Zwillingsstudie - DNA-Reparatur und Krebsentstehung

Zwillingsstudie - DNA-Reparatur und Krebsentstehung
Willkommen auf der Informationsseite der Zwillingsstudie!
Wir bedanken uns für Ihr Interesse und Ihre Bereitschaft, möglicherweise an dieser Zwillingsstudie
mitzuwirken! Mit Ihrer Hilfe kann die Krebsforschung neue Einblicke in den Zusammenhang zwischen
der Entstehung von Krebs, und der individuellen Fähigkeit, Schäden am Erbgut zu reparieren,
gewinnen.
Wenn Sie sich näher für die Fragen interessieren, was Krebs ist und durch welche Gründe er
entstehen kann, sollten Sie den ersten Abschnitt (1. Was ist Krebs?) lesen. Im Anschluss (2. DNAReparatur-Kapazität) wird der Zusammenhang zwischen Krebsentstehung und der Fähigkeit,
Schäden am Erbgut zu reparieren, betrachtet.
Außerdem geben diese beiden Abschnitte die nötige Einführung, um den Sinn, die Notwendigkeit,
und den Nutzen der Zwillingsstudie (3. Gründe für eine Zwillingsstudie; 4. Nutzen dieser Studie) zu
verstehen.
Die Tests, welche wir im Rahmen dieser Studie verwenden, sind ebenfalls kurz erklärt (5. Die
verwendeten Testverfahren).
Entscheiden Sie sich für eine Teilnahme, gibt Ihnen der letzte Abschnitt (6. Was wir von Ihnen
benötigen) Auskunft über den Ablauf.
Wenn Sie sich für eine Teilnahme entschieden haben, bzw. falls Sie weitere Fragen zur Zwillingsstudie
oder Anregungen zu dieser Informationsseite haben, wenden Sie sich bitte an:
Harald Surowy
Institut für Humangenetik
Universität Ulm
Albert-Einstein-Allee 11
89081 Ulm
Email: [email protected]
Tel. : 0731- 500-654-04
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1. Was ist Krebs?
Grundlegende Hintergründe
Die ursprünglichste genetische Funktion und Information, welche im Erbgut jeder einzelnen Zelle
gespeichert ist, ist diejenige über die eigene Vermehrung. Das ist auch in einem Organismus der Fall,
der aus vielen Milliarden Zellen besteht. Die Information zur Steuerung der Zellteilung wohnt also
auch jeder Körperzelle des Menschen inne.
In vielzelligen Organismen, so auch beim Menschen, ist dieses genetische Programm zur Zellteilung
strikt reguliert, denn dort soll und darf nur unter ganz bestimmten Bedingungen Zellwachstum
erfolgen. So gibt es einige wenige Bereiche im menschlichen Körper, in denen ständig Zellen
produziert werden. Ein Beispiel hierfür ist die Bildung der Blutzellen im Knochenmark. In den meisten
Geweben wird das Programm zur Zellteilung dagegen nur auf bestimmte Ereignisse hin aktiviert,
etwa nach einer Verletzung. In beiden Fällen unterliegt die Zellteilung jedoch einer strengen
Überwachung durch verschiedenste genetische Mechanismen, sie wird nach Bedarf an- und wieder
abgeschaltet.
In einzelnen Zellen kann es jedoch auch zum Versagen dieser Kontrollmechanismen kommen. In den
meisten Fällen führt dies zum programmierten Zelltod oder zur gezielten Eliminierung der
betreffenden Zelle durch körpereigene Abwehrmechanismen. Selten kann es auch passieren, dass
sich die Zelle unkontrolliert immer weiter teilt und vom Körper nicht als entartete Zelle erkannt wird.
Diese Zelle hat sich damit in eine Krebszelle verwandelt und kann der Ausgangspunkt zur Entstehung
eines bösartigen Tumors, also eines Karzinoms sein.
Unkontrolliert wachsende Zellen entziehen dem Körper nicht nur Reserven, sondern zerstören auch
wichtige Strukturen und beeinträchtigen damit wichtige Organfunktionen. Zunächst geschieht dies
nur in der unmittelbaren Umgebung des Tumors, später jedoch an vielen Stellen im Körper, da durch
die Abwanderung von Krebszellen aus dem Haupttumor häufig Tochter-Geschwulste (Metastasen)
entstehen.
Ursachen der Krebsentstehung
Da die Zellvermehrung genetisch gesteuert ist, funktioniert ihre Steuerung und Kontrolle nur so lange
richtig, wie die entsprechenden Programme im Erbgut, also der DNA (Desoxyribonukleinsäure) intakt
sind. Wird die DNA geschädigt, oder infolge von Schädigungen verändert (Mutation), so kann es zu
Störungen der Zellteilung kommen und die Zellteilung außer Kontrolle geraten.
Weil pro Zelle und Tag mehrere tausend Schäden an der DNA entstehen, muss die DNA ständig
repariert werden, was jedoch ein völlig natürlicher Prozess ist. Ursachen für DNA-Schäden können
äußere Faktoren sein, etwa DNA-schädigende Chemikalien oder auch die UV-Strahlung der Sonne.
Sogar der Sauerstoff den wir atmen trägt aufgrund seiner starken chemischen Reaktivität zu einem
großen Teil der DNA-Schäden bei.
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Werden solche Schäden, insbesondere Brüche in der DNA (Doppelstrangbrüche) nicht behoben, so
stellt dies eine ernsthafte Gefahr für die Zelle dar. Das Kopieren der DNA und die Teilung der Zelle
können beim Vorhandensein nicht reparierter DNA-Schäden direkt gestört sein. Schafft es die Zelle
dennoch, sich in einem solchen Zustand zu teilen, ist außerdem nicht gewährleistet, dass beide
Tochterzellen eine fehlerfreie Kopie des Erbguts erhalten.
Eine zweite Möglichkeit ist, dass es im Zuge der Reparatur zu Fehlern kommt. Beispielsweise kann es
passieren, dass bei mehreren DNA-Brüchen zwei falschen Enden der DNA-Fäden miteinander
verknüpft werden. Auf diese Weise kommt es zu einer Neusortierung der genetischen Information,
als deren Folge bestimmte Gene nicht mehr oder nur noch eingeschränkt funktionieren oder andere
Gene, die eigentlich stillgelegt sind, aktiviert werden.
Das Zusammenspiel der Gene, und ihrer funktionellen Ausdrucksform, der Proteine (ein Gen ist
nichts anderes als der Bauplan für ein Protein) in einer Zelle ist ein äußerst fein eingestelltes System.
Da jede Störung große Auswirkungen auf die Funktion der Zelle hat, können all diese Fehler
potentiell zum Absterben der Tochterzellen führen.
Eine andere, für den Organismus dramatischere Folge ist die oben beschriebene Entartung der Zelle
aufgrund ihrer – nun fehlerhaften – genetischen Information.
DNA-Reparatur
Wegen der großen Bedeutung der DNA-Reparatur ist es nicht verwunderlich, dass viele menschliche
Gene Funktionen bei der Reparatur besitzen.
Dabei lassen sich für die unterschiedlichen Arten von DNA-Schäden einzelne Gene zu
Funktionsgruppen zusammenfassen, welche in ihrem Zusammenspiel den spezifischen Schaden –
angefangen von der Erkennung des Schadens bis hin zur schlussendlichen Überprüfung auf die
Korrektheit der Reparatur – beheben. Diese so genannten Reparaturwege sind dabei nicht
voneinander getrennt, d.h. ein Gen kann Funktionen in mehreren Wegen besitzen. Deshalb ist die
DNA-Reparatur auch als ein Netzwerk zu verstehen, in dem es zentralere und weniger wichtige
Komponenten gibt. Daher spricht man auch, wenn man die Fähigkeit einer Zelle zur DNA-Reparatur
insgesamt betrachtet, von der zellulären Reparatur-Kapazität.
In den letzten Jahren konnte für viele Gene der DNA-Reparatur ein Zusammenhang zwischen dem
Verlust oder der Verminderung der Funktion des Reparatur-Gens und der Entstehung von Krebs
nachgewiesen werden. Man ordnet sie unter dem Begriff der Tumorsuppressor-Gene (wörtlich:
Unterdrückung des Tumors) ein.
Der Mensch besitzt, wie alle Säugetiere, zwei Kopien von jedem Gen, also ein so genanntes diploides
(doppeltes) Genom. Dabei wird jeweils eine Kopie von der Mutter und die andere Kopie vom Vater
auf das Kind vererbt. Damit sich nun eine Zelle in eine Krebszelle verwandelt kann, müssen beide
Kopien eines Tumorsuppressor-Gens ausfallen.
Der spontane Ausfall beider Kopien des betreffenden Gens in einer Körperzelle ist dabei jedoch
äußerst unwahrscheinlich. In den meisten Fällen geschieht dies als zweistufiger Prozess. Eine
Genkopie ist bereits mit einem Defekt von einem Elternteil auf die betreffende Person vererbt
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worden. Diese Kopie ist also in allen Körperzellen dieser Person nicht funktionsfähig. Die
verbleibende, intakte Kopie des Gens ist hierbei dennoch ausreichend um die Funktion in der DNAReparatur ausführen zu können.
Kommt es nun einer einzelnen Körperzelle zu einem als Second Hit (zweiter Treffer) bezeichneten
Ereignis, in dessen Verlauf auch die verbliebene Genkopie ihre Funktionsfähigkeit verliert, so ist das
betreffende Gen in dieser Zelle vollständig ausgefallen. Dies kann der erste Schritt zu einer möglichen
Entartung der Zelle sein.
Da sich die unterschiedlichen Komponenten der DNA-Reparatur jedoch teilweise ergänzen und
identische
oder
sehr
ähnliche
Funktionen
übernehmen
können,
lassen
sich
einzelne
Funktionsverluste bis zu einem gewissen Grad ausgleichen. Die Folge davon ist, dass die DNAReparatur weiterhin funktioniert. Ihre Effizienz ist aber – je nachdem, ob das betroffene Gen von
zentraler Bedeutung ist oder eher eine Randposition besitzt – zu einem gewissen Grad vermindert.
Damit steigt aber auch die Wahrscheinlichkeit, dass ein DNA-Schaden nicht oder fehlerhaft repariert
wird, abhängig von der Verminderung der DNA-Reparatur-Kapazität an, und somit auch das Risiko zur
Entartung einer Zelle – und dadurch schlussendlich das Krebsrisiko für die betroffene Person.
Abschließend muss betont werden, dass es sich hierbei stets nur um eine Veränderung des Risikos,
an Krebs zu erkranken handelt. Es ist keineswegs so, dass alle Personen mit erhöhtem Risiko auch an
Krebs erkranken. Nur die Wahrscheinlichkeit ist gesteigert. Umgekehrt bedeutet dies aber auch, dass
Personen ohne erkennbares Krebsrisiko durchaus einen Tumor entwickeln können.
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2. Die DNA-Reparatur-Kapazität
Da sich das Erbgut aller Menschen ganz natürlicherweise an vielen Stellen unterscheidet, besitzt
jeder Mensch auch unterschiedliche Varianten der vielen hundert Gene der DNA-Reparatur. Dabei
bedeuten die weitaus meisten dieser Varianten keinen Funktionsverlust, sondern es handelt sich um
unterschiedliche Ausführungen dieses Gens mit geringfügig anderen Eigenschaften. Jeder Mensch
besitzt also sein Individuelles Spektrum an Varianten der DNA-Reparaturgene.
Aufgrund der daraus resultierenden geringfügigen Unterschiede im zellulären DNA-ReparaturNetzwerk ist die individuelle zelluläre Reaktion auf einen DNA-Schaden unterschiedlich, und somit
ganzheitlich betrachtet die individuelle DNA-Reparatur-Kapazität eines jeden Menschen. Dies kann
man mit geeigneten Tests (siehe Abschnitt 5: Die verwendeten Tests) nachweisen. Außerdem
wurden Assoziationen zwischen erhöhtem Krebsrisiko und verminderter DNA-Reparatur-Kapazität
nachgewiesen. In vielen Studien wurde belegt, dass Krebspatienten eine im Durchschnitt geringere
Reparaturkapazität besitzen als gesunde Kontrollpersonen.
Das Besondere dabei ist, dass die große Mehrheit der Krebspatienten keinen erkennbaren Defekt in
einem bestimmten Gen aufweist, sondern es ist das Spektrum der Varianten aller Reparatur-Gene
welches einen insgesamt negativen Effekt besitzt. Für den kleinen Anteil an Personen mit einer
schwerwiegenden Mutation ist aber ebenfalls die Assoziation zwischen dem spezifischen Defekt und
einer verminderten DNA-Reparatur-Kapazität deutlich sichtbar.
DNA-Reparatur ist jedoch nicht nur von genetischen Faktoren abhängig, sondern auch von der
Menge an entstehenden DNA-Schäden. Auch diese ist individuell verschieden, je nach Umgebung,
Lebenswandel, oder Gesundheitszustand der betreffenden Person, wobei in die einzelnen Gene der
DNA-Reparatur in Abhängigkeit von diesen Bedingungen individuell unterschiedlich stark aktiviert
sein können. Der modifizierende Einfluss solcher Umweltfaktoren schlägt sich ebenfalls in den
Ergebnissen von Tests zur DNA-Reparatur nieder.
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3. Gründe für die Zwillingsstudie
Testet man die individuelle Fähigkeit eines Menschen bzw. seiner Zellen, DNA-Schäden zu reparieren,
so ist bislang ungeklärt, wie in welchem Verhältnis die beiden Einflussgrößen Umweltfaktoren und
genetische Ausstattung dabei zueinander stehen. Um den Grad der Erblichkeit der DNA-Reparatur zu
ermitteln, führen wir vergleichende Tests zur DNA-Reparatur durch, und zwar sowohl an Zwillingen
als auch an nicht miteinander verwandten Personen.
Die Besonderheit von eineiigen Zwillingen besteht darin, dass sie identische Erbinformationen
besitzen, und demzufolge auch dasselbe Variantenspektrum von Genen der DNA-Reparatur. Aus dem
Grad der Übereinstimmung der Testergebnisse für ein Zwillingspaar, und der Differenz zu den
Ergebnissen anderer Paare und zu nichtverwandten Personen, lässt sich eine Aussage darüber
treffen, in welchem Maße die bestimmbare DNA-Reparatur-Kapaztiät vererbt wird.
Zusätzlich kann über die Differenzierung zwischen ein- und zweieiigen Zwillingspaaren sowie
nichtverwandten Personen ebenfalls die Auswirkung von Umweltfaktoren auf die Reparaturkapazität
bestimmt werden, da Zwillinge in der Regel am selben Ort und unter ähnlicheren Bedingungen
aufwachsen.
Besitzt die Erblichkeit der zellulären Reparatur-Kapazität einen größeren Einfluss als die
Umweltbedingungen, so entsprechen sich die Testergebnisse bei eineiigen Zwillingen am besten,
gefolgt von zweieiigen Zwillingspaaren und schließlich nichtverwandten Personen. Sind
Umweltfaktoren maßgeblich, so ist diese Differenzierung nicht oder zu beobachten. Eingeschränkt
sollten sich dann Zwillinge aufgrund des identischen Umfelds im Allgemeinen stärker in ihrer
Reparatur-Effizienz entsprechen als nichtverwandte Personen.
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4. Nutzen dieser Studie
Beide möglichen Ergebnisse der Studie versprechen einen klaren Erkenntniszuwachs für die
Krebsforschung bzw. die Krebsvorsorge.
Überwiegt die Erblichkeit der DNA-Reparatur-Kapazität, so ließen sich entsprechende Tests als
Vorsorge bzw. Diagnosemöglichkeiten für ein Krebsrisiko nutzen. Bei den meisten Krebsformen, so
auch beim Brustkrebs, beträgt die Zeitspanne zwischen der eigentlichen Entartung der Zelle, und der
Möglichkeit, den entsehenden Tumor überhaupt zu diagnostizieren, im Mittel mehrere Jahre, zum
Teil auch Jahrzehnte.
Anhand eines etablierten und stabilen Testsystems auf verminderte DNA-Reparatur-Kapazität ließe
sich die Zeit bis zur Diagnose des Tumors erheblich verkürzen. Da diese Tests im Vergleich zur DNASequenzierung von bekannten Hochrisiko-Genen für Brustkrebs wesentlich weniger zeitaufwändig
und kostenintensiv sind, wären sie im Rahmen von allgemeinen Vorsorgeuntersuchungen nutzbar.
Dadurch ließe sich eine Risikogruppe mit niedriger DNA-Reparatur-Kapazität bestimmen. Für die
betroffen Personen könnten dann umfassende und spezielle Vorsorgemaßnahmen angeboten
werden, die zur schnelleren Entdeckung eines entstehenden Tumors führen. Je früher eine Diagnose
erfolgt, desto höher sind die Heilungschancen mit einer Behandlung.
Stellt sich dagegen der Einfluss von Umweltfaktoren als maßgeblicher Faktor für die zelluläre
Fähigkeit zur DNA-Reparatur heraus, so müssen in der Folge negative Einflüsse identifiziert und,
wenn möglich, beseitigt werden. Außerdem ist es möglich, gefährdete Personengruppen zu
identifizieren und dieses Wissen in die Krebsvorsorge und -Behandlung einfließen zu lassen. Somit
kann auch hier die Erkennung eines Tumors hin zu einem früheren Zeitpunkt verschoben, bzw.
dessen Entstehung vorgebeugt werden.
Es muss jedoch an dieser Stelle deutlich gesagt werden, dass unsere Studie lediglich einen ersten
Hinweis dafür liefert, ob und in welcher Form die Entwicklung eines Testsystems zur DNA-ReparaturKapazität sinnvoll ist. Dieses Testsystem muss dann zunächst aufgebaut und nachfolgend in großen
klinischen Studien umfassend etabliert und auf seine Aussagekraft hin überprüft werden.
Die Einzelergebnisse dieser Studie werden keinerlei Aussagen über ein eventuelles Krebsrisiko der
Teilnehmer liefern!
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5. Die verwendeten Testverfahren
Wir verwenden mehrere Testverfahren zur Charakterisierung der zellulären DNA-ReparaturKapazität. Dabei wird stets eine so genannte Kurzzeit-Lymphozytenkultur angesetzt, d.h. eine kleine
Menge Blut wird in eine Nährlösung gegeben, in welcher die weißen Blutkörperchen, die
Lymphozyten, zum Wachstum stimuliert werden. Nach der DNA-Schädigung der Zellen wird diesen
eine definierte Zeitspanne zum Ausführen der Reparatur gegeben. Im Anschluss wird die Zellkultur
gestoppt und die Zellen geerntet. Je nach Testverfahren erfolgt eine Auswertung entweder auf die
Menge an erfolgten Reparaturereignissen, auf noch unreparierte Schäden, oder auf den Stopp des
Zellwachstums hin.
Mikronukleus-Test
Dieser Test misst die Zahl der nach Bestrahlung und DNA-Reparatur (typischerweise 24 bis 48
Stunden) verbliebenen DNA-Doppelstrangbrüche, da diese in einer zwischenzeitlich erfolgten
Zellteilung zu Chromosomen-Fragmenten führen. Die Fragmente erscheinen im Anschluss als kleine
zusätzliche Kerne neben den eigentlichen Zellkern, und können ausgezählt werden.
Zur Quantifizierung bedient man sich des Tricks, die Zellteilung, jedoch nicht die Teilung des
Zellkerns, mittels der Chemikalie Cytochalasin B zu unterdrücken. So erscheinen alle Zellen, die eine
Mitose (die eigentliche Teilung der Zelle) durchlaufen haben, als zweikernige Zellen. Diese lassen
sich, ebenso wie die darin enthaltenen Mikrokerne mit Hilfe einer Software zur Bilderkennung
automatisch erfassen und zählen.
Zweikernige Zellen, z.T. mit Mikronuklei (Pfeile)
Schwesterchromatid-Austausch-Test
Ein Chromosom besteht aus zwei Teilen mit jeweils identischer Erbinformation, den (Schwester-)
Chromatiden. Der Schwesterchromatid-Austausch entsteht während der DNA-Verdopplung im
Zusammenhang mit bestimmten Abläufen der DNA-Reparatur, die im Zuge der DNA-Verdopplung
zum Einsatz kommen. Der genaue Mechanismus ist jedoch noch unbekannt. Bei diesem Test gibt
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man der Zellkultur ein sogenanntes Basenanalogon (hier der Stoff Bromodesoxyuridin) hinzu,
welches anstelle des Thymidins während der DNA-Synthese in die DNA eingebaut wird. Dadurch kann
nach zwei Teilungszyklen mit Hilfe geeigneter Färbemethoden zwischen den beiden Chromatiden
eines Chromosoms unterschieden werden (hell und dunkel). Zur Induktion von Schäden wird die
hochreaktive Chemikalie BPDE (Benz-a-pyren-di-epoxid) verwendet, die sich chemisch an die DNA
anlagert.
Diese Verbindungen stellen für die Zelle ein erhebliches Problem bei der Replikation dar, und müssen
entfernt werden. Im Zuge dessen kann es an diesen Stellen zum Austausch der beiden Chromatiden
eines Chromosoms kommen, die Färbung springt also auf die jeweils andere Chromatide über. Die
Anzahl dieser Sprünge pro Metaphase (die Chromosomen einer einzelnen Zelle zu einem bestimmten
Zeitpunkt während der Zellteilung) lassen sich auszählen.
Schwesterchromatid-Austausche in den Chromosomen einer Zelle
Mitotic Delay
Der Mitotic Delay (engl.: Verzögerung der Mitose) bestimmt den Stopp des Zellzyklus kurz vor der
eigentlichen Zellteilung, da die Zellen in diesen Phasen Zeit zur Beseitigung der DNA-Schäden
benötigen. Erst nach erfolgreicher Reparatur sollten sie die entsprechenden Kontrollpunkte
durchlaufen können und die Teilung vollziehen. Die Bestimmung der Zellfraktionen in den einzelnen
Zellzyklusphasen erfolgt über eine quantitative DNA-Färbung, die Färbung ist dabei umso intensiver
je mehr DNA die Zelle enthält. Kurz vor der Zellteilung ist dieser DNA-Gehalt am höchsten, da die
Zelle dann ihr Genom schon vollständig verdoppelt hat.
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Werden Zellen radioaktiver Strahlung ausgesetzt, so lässt sich nach einem bestimmten Zeitpunkt eine
Anreicherung von Zellen in diesem Zustand mit maximalem DNA-Gehalt messen, die bei nicht
bestrahlten Zellen nicht sichtbar ist. Das Maß dieser relativen Anreicherung von bestrahlten zu
unbehandelten Zellen wird als Mitotic Delay bezeichnet.
Mitotic Delay: DNA-Histogramm einer Zelllinie
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6. Was wir von Ihnen benötigen
Für die beschriebenen Tests benötigen wir ca. 20 ml Blut beider Zwillinge mit längstens einem Tag
Liegezeit zwischen Blutentnahme und Testansatz. Um optimale Testbedingungen zu gewährleisten ist
es am besten, die Blutentnahme vor Ort im Institut für Humangenetik an der Universität Ulm
durchzuführen. Dabei wäre es sinnvoll, wenn die Entnahme bei beiden Zwillingen zusammen
erfolgen kann, dies ist jedoch nicht unbedingt notwendig.
Falls es Ihnen oder Ihrem Zwilling nicht möglich ist an das Institut für Humangenetik zu kommen,
kann die Blutentnahme auch bei Ihrem Hausarzt erfolgen, die Proben können dann per Post an das
Institut für Humangenetik gesendet werden.
Des weiteren benötigen wir von Ihnen die unterschriebenen Einverständniserklärungen zur
Teilnahme an der Studie sowie zur Übergabe Ihrer Blutprobe.
Nehmen Sie jedoch bitte in jedem Fall zunächst Kontakt mit dem Institut für Humangenetik auf:
Ansprechpartner: Harald Surowy
Institut für Humangenetik
Universität Ulm
Raum M25 / 4208
Albert-Einstein-Allee 11
89081 Ulm
Email: [email protected]
Tel. : 0731- 500-654-04
Vielen Dank für Ihr Interesse!
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