α blijkt.
Geschreven door: Dhr. R.H. Zwart BSc, (Universiteit Utrecht, Farmaceutische Wetenschappen)
Referentielijst:
1. Stumvoll M, Goldstein BJ, van Haeften TW. Type 2 diabetes: principles of pathogenesis and therapy. The Lancet. 2005;365(9467):1333-46.
3. Coëlho. Zakwoordenboek der Geneeskunde. 27e ed: Elsevier Gezondheidszorg; 2003.
11. Mootha VK, Lindgren CM, Eriksson K-F, Subramanian A, Sihag S, Lehar J, et al. PGC-1[alpha]-responsive genes involved in oxidative phosphorylation are coordinately downregulated in human diabetes. Nat Genet. 2003;34(3):267-73.
12. Suzuki K, Hata S, Kawabata Y, Sorimachi H. Structure, Activation, and Biology of Calpain. Diabetes. 2004 February 1, 2004;53(90001):S12-8.
13. del Bosque-Plata L, Aguilar-Salinas CA, Tusié-Luna MT, Ramírez-Jiménez S, Rodríguez-Torres M, Aurón-Gómez M, et al. Association of the calpain-10 gene with type 2 diabetes mellitus in a Mexican population. Molecular Genetics and Metabolism. 2004;81(2):122-6.
14. Duncan SA, Navas MA, Dufort D, Rossant J, Stoffel M. Regulation of a Transcription Factor Network Required for Differentiation and Metabolism. Science. 1998 July 31, 1998;281(5377):692-5.
15. Klein Haneveld J. Oorzaak diabetes bepaalt effect sulfonylureumderivaat. Pharmaceutisch Weekblad. 2003 19 december;51/52:1802-03.
16. NHG. NHG-Standaard Diabetes mellitus type 2. Huisarts & Wetenschap. 2006 maart;49(3):137-52.