1 Raskausfysiologiaa ja genetiikkaa I integroidun tunnin aineisto Tämä aineisto koostuu kolmesta osiosta: Raskausfysiologiaa, Suomalainen tautiperimä ja Populaatiogenetiikka. Yhdessä ne muodostavat ensimmäisellä integroidulla tunnilla käytettävän aineiston. Pystyäksesi osallistumaan täysipainoisesti tunnin opetukseen, tutustu aineistoon yhtä huolella kuin pääsykoeaineistoon. Käytä korkeintaan tunti aikaa, tee muistiinpanoja ja yritä omaksua aineistossa esiintynyttä uutta tietoa. Tunnilla tulemme hyödyntämään useaan otteeseen aineiston eri kohtia ja silloin sinun tulee tietää, mitä osia aineistosta tarvitset. 1. Raskausfysiologiaa Raskauden aikana äidin fysiologiassa tapahtuu muutoksia, jotka pyrkivät turvaamaan yksilönkehityksen ja sikiön terveen kasvun. Kasvavalla kohdulla ja sen mukanaan tuomalla lisäpainolla on aivan suorat vaikutukset mm. biomekaniikkaan: raskauden edetessä lanneselkä ja lonkat kuormittuvat siirtyneen painopisteen johdosta sekä lantion luisen kehän rakenteisiin tulee kohdun painosta johtuen painetta aiheuttaen liitoskipuja. Äidin hormonaalinen toiminta muuttuu merkittävästi ja esim. verisolujen tuotanto lisääntyy. Tietyssä mielessä kuitenkin suurin muutos on, että äidin verenkiertoelimistö on lähes suorassa yhteydessä sikiön verenkiertoon istukan välityksellä. 1.1 Istukka Sikiö saa kaikki tarvitsemansa ravinteet äidin verestä istukan kautta. Vastaavasti lähes kaikki kuona-aineet kulkeutuvat istukan läpi toiseen suuntaan eli sikiöstä äitiin. Äidin puolella istukkaan muodostuu veripoukamia, jotka saavat verensä äidin runsasravinteisesta valtimoverenkierrosta. Täältä ravinteita ja happea luovuttanut sekä sikiön kuona-aineita vastaanottanut veri poistuu äidin laskimokiertoon. Veripoukamien välissä istukan sikiönpuoleinen osa muodostaa sormimaisia ulokkeita eli villuksia, joissa istukkaan verta tuovat valtimot ja pois vievät laskimot kulkevat. (Kuva 1) Istukka muodostaa valikoivan kuljetusesteen sikiön ja äidin verenkiertojen välille. Suoraa kontaktia äidin ja sikiön veren välillä ei ole. Ohuimmillaan äidin ja sikiön verenkierron erottaa vain kaksi solukerrosta: istukan synsytiotrofoblastikerros ja sikiön endoteeli. Tämän esteen läpi kulkevat kaikki sikiön tarvitsemat aineet äidistä sikiöön ja sikiön tuottamat kuona-aineet sikiöstä äitiin. Sikiölle siirtyy myös kohtalaisen kookkaita partikkeleita kuten vasta-aineita. Nämä tuovat vastasyntyneelle syntymän jälkeen ensimmäisille elinkuukausille suojaa erilaisia tauteja vastaan. Toisaalta jos äiti on Rh-negatiivinen ja muodostaa vasta-aineita Rh-tekijää vastaan, voi Rh-positiivisen sikiön kohdalla tästä seurata Rh-immunisaatio ja sikiön anemia pahimmillaan keskenmeno tai kohtukuolema.
2 Kuva 1: Istukan rakenne 1.2 Sikiön verenkierto Sikiö ottaa tarvitsemansa hapen istukan kautta. Veri tulee istukkaan sisemmistä lonkkavaltimoista alkunsa saavia napavaltimoita pitkin ja poistuu napalaskimoita pitkin. Istukassa veri hapettuu. Hapettunut veri kulkeutuu laskimotiehyen kautta alaonttolaskimoon ja edelleen sydämen oikeaan eteiseen. Aikuisella oikeaan eteiseen palannut laskimoveri virtaa oikean kammion kautta keuhkoihin hapetettavaksi. Sikiön keuhkot eivät toimi, joten verta ei kannata kierrättää keuhkojen kautta. Sen sijaan se virtaa sydämen eteisiä yhdistävän soikean aukon ja keuhkovaltimoa ja aorttaa yhdistävän valtimotiehyen kautta verenkiertojärjestelmän vasemmalle puolelle ja edelleen kudosten käytettäväksi. Soikea aukko ja valtimotiehyt sulkeutuvat yleensä heti syntymän jälkeen, kun sikiön keuhkot alkavat toimia ja paine keuhkoverenkierrossa kasvaa. Toisinaan nämä aukot jäävät avoimiksi, mistä voi myöhemmin seurata sydänongelmia. Avoimeksi jääneitä aukkoja voidaan tarvittaessa sulkea kirurgisesti. 1.3 Hapenkuljetus hemoglobiinissa ja sikiön hapenkuljetusjärjestelmä Happi kulkee veressä joko suoraan vereen liuenneena tai hemoglobiiniin sitoutuneena. Hemoglobiini on hapenkuljetustavoista merkittävämpi. Hemoglobiinimolekyylissä on neljä proteiiniketjua (kaksi α- ja kaksi β-ketjua), joista kuhunkin on sitoutunut porfyriinirakenteinen hemiryhmä, johon on kelatoitunut rauta-atomi. Tämä rauta-atomi sitoo happea. Kukin neljästä hemiraudasta voi sitoa yhden happimolekyylin. Hemoglobiinin hapensitomiskyky riippuu veren happiosapaineesta. Osapaine puolestaan on suoraan verrannollinen kaasun määrään nesteessä. Mitä suurempi on hapen osapaine veressä (eli mitä enemmän veressä on happea), sitä paremmin
3 hemoglobiini sitoo happea (eli hemoglobiinin happiaffiniteetti kasvaa). Hemoglobiinin happikyllästyneisyysastetta kuvataan suureella happisaturaatio, joka kertoo, kuinka suuri osa veren hemoglobiinin hapenkuljetuspaikoista on miehitettynä. Happisaturaation riippuvuus osapaineesta on muodoltaan sigmoidaalinen. Tyypillinen aikuisen happisaturaatiokäyrä (eli hapen dissosiaatiokäyrä) on esitetty kuvassa. Aikuisen keuhkovaltimoissa happea on runsaasti, koska sitä diffundoituu jatkuvasti alveoli-ilmasta. Tällöin hapen osapaine on suuri ja hemoglobiinin happisaturaatio korkea (saturaatiokäyrän loiva loppuosa). Happea käyttävissä kudoksissa osapaine on pienempi, sillä kudoksissa happea kuluu jatkuvasti. Tällöin osapaine kudosverisuonissa on alhaisempi (tyypillisesti happisaturaatiokäyrän jyrkällä osalla). Tällöin myös hemoglobiinin hapensitomiskyky on alhaisempi ja happea vapautuu kudosten käyttöön. Vähähappinen hemoglobiini palaa sitten laskimoveren mukana keuhkoihin, jossa sen happisaturaatio jälleen nousee. Sikiöhemoglobiini poikkeaa rakenteeltaan aikuisen hemoglobiinista. Se muodostuu kahdesta α- ja kahdesta γ-ketjusta. Sikiöhemoglobiinin happiaffiniteetti on suurempi kuin aikuisen hemoglobiinin (kuva 2): se siis sitoo happea pienemmässä veren happipitoisuudessa kuin aikuisen hemoglobiini. Tämä on elintärkeää sikiön hapensaannin kannalta. Happi pääsee diffundoitumaan suhteellisen vapaasti äidin verestä sikiön vereen, jolloin pitoisuuserot tasoittuvat ja sikiöön ja äitiin lähtevissä verissä on lähes samat happiosapaineet. Kuitenkin sikiöhemoglobiini kykenee sitomaan samassa osapaineessa enemmän happea paremman happiaffiniteettinsa ansiosta, jolloin samasta osapaineesta huolimatta hemoglobiinin happisaturaatio on sikiön puolella korkeampi. Kuvassa 2 on esitetty rinnakkain sikiöhemoglobiinin ja aikuishemoglobiinin saturaatiokäyrä. Sikiön veren hemoglobiinipitoisuus on myös korkeampi kuin aikuisella; tämäkin turvaa osaltaan sikiön hapensaantia. Kuva 2: Aikuisen ja sikiön hemoglobiinin saturaatiokäyrät.
4 2. Suomalainen tautiperimä Geenitutkimuksen vuosisata käynnistyi 1950-luvulla, kun James D. Watson ja Francis Crick selvittivät DNA:n rakenteen. Samoihin aikoihin Suomessa alettiin Jaakko Perheentuvan johdolla selvittämään, miksi tietyt taudit olivat Suomessa yleisempiä kuin muualla. Vuonna 1956 löydettiin synnynnäinen nefroosi (CNF), joka osoittautui ensimmäiseksi löydetyksi suomalaisen tautiperimän sairauksista. Myöhemmin suomalaiseen tautiperimään kuuluvia tauteja on löytynyt tasaisesti yhteensä 36. Suomalaiselle tautiperimälle on ominaista, että ne ovat harvinaisia periytyviä sairauksia, joita tavataan Suomessa useammin kuin muualla päin maailmaa. Myös taudin kantajatiheys on suurempi kuin muissa maissa. Hyvin tyypillisesti tautia on löydettävissä vain tietyiltä suomalaisilta paikkakunnilta tai näiltä kotoisin olevilta henkilöiltä. Tähän on monta syytä. Suomi on asutettu eurooppalaisittain varsin myöhään. Ensimmäinen muuttoaalto Suomeen saapui idästä 4000 vuotta sitten maanviljelyn myötä ja toinen muuttoaalto etelästä 2000 vuotta sitten. Muuttajia ei ollut paljon (arviot vaihtelevat 3.000 ja 24.000 välillä), mutta tämä populaatio muodostaa pitkälti suomalaisten kantaväestön. Sattuman kautta tässä pienessä kantaväestössä oli toisaalta enemmän tiettyjä harvinaisia geenimutaatioita ja toisaalta vähemmän joitain toisia harvinaisia geenimutaatioita kuin muualla maailmassa. Kun lähes kaikki nykypäivän suomalaiset periytyvät tästä kantaväestöstä, on tiettyjen geenimutaatioiden frekvenssi (ilmaantumistiheys) Suomessa yleisempää kuin muualla. Tämä ilmiö tunnetaan myös perustajavaikutuksena ja ensimmäisen populaation pullonkaulavaiheen seurauksena suomalaisilla oli jo valmiiksi oma geneettinen perimänsä. Aina 1500-luvulle asti suomalaiset asuttivat pääasiassa rannikkoseutuja, kunnes Kustaa Vaasan hallintokaudella käynnistettiin Suomen sisämaiden asutus. Tälle sisämaan muutolle oli ominaista, että pieni yhteisö (muutama perhe) muutti keskelle metsää ja raivasi sinne oman elintilansa. Muuttaneen yhteisön perimässä saattoi olla sattumalta poikkeuksellisen paljon jotain tautigeeniä, jolloin sen frekvenssi paikallisväestössä yleistyi. Syntyneet pienet kyläyhteisöt olivat usein varsin syrjäisillä seuduilla, yhteydet ulkomaailmaan heikot ja niihin muutti harva varsinaisen perustamisvaiheen jälkeen. Näin olikin yleistä, että avioliittoja solmittiin oman kylän sisällä tai korkeintaan naapurikylän väen kanssa. Tämä sisäsiittoisuus johti edelleen tautigeenien yleistymiseen paikallisväestössä ja muuta maata korkeampaan sairastuvuuteen. Tämä ilmiö tunnetaan toisena populaation pullonkaulavaiheena.
5 Suomalaisten eristäytyneisyys on jatkunut aina 1900-luvulle asti. Tänä aikana suomalaisten tautigeenien frekvenssi on yleistynyt erityisesti Pohjois- ja Itä-Suomessa. Tyypillistä suomalaisen tautiperimän taudeille on, että tautigeeneissä on vain muutama tunnettu mutaatio, jotka ovat valtaosan sairastuneiden taudin taustalla. Tautien löytämisessä merkittävässä roolissa ovat olleet kehittynyt terveydenhuolto sekä tarkka väestönkirjanpito (kirkonkirjat). Suomalaisen tautiperimän taudit on kuvattu ns. Perheentuvan portaissa (kuva 3) niiden löytämisajankohdan mukaan. Kuva 3: Perheentuvan portaat. 2.1 Aspartyyliglukosaminuria eli AGU Aspartyyliglukosaminuria on autosomissa resessiivisesti periytyvä lysosomaalinen kertymäsairaus. AGU johtuu mutaatiosta aspartyyliglukosaminidaasia koodaavassa geenissä. Lähes kaikilla suomalaisilla AGU-potilailla on kyseessä valtamutaatiosta, jossa aminohappoketjun 163. aminohappo kysteiini on korvautunut seriinillä (lyhennetään yleensä p.cys163ser). Aspartyyliglukosaminidaasi on lysosomaalinen entsyymi, joka normaalisti pilkkoo pitkiä sokeriketjuja ja glykoproteiineja. Valtamutaation seurauksena kyseisen entsyymin toiminta estyy ja elimistöön alkaa kertyä aspartyyliglukosamiinia (kuva 4), jonka kohonnut pitoisuus voidaan todeta virtsanäytteestä.
6 AGU on usein kohtalaisen oireeton vastasyntyneillä ja vauvaiässä. Leikki-iässä alkaa ilmaantua lihasvelttoutta, kömpelyyttä, puheongelmia, keskittymishäiriöitä ja hengitysvaikeuksia. Iän karttuessa taudin etenevä luonne paljastuu ja murrosikään mennessä potilaat ovat usein taantuneet noin 6-vuotiaan tasolle. Lisäksi oireistoa hallitsee lyhytkasvuisuus, kömpelyys ja mahdollinen epilepsia. Taantuminen jatkuu aina aikuisikään ja AGU potilaat kuolevat yleensä alle 50-vuotiaina. AGU:n ilmaantuvuus suomalaisessa väestössä on noin 1:16.000 (eli yksi joka 16.000 syntynyttä kohtaan). Kuva 4: Aspartyyliglukosamiinin rakennekaava. 2.2 Infantiili neuronaali seroidilipofuskinoosi eli INCL tauti Infantiili neuronaali seroidilipofuskinoosi eli INCL-tauti on harvinainen resessiivisesti kromosomissa 1 periytyvä sairaus, jonka patofysiologiaa ei täysin tunneta. Suomalainen valtamutaatio on kuitenkin löydetty PPT1 geenistä. Mutaatio aiheuttaa aminohappoketjun 122. aminohapon muuttumisen arginiinista tryptofaaniksi. PPT1 geeni koodaa palmityyli-proteiinitioesteraasina tunnettua entsyymiä, joka katkoo palmityylin ja kysteiinin välisen tioesterisidoksen lysosomissa. Valtamutaatio aiheuttaa entsyymin toiminnan hiipumisen. INCL-tauti on etenevä enkefalopatia (aivosairaus), jonka ensioireet ilmaantuvat 8 18 kuukauden iässä. INCL-taudin oireita ovat syvä kehitysvammaisuus, epilepsia, lihasvelttous, näkövammaisuus sekä tautiin liittyy lihasnykäyksiä ja pakkoliikkeitä. INCL:n ennuste on huono ja keskimääräinen kuolinikä on hieman yli 10 vuotta. INCL-taudin ilmaantuvuus suomalaisessa väestössä on noin 1:18.000. 2.3 Sallan tauti Sallan tauti eli sialuria on harvinainen resessiivisesti kromosomissa 6 periytyvä tauti, jossa soluihin kertyy siaalihappoa (kuva 5). Siaalihapon kertyminen johtuu mutaatiosta (tyypillisesti p.arg39cys) geenissä SLC17A5, joka koodaa sialiinia. Sialiini on lysosomaalinen kalvoproteiini, joka kuljettaa siaalihappoa (N-asetyylineuramiinihappo) ulos lysosomista. Sialiini kuuluu todennäköisesti natrium-
7 anioni-kuljettajien ryhmään, jolloin siaalihapon kuljetus lysosomikalvon yli tapahtuu natriumin avustuksella elektroneutraalisti. Sallan tautia sairastavat vaikuttavat vastasyntyneinä normaaleilta, mutta jo alle vuoden iässä alkaa ilmaantua lihasvelttoutta ja muita liikkumisen vaikeutta kuvaavia oireita. Potilaat kehittyvät hitaasti 3-vuotiaksi asti, mutta tämän jälkeen alkaa taantuminen. Potilailla on usein myös epilepsia ja herkkä infektiokynnys. Sallan tautia sairastavat elävät kuitenkin verrattain pitkään yleensä jopa 60-vuotiaksi. Sallan taudista tiedetään, että Suomen väestössä tautigeenin kantajafrekvenssi (eli kuinka monta tervettä yksilöä tarvitaan yhtä tautigeenin kantajaa kohtaan) on luokkaa 1:200, mutta Koillismaalla (Pudasjärvi, Kuusamo, Taivalkoski) kantajafrekvenssi on jopa luokkaa 1:40. Kuva 5: Siaalihapon rakennekaava. 3. Populaatiogenetiikka Populaatiogenetiikassa tarkastelun kohteena ovat alleelien ja genotyyppien esiintymistiheydet eli frekvenssit väestössä. Populaatiogenetiikan menetelmiä voidaan hyödyntää mm. evoluutio- ja populaatioekologisessa tutkimuksessa sekä yksilötasolla ennustettaessa esimerkiksi lapsen sairastumisriskiä perinnöllisiin tauteihin. Tarkastellaan geeniä, josta on olemassa kaksi eri alleelia (merkitään niitä A ja a). Olkoon p ja q näiden alleelien alleelifrekvenssit eli esiintymistiheydet väestössä, eli: p = N(A) N(A) + n(a)
8 q = N(a) N(A) + n(a),jossa N(A) on alleelien A kokonaismäärä väestössä ja N(a) alleelien a kokonaismäärä väestössä. Frekvenssien summa p+q=1. Määritellään seuraavaksi eri genotyyppien frekvenssit väestössä (eli eri genotyyppien prosenttiosuudet väestössä). Mahdollisia genotyyppejä on kolme: AA, Aa ja aa. Niiden frekvenssit ovat: f(aa) = f(aa) = f(aa) = N(AA) N(AA) + N(Aa) + N(aa) N(Aa) N(AA) + N(Aa) + N(aa) N(aa) N(AA) + N(Aa) + N(aa) Myös genotyyppifrekvenssien summa on 1: f(aa) + f(aa) + f(aa) = 1. Väestöfrekvenssejä voidaan käyttää ennustettaessa esimerkiksi lapsen sairastumisriskiä perinnölliseen tautiin, kun toisen tai molempien vanhempien genotyyppejä ei tunneta. Käytännössä tällä on merkitystä tilanteissa, joissa ollaan kiinnostuneita resessiivisesti periytyvän taudin riskistä: tällöin on mahdollista, että molemmat vanhemmat ovat tietämättään oireettomia kantajia. Tällaisissa tilanteissa vanhempien kantajuus- ja lapsen sairastumisriskiä voidaan arvioida alleeli- ja genotyyppifrekvenssien avulla. Hedelmöityksessä sikiö saa yhden alleelin kummaltakin vanhemmalta. Tällöin eri genotyyppien todennäköisyydet syntyvälle lapselle voidaan laskea alleelifrekvensseistä. Oheisessa taulukossa on esitetty jälkeläisen mahdolliset alleliyhdistelmät ja niiden alleelifrekvenssien avulla lasketut todennäköisyydet (suluissa) tällaisessa tilanteessa: Isältä peritty alleeli Äidiltä peritty alleeli A (p) a (q) A (p) AA (p*p=p 2 ) Aa (p*q) a (q) Aa (p*q) aa (q*q=q 2 ) Toisaalta eri genotyyppien todennäköisyydet vastaavat ko. genotyyppien frekvenssejä väestössä, eli syntyvän lapsen todennäköisyydet eri genotyypeille ovat: P(AA) = f(aa) = p 2 P(Aa) = f(aa) = 2pq P(aa) = f(aa) = q 2
9 Tällöin saadaan: p 2 + 2pq + q 2 = 1 Tätä relaatiota kutsutaan Hardy-Weinbergin tasapainolaiksi. Tätä tasapainolakia voidaan havainnollistaa kuvaajan avulla (kuva 6). Kuva 6: Hardy-Weinbergin lain mukaiset todennäköisyydet eri genotyypeille. Vaaka-akselilla esitetty kahden alleelin frekvenssit (p ja q) ja pystyakselilla vuorostaan genotyypin todennäköisyys. Tyypillisesti resessiivisesti periytyvissä taudeissa vain sairautta aiheuttavan alleelin suhteen homotsygooteilla on oireita eli vain näiden yksilöiden määrää voidaan tilastoida. Hardy-Weinbergin lain avulla voidaan tästä tunnetusta homotsygoottifrekvenssistä laskea sairautta aiheuttavan alleelin alleelifrekvenssi ja heterotsygoottien eli kantajien frekvenssi väestössä. Hardy-Weinbergin laista seuraa, että alleelifrekvenssit p ja q eivät muutu sukupolvien kuluessa vaikka populaatiokoko muuttuisi. Tällöin tosin oletetaan, että populaatio on äärettömän suuri ja pariutuminen tapahtuu satunnaisesti kyseisen geenin suhteen (eli kumpikaan alleeli ei anna valintaetua). Todellisuudessa evoluutiotekijät eli selektio, sattuma ja mutaatiot sotkevat tilannetta niin, että alleelifrekvenssit muuttuvat ajan kuluessa.