Hermosolujen rappeutumiseen ja tuhoon

Transkriptio

1 Matti Äyräpään luento 2002 Tutkimuskohteena Suomen neurologinen tautiperintö Matti Haltia Hermosolujen rappeutumiseen ja tuhoon johtavat neurodegeneratiiviset sairaudet muodostavat väestön vanhetessa yhä keskeisemmän lääketieteellisen, sosiaalisen ja taloudellisen ongelman. Tavallisimmat neurodegeneratiiviset sairaudet, kuten sporadinen Alzheimerin tauti, ovat monitekijäisiä ja useat harvinaiset hermostoa rappeuttavat taudit taas yhden geeniparin määräämiä. Eräät monogeenisistä sairauksista vastaavat kuitenkin ilmiasultaan tavallisia monitekijäisiä sairauksia ja voivat toimia malleina selvitettäessä näiden yleisten sairauksien syitä ja syntytapaa. Lisäksi monitekijäisissäkin sairauksissa on havaittu huomattavia geneettisiä riskitekijöitä. Esityksessäni pyrin havainnollistamaan muutamien esimerkkien valossa sitä, miten Suomen väestön neurologisen tautiperinnön tutkimus on auttanut selvittämään eräitä hermosolujen rappeutumisen molekyylitason syitä ja mekanismeja. Olen valinnut esimerkkini kahdesta tautiryhmästä, neuronaalisista seroidilipofuskinooseista (NCL-taudit) ja aivojen amyloidooseista. NCL-taudit ovat lasten tärkein neurodegeneratiivisten sairauksien ryhmä. Aivojen amyloidooseista merkittävimmät taas ovat Alzheimerin tauti vanhuusiän ylivoimaisesti yleisin dementoiva sairaus ja prionitaudit. Sekä NCL-taudeissa että amyloidooseissa aivokudokseen kertyy vaikealiukoisia proteiineja ja kertymään kytkeytyy hermosolujen kato. Luento on esitetty valtakunnallisilla lääkäripäivillä Miten ja miksi päädyin tutkimaan Suomen neurologista tautiperintöä? Lukion viimeisellä luokalla olin päättänyt valita lääkärin uran äitini esimerkkiä seuraten. Olin myös päätynyt vakaaseen käsitykseen, että aivot ovat kiintoisin elimemme ja ihmisyytemme aineellinen perusta. Lääkärinä halusinkin ryhtyä tutkimaan niiden sairauksia tavalla tai toisella. Lääketieteellisten opintojeni alkuvaiheessa innostusta lisäsi kesä Ranskan hallituksen stipendiaattina Pariisin Salpêtrière-sairaalassa, modernin neuropatologian ja neurologian kehdossa. Patologian kurssilla Helsingissä tajusin, että patologina pääsisin tutkimaan aivoja kaikkein suorimmin ja luotettavimmin, ja päätin suuntautua neuropatologiaan. Sain neuropatologian koulutukseni pääosin Göteborgissa, jossa myös väittelin kansainvälisesti arvostetun maanmiehemme Patrick Souranderin oppilaana. Sekä erikoisalani opinnoissa että myöhemmässä toiminnassani Helsingin yliopiston patologian laitoksessa minua tukivat korvaamattomalla tavalla ensimmäinen neurologian professorimme Erkki Kivalo ja laitoksen esimiehet Harald Teir, Erkki Saxén ja Eero Saksela. Tutkimustyöni kannalta ratkaisevia virikkeitä sain toimiessani 1980-luvun lopulla Alzheimerin tautiin erikoistuneen Dennis Selkoen laboratoriossa Harvardin yliopistossa ja amyloidologi Blas Frangionen ryhmässä New York Universityssä. Jo Ruotsissa työskennellessäni ja varsinkin palattuani v Suomeen sain tutkittavikseni sekä kliinikko- että patologikollegoideni lähet- Duodecim 2002;118:

2 tämiä näytteitä ilmeisen perinnöllisistä hermoston sairauksista, joita en kyennyt lokeroimaan mihinkään kirjallisuuden tarjoamaan kategoriaan. Tajusin pian, että edessäni oli neitseellinen maaperä kynnettäväksi: kliininen neurologia oli vasta levittäytymässä Suomeen eikä maassa ollut muita koulutettuja neuropatologeja. Kyseessä olivat Suomeen rikastuneet ennestään tuntemattomat sairaudet, joiden määrittämiseen ja luonnehtimiseen kävin innolla käsiksi yhdessä kollegoideni kanssa. Ymmärsin, että jokainen perinnöllinen neurologinen sairaus oli samalla myös avain hermoston normaalin toiminnan kannalta tärkeään molekyyliin. Työssäni minua inspiroi aikajärjestyksessä toisen patologian professorimme Ernst Alexander Homénin ( ) esimerkki. Homén oli Pohjoismaiden ensimmäinen neuropatologi ja Suomen kliinisen neurologian uranuurtaja. Hän oli saanut oppinsa Pariisin Salpêtrière-sairaalassa opettajanaan legendaarinen Jean-Martin Charcot, modernin neuropatologian perustaja ja maailman ensimmäinen neurologian professori. Kohta Suomeen palattuaan Homén kuvasi nimenomaan neuropatologisin perustein uuden perinnöllisen taudin, hepatolentikulaarisen degeneraation (Homén 1890) eli Homén Wilsonin taudin, ja käynnisti näin suomalaisen tautiperinnön selvitystyön jo v (Haltia 1992). NCL-taudit Ensimmäinen esimerkkini on autosomissa peittyvästi periytyvä infantiili NCL-tauti (INCL). Kyseessä on nykykäsityksen mukaan Suomen pienten lasten yleisin perinnöllinen etenevä aivosairaus. Se määritettiin omaksi entiteetikseen aivobiopsia- ja obduktiolöydösten pohjalta 1970-luvun alussa yhteistyössä Pirkko Santavuoren ja Juhani Rapolan kanssa (Haltia ym. 1973a ja b, Santavuori ym. 1973). Potilaat näyttävät usein kehittyvän normaalisti noin yhden vuoden ikään asti, joskin heidän päänympäryksensä kasvunopeus alkaa selvästi hidastua jo viiden kuukauden iässä. Varhaisoireina voi ilmetä lihasten hypotoniaa ja hienomotoriikan kömpelyyttä. Psykomotorinen kehitys alkaa hidastua ja taantua toisella ikävuodella, ja potilailla havaitaan käsien hyperkinesiaa, myoklonisia lihasnykäyksiä ja epileptisiä kohtauksia. Potilaat menettävät kolmen vuoden ikään mennessä aktiivisen liikuntakykynsä ja näkönsä, jolloin myös aivosähkökäyrä muuttuu isoelektriseksi ja verkkokalvon sähköinen toiminta sammuu verkkokalvon ja näköhermon surkastuessa. Potilaat menehtyvät useimmiten 8 14 vuoden iässä. Aivojen magneettikuvauksessa ensimmäiset muutokset, mm. heikkosignaaliset talamustumakkeet, voidaan havaita 7 10 kuukauden iässä jo ennen kliinisten oireiden ilmenemistä. Kolmannen ikävuoden jälkeen magneettikuvauksessa näkyvät iso- ja pikkuaivojen äärimmäinen kutistuminen ja valkean aineen erittäin huomattavat signaalinvoimistumat (Santavuori ym. 1999a, Vanhanen ja Haltia 2002). Koska ensimmäisenä tutkitun potilaan kliininen taudinkuva muistutti GM1-gangliosidoosia, päätettiin diagnoosin varmistamiseksi tehdä aivobiopsia. Neuropatologinen löydös sulki kuitenkin pois kaikki tunnetut gangliosidoosit ja osoitti, että kyseessä oli NCL-tautiryhmään kuuluva uusi sairaus. Aivokuoren hermosoluissa todettiin ultraviolettivalossa autofluoresoivaa kertymäainetta (kuva 1 A), joka ei liuennut lipidiliuottimiin, mutta värjäytyi siitä huolimatta histokemiallisesti Sudan Black B- ja PAS-menetelmillä. Toisten kliinisesti samankaltaisten ongelmapotilaiden aivobiopsioiden ja obduktioiden perusteella ilmeni, että kertymään liittyi hermosolujen varhainen (kuva 1 B) ja pian lähes täydellinen kato (kuva 1 C) iso- ja pikkuaivokuoressa ja verkkokalvossa ja että seurauksena oli aivojen äärimmäinen kutistuminen noin g:n painoisiksi (kuva 1 D). Sen sijaan useimmat aivorungon, selkäytimen ja periferian hermosolut säilyivät kertymästä huolimatta. Vähäisiä kertymähitusia oli havaittavissa lukuisissa muissakin solutyypeissä, kuitenkin ilman muita havaittavia vaurioita. Kertymäaineen hienorakenne oli tunnusomainen ja koostui yksikkökalvojen ympäröimistä osmiofiilisten pallosten rykelmistä (kuva 1 E) (»suomalaiset lumipallot, granular osmiophilic deposits», GROD) (Haltia ym. 1973a ja b, Santavuori ym. 1999a). Isoaivokuoren ja verkkokalvon hermosolujen varhainen ja jokseenkin täydellinen tuho selitti 2280 M. Haltia

3 A B D C Kuva 1. A) Autofluoresoivaa kertymäainetta (kuunsirppiä muistuttavat muodostumat) INCL-potilaan aivokuoren hermosoluissa. Fluoresenssimikroskooppikuva parafiinileikkeestä, x 200. B) INCL-taudin alkuvaiheessa todetaan sinertävää kertymäainetta vielä osittain säilyneiden aivokuoren hermosolujen sytoplasmassa. Hermosolujen väleissä näkyy muutamia tummanvioleteiksi värjäytyneitä makrofageja.»luxol fast blue» -kresyyliviolettivärjäys, x 200. C) Kolmen vuoden iässä INCL-potilaan aivokuoren hermosolut ovat täysin tuhoutuneet ja niiden sijasta todetaan vain tummanvioleteiksi värjäytyneitä makrofageja.»luxol fast blue» -kresyyliviolettivärjäys, x 200. D) Obduktiossa INCL-potilaan aivot ovat äärimmäisen atrofiset; niiden paino on noin g (vastaavanikäisen lapsen aivojen normaalipaino on g). Huomaa mittakaava (cm). E) INCL-potilaan hermosolujen kertymäaine koostuu yksikkökalvon ympäröimistä osmiofiilisten pallosten rykelmistä. Elektronimikroskooppikuva, x E Tutkimuskohteena Suomen neurologinen tautiperintö 2281

4 epäilemättä potilaiden psykomotorisen taantumisen ja sokeutumisen sekä aivosähkökäyrän sammumisen. Oletimme, että taudin molekyylitason syy selviäisi nopeimmin määrittämällä hermosolujen kertymäaine. Aine eristettiinkin ultrasentrifugaatiolla aivokudossuspensiosta ja sekvensoitiin. Sen aminoterminaalinen aminohappojärjestys vastasi sfingolipidiaktivaattoriproteiineja (SAP) A ja D (Tyynelä ym. 1993). Löydös varmistettiin myös immunosytokemiallisesti ja»western blotting» -tekniikalla käyttäen SAP-vasta-aineita (Tyynelä ym. 1995). Oli kuitenkin ilmeistä, että kromosomissa 10 sijaitseva SAP-geeni ei voinut olla INCL-tautigeeni, koska Leena Palotien ryhmän samanaikaisesti tekemässä kytkentäanalyysissä tautigeeni oli paikannettu kromosomiin 1 (Järvelä ym. 1992). INCL-taudin perussyy, mutatoitunut palmityyliproteiinitioesteraasigeeni 1 (PPT1), löytyikin lopulta kromosomin 1 lyhyestä haarasta (Vesa ym. 1995). Kyseessä oli ensimmäinen geenivirhe, joka kyettiin määrittämään neuronaalisten seroidilipofuskinoosien tutkimuksen yli 150- vuotisen historian aikana. Myöhemmin on osoittautunut, että arviolta 20 % Yhdysvaltain NCL-tapauksista on aiheutunut PPT1-geenin virheistä. Yhdysvalloissa ja muissa Suomen ulkopuolisissa maissa havaittu mutaatioiden kirjo poikkeaa kuitenkin suomalaisesta ja tauti saattaa ilmetä paitsi varhaislapsuudessa myös myöhempinä ikäkausina aikuisikää myöten (Santavuori ym. 1999, Wisniewski ym. 2000). Suomalaisen tautiperinnön sairaus on siten osoittautunut globaaliksi. Sain v tutkittavikseni aivonäytteitä Ruotsin maatalousyliopiston jalostuskaritsoista, jotka olivat alkaneet kuolla ennestään tuntemattomaan sairauteen kohta synnyttyään. Totesin näytteiden perusteella, että kyseessä on ilmeinen synnynnäinen neuronaalinen seroidilipofuskinoosi, jossa kertymäaineen hienorakenne on samanlainen kuin ihmisen INCL-taudissa. Tällä perusteella otaksuimme, että löytämämme lampaiden kongenitaalinen NCL (CONCL) (Järplid ja Haltia 1993) olisi INCL-taudin spontaani eläinmalli. Ryhdyimme selvittämään taudin biokemiallista taustaa yhdessä Jaana Tyynelän kanssa. Ällistykseksemme sairaiden karitsoiden kudosten PPT1-pitoisuudet olivat kuitenkin jopa normaalia suuremmat. Perusvika löytyi kymmenen vuoden uurastuksen jälkeen biokemiallista tietä katepsiini D -geenistä (Tyynelä ym. 2000). Kyseessä oli ensimmäinen löydetty katepsiini D -geenin spontaani mutaatio missään eliössä. Suomessa on INCL- ja CONCL-tautien lisäksi kuvattu kaksi muutakin kaikkiaan kahdeksasta vakiintuneesta ihmisen NCL-taudista.»Suomalaisen» myöhäisinfantiilin NCL-taudin (Santavuori ym. 1982, Tyynelä ym. 1997) aiheuttavat virheet kalvoproteiinia koodittavassa, aiemmin tuntemattomassa CLN5-geenissä, joka sijaitsee kromosomissa 13q22 (Savukoski ym. 1998). Pohjoisen epilepsian oireiden sattuvan kuvauksen esitti ensimmäisenä Ilmari Kianto (1936) romaanissaan»vanha postineiti», mutta vasta Aune Hirvasniemi (Hirvasniemi ym. 1994) liitti taudin lääketieteelliseen kirjallisuuteen lasten uutena perinnöllisenä epilepsiaoireyhtymänä. Pohjoisen epilepsia osoitettiin NCL-taudiksi vasta myöhempien neuropatologisten tutkimusten perusteella, jotka oli käynnistänyt Riitta Herva (Haltia ym. 1999, Herva ym. 2000). Taudin aiheuttaa virhe kalvoproteiinia koodittavassa CLN8-geenissä, joka sijaitsee kromosomissa 8p23 (Ranta ym. 1999) ja johon on myöhemmin kytketty myös äskettäin kuvattu turkkilainen NCL-muoto. Hiiren vastaavassa geenissä cln8 osoitettiin samanaikaisesti mutaatio spontaanissa NCL-mallissa mnd-hiiressä (Ranta ym. 1999). mnd- ja CONCL-mutaatiot olivat ensimmäiset löydetyt geenivirheet eläinten NCL-taudeissa. Kaikkien NCL-tautien keskeinen ilmiö on hermosolujen selektiivinen rappeutuminen ja kato, joka INCL-taudissa on aivokuoren osalta lähes täydellinen. NCL-geenien tuotteet ovat siten olennaisen tärkeitä hermosolujen normaalille kehitykselle ja toiminnalle. NCL-taudit ovatkin paitsi lasten yleisin neurodegeneratiivisten sairauksien ryhmä myös malleja hermosolujen rappeutumisesta ja ennenaikaisesta vanhenemisesta yleensä. Jo löydetyt seitsemän NCL-geeniä ja niiden tuotteet ovat arvokkaita työvälineitä hermosolujen normaalin toiminnan ja neurodegeneraation syvimpien molekyylimekanismien selvitystyössä (Haltia 2003) M. Haltia

5 Perinnöllinen Creutzfeldt Jakobin tauti Vuonna 1977 obdusoin 51-vuotiaan miespotilaan, joka oli kuollut lähes kaksi vuotta kestäneeseen tuntemattomaan etenevään aivosairauteen. Sairautta olivat kliinisesti luonnehtineet dementia, kävelyvaikeudet, jäykkyys, lihasnykäykset ja vapina. Neuropatologinen tutkimus osoitti aivokuoressa pitkälle edenneen rakkulaisen rappeutumisen (kuva 2 A), hermosolukadon ja astrosyyttien proliferaation. Löydös vastasi spongiformista enkefalopatiaa ja sopi Creutzfeldt Jakobin tautiin (CJD). Koska potilaan kliininen kuva kuitenkin mm. taudin pitkän keston vuoksi ja tyypillisten EEG-löydösten puuttuessa oli poikennut olennaisesti klassisesta CJD:stä, ryhdyimme yhdessä neurologikollegani Jussi Kovasen kanssa selvittämään tarkemmin potilaan taustaa. Osoittautui, että useat potilaan omaiset olivat kuolleet vastaavanlaiseen sairauteen ja että tapausten jakautuma sopi autosomissa vallitsevasti periytyvään tautiin (Haltia ym. 1979). Havainto oli hämmästyttävä, olihan Carleton Gajdusek juuri v saanut Nobe- A B C Virheellinen alleeli Normaali alleeli D Metioniini Valiini Kodoni 129 Metioniini tai valiini FFI FCJD Asparagiini Kodoni 178 Asparagiinihappo Kuva 2. A) Pitkälle edennyt rakkulainen rappeutuminen (spongiforminen enkefalopatia) ja hermosolujen osittainen kato perinnöllistä Creutzfeldt Jakobin tautia sairastavan potilaan isoaivokuoressa. Hematoksyliini-eosiinivärjäys, x 50. B) Synteettisestä mutatoituneesta prioniproteiinipeptidistä muodostuneita amyloidisäikeitä. Elektronimikroskooppikuva, x C) Punavihreä dikroismi synteettisestä mutatoituneesta prioniproteiinipeptidistä muodostuneessa amyloidimassassa. Kongonpunavärjäys, polarisoitu valo, x 400. D) Mutatoituneen tautigeenin yleinen polymorfismi (metioniini tai valiini) määrää taudin ilmiasun (ks. tekstiä). FFI = fataali familiaalinen insomnia, FCJD = perinnöllinen Creutzfeldt Jakobin tauti. Tutkimuskohteena Suomen neurologinen tautiperintö 2283

6 lin palkinnon osoitettuaan Uuden Guinean kuru-taudin ja CJD:n koe-eläimiin siirrostettavissa oleviksi infektiotaudeiksi. Pyynnöstäni Gajdusek varmisti tutkimamme taudin infektioluonteen siirtämällä taudin kahdesta suvun potilaasta kädellisiin. Tauti näytti siis todella olevan samanaikaisesti sekä tarttuva että periytyvä. Kesti kuitenkin lähes 15 vuotta, ennen kuin onnistuimme selvittämään periytyvyyden molekyylitason mekanismin, jälleen yhteistyössä Gajdusekin laboratorion kanssa: kaikilla sairastuneilla ja vain heillä oli kromosomin 20 prioniproteiinia koodittavan PRNP-geenin pistemutaatio kodonissa 178 (Goldfarb ym. 1991, Haltia ym. 1991)). Kyseessä oli järjestyksessä toinen CJD:hen kytkeytyvä geenivirhe. Aminohappovaihdokseen johtava mutaatio saattaa destabiloida ja altistaa potilaan prioniproteiinimolekyylit niiden kolmiulotteisen rakenteen muutokselle, jolloin seurauksena on konformaatioltaan muuntunut infektiivinen prioniproteiini. Syntetisoimamme vaihtuneen aminohapon sisältävät prioniproteiinipeptidit muodostivat päinvastoin kuin normaalirakenteiset peptidit koeputkessa lähes heti amyloidisäikeitä (kuva 2 B), joissa kongonpunavärjäys toi esiin kauniin punavihreän dikroismin polarisoidussa valossa (kuva 2 C) (Goldfarb ym. 1993). Alun perin suomalaisissa potilaissa havaittu pistemutaatio on sittemmin osoittautunut maailmanlaajuisesti erääksi yleisimmistä PRNPgeenin virheistä (Goldfarb ym. 1992a) ja biologisesti ehkä kiintoisimmaksi. Myöhemmin nimittäin todettiin yllättäen täsmälleen sama mutaatio sekä kliiniseltä että patologiselta fenotyypiltään aivan toisessa taudissa, fataalissa familiaalisessa insomniassa (FFI), jota ei alun perin ollut osattu lukea prionitautien ryhmään. Vertailtaessa suomalaistyyppistä perinnöllistä CJD:tä ja FFI:tä sairastavien potilaiden ja heidän terveiden sukulaistensa PRNP-geenejä toisiinsa osoittautui, että kummankin taudin edellytyksenä todellakin on PRNP-geenin identtinen mutaatio kodonissa 178 (Goldfarb ym. 1992b). Taudin ilmiasun (CJD tai FFI) määrää kuitenkin mutatoituneen alleelin yleinen polymorfismi kodonissa 129. Jos tämän kodonin tuottama aminohappo on metioniini, seurauksena on FFI, jos se on valiini, potilas saa suomalaistyyppisen CJD:n (kuva 2 D). Jos potilas on lisäksi kodonin 129 suhteen homotsygootti, tauti ilmenee varhemmin ja nopeakulkuisempana (Goldfarb ym. 1992b). Kyseessä oli uusi geneettinen mekanismi: tautia aiheuttavan mutatoituneen geenin yleinen polymorfismi määrää kudosvaurioiden sijainnin ja ilmenemisiän. Creutzfeldt Jakobin tautia muistuttava Alzheimerin tauti Väliotsikossa mainitun sairauden tarina alkoi 39-vuotiaasta naispotilaasta, jolla epäiltiin perinnöllistä Creutzfeldt Jakobin tautia autosomissa vallitsevasti periytyvään tautiin viittaavan sukuanamneesin ja kliinisten oireiden perusteella. Hänen oireensa olivat alkaneet jo 35 vuoden iässä muistin ja muiden kognitiivisten toimintojen nopeana heikentymisenä. Lisäksi ilmeni myoklonisia lihasnykäyksiä, jotka taudin edetessä muuttuivat voimakkaiksi ja lähes jatkuviksi, ja toonis-kloonisia epileptisiä kohtauksia. Aivosähkökäyrissä todettiin yleistä hidastumista ja piikkiaaltopurkauksia ja pään tietokonetomografiassa aivokuoren atrofiaa ja aivokammioiden laajenemista. Kliiniskemiallisissa laboratoriotutkimuksissa ei havaittu merkittävää poikkeavuutta. PRNP-geenin sekvensoinnissa ei kuitenkaan voitu osoittaa mutaatioita, joten kliininen diagnoosi jäi avoimeksi. Potilas menehtyi bronkopneumoniaan neljän vuoden kuluttua oireiden alusta. Neuropatologisessa obduktiossa oli todettavissa isoaivokuoren huomattava atrofia ja yleistynyt neuronikato. Sekä paleo- että neokortikaalisilla alueilla esiintyi runsaasti neuriittiplakkeja (kuva 3 A), joiden amyloidiydin sitoi beetaproteiinivasta-aineita (kuva 3 B), erittäin runsaasti neurofibrillivyyhtejä ja fokaalista beeta-amyloidiangiopatiaa. Patologista prioniproteiinia ei kudoksista sen sijaan voitu osoittaa. Löydös vastasi floridia Alzheimerin tautia. Suvun jäsenten molekyyligeneettinen analyysi yhteistyössä John Hardyn ryhmän kanssa ei kuitenkaan osoittanut mutaatioita kromosomin 21 amyloidiprekursorigeenissä, josta tämä ryhmä oli löytänyt ensimmäisen Alzheimerin tautiin 2284 M. Haltia

7 Alzheimerin taudin variantti, johon liittyy spastinen parapareesi A B Kuva 3. A) Perinnöllistä Alzheimerin tautia sairastavan 39- vuotiaan potilaan isoaivokuoressa näkyy erittäin runsaasti beetaproteiinivasta-ainetta sitovia seniilejä plakkeja ruskeiksi värjäytyneinä täplinä. Kuvan alaosan valkeassa aineessa plakkeja ei havaita. Immunoperoksidaasivärjäys, x 20. B) Tyypillisessä neuriittiplakissa on tiivis, tummaksi värjäytynyt amyloidiydin. Immunoperoksidaasivärjäys beetaproteiinivasta-aineella, x 300. kytkeytyvän mutaation v Tutkimukset osoittivat sen sijaan yllättäen kytkennän kromosomiin 14q23.4 (Haltia ym. 1994). Jatkotutkimuksissa suomalaisperheen taudin syyksi paljastui pistemutaatio aiemmin tuntemattomassa preseniliini 1 -geenissä (Alzheimer s Disease Collaborative Group 1995), jonka virheet ovat sittemmin osoittautuneet perinnöllisen Alzheimerin taudin yleisimmäksi syyksi. Tutkimuskohteena Suomen neurologinen tautiperintö Edellisen esimerkkini kliininen oireisto oli hämäävä ja oli johtanut ajatukset erheellisesti Creutzfeldt Jakobin tautiin. Väestöliiton kliininen geneetikko, dosentti Mirja Somer toi tietooni diagnostisesti ehkä vielä ongelmallisemman autosomissa vallitsevasti periytyvän sairauden. Tautia luonnehtivat keskimäärin 50 vuoden iässä alkava vaivihkainen dementoituminen ja valtaosalla potilaista spastinen parapareesi, joka ilmeni kävelyn vaikeutumisena ja oli usein taudin ensimmäinen havaittu oire. Osalla potilaista oli ilmennyt selkäkipuja, käsien hienomotoriikan häiriöitä ja dysartriaa. Aivosähkökäyrissä todettiin katkonaista yleistynyttä deltatheetatoimintaa, ja eräillä potilailla oli havaittu aivoselkäydinnesteen proteiinipitoisuus suurentuneeksi. Potilaat olivat vähitellen menettäneet liikunta-, puhe- ja pidätyskykynsä ja kuolleet keskimäärin yhdeksän vuoden kuluttua oireiden alkamisesta (Verkkoniemi ym. 2000). Kokosimme käytettävissä olevan obduktiomateriaalin, ja sen huolellinen neuropatologinen analyysi osoitti, että kyseessä oli Alzheimerin taudin kategoriaan kuuluva sairaus, joka ei kuitenkaan täyttänyt Alzheimerin taudin muodollisia kriteerejä. Tällä perusteella annoimme taudille nimen»variant Alzheimer s disease with spastic paraparesis» (Crook ym. 1998). Neuropatologisesti tautia luonnehtivat Alzheimerin taudin klassisista neuriittiplakeista poikkeavat muodostumat, jotka nimesimme pumpulipalloplakeiksi (cotton wool plaques) (kuva 4 A) (Crook ym. 1998, Verkkoniemi ym. 2001). Ne sitovat beetaproteiinivasta-aineita (kuva 4 B), mutta päinvastoin kuin neuriittiplakeista (kuva 3 B) niistä puuttuvat sekä amyloidiydin (kuva 4 B) että neuriittikehä ja ne erottuvat jo tavallisissa hematoksyliini-eosiinivärjäyksissä kookkaina pyöreähköinä rakenteina (kuva 4 A). Toinen klassisesta Alzheimer-patologiasta poikkeava piirre on pyramidiratojen rappeutuminen. Erittäin haastava molekyyligeneettinen analyysi jälleen yhteistyössä John Hardyn ryhmän kanssa osoitti kytkennän kromosomiin 14. Kolme kertaa toistettu tavanomainen prese- 2285

8 A Kuva 4. A) Pumpulipalloplakkeja Alzheimerin taudin varianttia sairastavan potilaan isoaivokuoressa. Plakit erottuvat taustasta tasaisen vaaleanpunaisina pyöreähköinä rakenteina. Hematoksyliini-eosiinivärjäys, x 100. B) Pumpulipalloplakit sitovat beetaproteiinivasta-aineita, mutta niistä puuttuu tiivis amyloidiydin päinvastoin kuin tyypillisistä neuriittiplakeista (vertaa kuvaan 3B). Immunoperoksidaasivärjäys beetaproteiinivasta-aineella, x 100. B niliini 1 -geenin sekvensointi ei kuitenkaan paljastanut mitään poikkeavuuksia. Vasta lymfoblastiviljelmistä saadun preseniliini 1 -cdna:n analyysi RT-PCR-menetelmällä osoitti, että kyseessä oli ainakin eksonin 9 käsittävä deleetio (Crook ym. 1998). Käyttäen intronisia alukkeita osoitettiin myöhemmin, että taudin syynä oli eksonien 8 ja 10 välillä sijaitseva 4555 emäsparin deleetio, johon sisältyi koko eksoni 9 (Prihar ym. 1999). Kyseessä on ensimmäinen havaittu deleetiomutaatio, joka aiheuttaa autosomissa vallitsevasti periytyvän neurodegeneratiivisen sairauden. Alzheimerin taudin variantti on muutenkin mielenkiintoinen entiteetti. Se on ensimmäinen Alzheimerin taudin varsin yhdenmukaisesta fenotyypistä sekä kliinisesti että patologisesti poikkeava muoto. Mutatoituneella geenillä transfektoidut solut tuottavat poikkeuksellisen runsaasti beetaproteiinia, erityisesti sen pitkää muotoa (Houlden ym. 2000). Kuitenkaan pumpulipalloplakeissa ei ole säikeistä amyloidiydintä. Tämä havainto kyseenalaistaa osaltaan Alzheimerin taudin klassisen amyloidikaskadihypoteesin (Yankner 1998). Alzheimerin taudin geneettiset riskitekijät Viimeinen esimerkkini on molekyyliepidemiologinen. Pyrimme yhteistyössä Raimo Sulkavan kanssa selvittämään tavalliseen myöhäisiän Alzheimerin tautiin kytkeytyviä geneettisiä riskitekijöitä väestötasolla. Dementian kliininen erotusdiagnostiikka on varsinkin hyvin iäkkäillä ongelmallista ja diagnoosit jäävät etenkin laajoissa epidemiologisissa tutkimuksissa epävarmoiksi. Väistääksemme tämän vaaran suoritimme molekyyligeneettisen assosiaatioanalyysin dementian suhteen prospektiivisesti tutkitusta väestöpohjaisesta yli 85-vuotiaiden suomalaisten obduktioaineistosta, jossa diagnoosit oli tehty neuropatologisin kriteerein. Saatoimme varmistaa apolipoproteiini E -geenin epsilon 4 -alleelin yhteyden Alzheimerin tautiin tässä ensimmäisessä neuropatologisesti verifioidussa väestöpohjaisessa aineistossa (Polvikoski ym. 1995). Osoitimme lisäksi, että tämän alleelin kantajilla isoaivokuoren beeta-amyloidikertymä oli merkitsevästi suurempi kuin muilla (Polvikoski ym. 1995) ja että epsilon 4 -alleeli oli 2286 M. Haltia

9 vahva riskitekijä myös erittäin iäkkäillä (Polvikoski ym. 2001), päinvastoin kuin aikaisemmissa kliinisiin diagnooseihin perustuvissa tutkimuksissa oli otaksuttu. Alfa-2-makroglobuliinigeenin polymorfismi osoittautui uudeksi Alzheimerin taudin riskitekijäksi ja oli niin ikään yhteydessä isoaivokuoren beeta-amyloidikertymään (Myllykangas ym. 1999). Pohdinta Esimerkkieni kautta olen pyrkinyt valottamaan väestömme perinnöllisten hermoston sairauksien ja riskitekijöiden tutkimisen merkitystä ja neuropatologin roolia tässä työssä. Vaikka yksittäiset perinnölliset sairaudet ovat onneksi harvinaisia, niitä on tuhansia ja kokonaisuutena ne muodostavat merkittävän kliinisen ongelman. Hermoston perinnöllisten sairauksien määrittäminen edellyttää kliinikon, neuropatologin ja molekyyligeneetikon hyvää yhteistyötä. Kliiniset oireet ovat usein epäspesifisiä, ja taudin luokittelu jää viime kädessä patologisen löydöksen varaan. Morfologisen ilmiasun fenotyypin määrittämisessä neuropatologilla on luonnollisesti keskeinen osuus. Jokainen perinnöllinen neurologinen tauti on paitsi kliininen ongelma myös luonnon julma koe ja avain hermoston normaalin toiminnan kannalta olennaisten molekyylien löytämiseen, esimerkkeinä vaikkapa esittelemäni NCL-taudit. Eräissä tapauksissa, mm. prionitaudeissa, neuropatologi voi määrittää virheellisen geenin tuotteen ja epäsuorasti virheellisen geenin tavanomaisilla menetelmillä suoraan kudosleikkeistä. Geeniin voidaan päästä käsiksi myös biokemiallista tietä, kuten CONCL-taudissa. Muissa tapauksissa kliinis-patologisesti määritetty fenotyyppi ja huolellisesti varmistetut diagnoosit luovat pohjan menestykselliselle geneettiselle kytkentäanalyysille viallisen geenin löytämiseksi. Taudin molekyylitason syyn selvittäminen avaa mahdollisuuden yksinkertaiseen ja tarkkaan diagnostiikkaan ja tautien ehkäisyyn. Vaikka hoitomahdollisuudet ovat vielä perin rajalliset, on todennäköistä, että jo lähitulevaisuudessa esimerkiksi Alzheimerin taudin tarkka molekulaarinen tyyppi vaikuttaa myös hoidon valintaan. Ihmisen perimän viimeistelty sekvenssitieto lienee käytettävissä vuonna 2003 ja luo uudenlaiset mahdollisuudet ihmisen elimistön toiminnan ja sairausprosessien analyysiin koko perimän tasolla. Monet perinnölliset taudit ovat malleja yleisistä monitekijäisistä sairauksista. Tällaisia ovat mm. kaksi esittelemistäni perinnöllisen Alzheimerin taudin uusista muodoista. Lähes kaikki, mitä nyt tiedämme Alzheimerin taudin molekyylitaustasta, perustuu vasta 1990-luvulla löydettyjen taudin harvinaisten perinnöllisten muotojen ja niiden kautta löydettyjen geenien ja geenituotteiden tutkimukseen. Pääasiassa niistä saatuihin tietoihin pohjautuu myös käynnissä oleva Alzheimerin taudin diagnostisten testien ja lääkkeiden kehittely maailman johtavissa lääkeyrityksissä. Suomalainen tautiperintö myös neurologinen on mielletty hyvin lastentautivoittoiseksi, eikä se ole ihme, ovathan koko käsitteen luoneet lastenlääkärit Harri Nevanlinna, Reijo Norio ja Jaakko Perheentupa (Norio ym. 1973). On kuitenkin olemassa lukuisia geenivirheitä ja geneettisiä riskitekijöitä, joiden vaikutukset ilmenevät vasta aikuisiässä tai vanhuudessa, esimerkkeinä monet väestön vanhetessa yleistyvät dementiaan johtavat sairaudet. Tämän»toisen» neurologisen tautiperintömme kartoitus on vasta alkanut. * * * Minulla on ollut onni työskennellä monien erinomaisten koti- ja ulkomaisten kollegojen kanssa, jotka edustavat paitsi neuropatologiaa ja patologiaa myös kliinistä neurologiaa, lastenneurologiaa, neurokirurgiaa, neurofysiologiaa, kliinistä ja molekyyligenetiikkaa sekä biokemiaa. Kiitän lämpimästi heitä kaikkia ja jaan ilon ja kunnian saamastani Matti Äyräpään palkinnosta heidän ja perheeni kanssa. Tutkimuskohteena Suomen neurologinen tautiperintö 2287

10 Kirjallisuutta Alzheimer s Disease Collaborative Group: The structure of the presenilin 1 (S182) gene and identification of six novel mutations in early onset AD families. Nat Genet 1995;11: Crook R, Verkkoniemi A, Perez-Tur J, ym. A variant of Alzheimer s disease with spastic paraparesis and unusual plaques due to deletion of exon 9 of presenilin 1. Nat Med 1998;4: Goldfarb LG, Brown P, Haltia M, ym. Creutzfeldt-Jakob disease cosegregates with the codon 178 Asn PRNP mutation in families of European origin. Ann Neurol 1992(a);31: Goldfarb LG, Brown P, Haltia M, Ghiso J, Frangione B, Gajdusek DC. Synthetic peptides corresponding to different mutated regions of the amyloid gene in familial Creutzfeldt-Jakob disease show enhanced in vitro formation of morphologically different amyloid fibrils. Proc Natl Acad Sci 1993;90: Goldfarb LG, Haltia M, Brown P, ym. New mutation in scrapie amyloid precursor gene (at codon 178) in Finnish Creutzfeldt-Jakob kindred. Lancet 1991;337:425. Goldfarb LG, Petersen RB, Tabaton M, ym. Fatal familial insomnia and familial Creutzfeldt-Jakob disease: disease phenotype determined by a DNA polymorphism. Science 1992(b);258: Haltia M. Homénin vai Wilsonin tauti? Duodecim 1992;108: Haltia M. The neuronal ceroid-lipofuscinoses (invited review article). J Neuropathol Exp Neurol 2003 (painossa). Haltia M, Kovanen J, van Crevel H, Bots GTh AM, Stefanko S. Familial Creutzfeldt-Jakob disease. J Neurol Sci 1979;42: Haltia M, Kovanen J, Goldfarb LG, Brown P, Gajdusek DC. Familial Creutzfeldt-Jakob disease in Finland: epidemiological, clinical, pathological and molecular genetic studies. Eur J Epidemiol 1991; 7: Haltia M, Rapola J, Santavuori P. Infantile type of so-called neuronal ceroid-lipofuscinosis. Histological and electron microscopic studies. Acta Neuropathol 1973(a);26: Haltia M, Rapola J, Santavuori P, Keränen A. Infantile type of so-called neuronal ceroid-lipofuscinosis. Part 2. Morphological and biochemical studies. J Neurol Sci 1973(b);18: Haltia M, Tyynelä J, Hirvasniemi A, Herva R, Ranta US, Lehesjoki A-E. CLN8. Northern epilepsy. Kirjassa: Goebel HH, Mole SE, Lake BD, toim. The neuronal ceroid lipofuscinoses (Batten disease). Amsterdam: IOS Press, 1999, s Haltia M, Viitanen M, Sulkava R, ym. Chromosome 14-encoded Alzheimer s disease: genetic and clinicopathological description. Ann Neurol 1994;36: Herva R, Tyynelä J, Hirvasniemi A, Syrjäkallio-Ylitalo M, Haltia M. Northern epilepsy: a novel form of neuronal ceroid-lipofuscinosis. Brain Pathol 2000;10: Hirvasniemi A, Lang H, Lehesjoki A-E, Leisti J. Northern epilepsy syndrome: an inherited childhood onset epilepsy with associated mental retardation. J Med Genet 1994;31: Homén EA. Eine eigenthümliche Familienkrankheit, unter der Form einer progressiven Dementia, mit besonderem anatomischen Befund. Neurologisches Centralblatt 1890;17:1 6. Houlden H, Baker M, McGowan E, ym. Variant Alzheimer s disease with spastic paraparesis and cotton wool plaques is caused by PS-1 mutations that lead to exceptionally high amyloid-beta concentrations. Ann Neurol 2000;48: Järplid B, Haltia M. An animal model of the infantile type of neuronal ceroid-lipofuscinosis. J Inherit Metab Dis 1993;16: Järvelä I, Santavuori P, Puhakka L, Haltia M, Peltonen L. Linkage map of the chromosomal region surrounding the infantile neuronal ceroid-lipofuscinosis on 1p. Am J Med Genet 1992;42: Kianto I. Vanha Postineiti. Hämeenlinna: A A Karisto, Myllykangas L, Polvikoski T, Sulkava R, ym. Genetic association of alpha 2-macroglobulin with Alzheimer s disease in a Finnish elderly population. Ann Neurol 1999;46: Norio R, Nevanlinna HR, Perheentupa J. Hereditary diseases in Finland: rare flora on rare soil. Ann Clin Res 1973;5: Polvikoski T, Sulkava R, Myllykangas L, ym. Prevalence of Alzheimer s disease in very elderly people. A prospective neuropathological study. Neurology 2001;56: Polvikoski T, Sulkava R, Haltia M, ym. Apolipoprotein E, dementia, and cortical deposition of b-amyloid protein. New Engl J Med 1995; 333: Prihar G, Verkkoniemi A, Pérez-Tur J, ym. Alzheimer disease PS-1 exon 9 deletion defined. Nat Med 1999;5:1090. Ranta S, Zhang Y, Ross B, ym. The neuronal ceroid lipofuscinoses in human EPMR and mnd mutant mice are associated with mutations in CLN8. Nat Genet 1999;23: Santavuori P, Gottlob I, Haltia M, ym. CLN1. Infantile and other types of NCL with GROD. Kirjassa: Goebel HH, Mole SE, Lake BD, toim. The neuronal ceroid lipofuscinoses (Batten disease). Amsterdam: IOS Press, 1999(a), s Santavuori P, Haltia M, Rapola J, Raitta C. Infantile type of so-called neuronal ceroid-lipofuscinosis. Part 1. A clinical study of 15 patients. J Neurol Sci 1973;18: Santavuori P, Rapola J, Haltia M, Tyynelä J, Peltonen L, Mole SE. CLN5. Finnish variant late infantile NCL. Kirjassa: Goebel HH, Mole SE, Lake BD, toim. The neuronal ceroid lipofuscinoses (Batten disease). Amsterdam: IOS Press, 1999(b), s Santavuori P, Rapola J, Sainio K, Raitta C. A variant of Jansky- Bielschowsky disease. Neuropediatrics 1982;13: Savukoski M, Klockars T, Holmberg V, Santavuori P, Lander ES, Peltonen L. CLN5, a novel gene encoding a putative transmembrane protein mutated in Finnish late infantile neuronal ceroid lipofuscinosis. Nat Genet 1998;19: Tyynelä J, Baumann M, Henseler M, Sandhoff K, Haltia M. Sphingolipid activator proteins in the neuronal ceroid-lipofuscinoses: an immunological study. Acta Neuropath 1995;89: Tyynelä J, Palmer DN, Baumann M, Haltia M. Storage of saposins A and D in infantile neuronal ceroid-lipofuscinosis. FEBS Lett 1993;330:8 12. Tyynelä J, Sohar I, Sleat DE, ym. A mutation in the ovine cathepsin D gene causes a congenital lysosomal storage disease with profound neurodegeneration. EMBO J 2000;19: Tyynelä J, Suopanki J, Santavuori P, Baumann M, Haltia M. Variant late infantile neuronal ceroid-lipofuscinosis: pathology and biochemistry. J Neuropath Exp Neurol 1997;56: Vanhanen S-L, Haltia M. Neuronaaliset seroidilipofuskinoosit. Kirjassa: Sillanpää M, Herrgård E, Koivikko M, Rantala H, toim. Lastenneurologia, 2. painos. Helsinki: Kustannus Oy Duodecim, 2002 (painossa). Verkkoniemi A, Kalimo H, Paetau A, Somer M, Hardy J, Haltia M. Variant Alzheimer disease with spastic paraparesis: Neuropathological phenotype. J Neuropathol Exp Neurol 2001;60: Verkkoniemi A, Somer M, Rinne JO, ym. Variant Alzheimer s disease with spastic paraparesis. Clinical characterization. Neurology 2000;54: Vesa J, Hellsten E, Verkruyse LA, ym. Mutations in the palmitoyl protein thioesterase gene causing infantile neuronal ceroid-lipofuscinosis. Nature 1995;376: Wisniewski KE, Kida E, Golabek AA, Kaczmarski W, Connell F, Zhong N. Neuronal ceroid lipofuscinoses: classification and diagnosis. Kirjassa: Wisniewski E ja Zhong N, toim. Batten disease: diagnosis, treatment, and research. Academic Press, San Diego 2001, s Yankner BA: Monster plaques. what they tell us about Alzheimer s disease. An unusual variant of Alzheimer s disease challenges the role of classic amyloid plaques in the pathogenesis of dementia. Nat Med 1998;4: MATTI HALTIA, professori Patologian osasto, Haartman-instituutti PL 21, Helsingin yliopisto 2288