Fremskritt innen diabetesgenetikk

Kandidatgener og posisjonell kloning

Gener relatert til diabetes ble først identifisert ved å undersøke kandidatgener. Denne tilnærmingen viste seg å være meget vellykket for å definere monogene diabetestyper. Eksempler er gener som koder for faktorer som påvirker insulinsekresjon og insulinvirkning, slik som insulingenet (INS) (7), glukokinasegenet (GCK) (8) og genene for de to ATP-sensitive kaliumkanalsubenhetene, KCNJ11 (9) og ABCC8 (10). Identifisering av pasienter med mutasjoner i disse genene har bekreftet den avgjørende rollen i glukose- og insulinreguleringen, f.eks. i form av unormal glukosefølsomhet hos dem med homozygote glukokinasemutasjoner (8).

En annen tilnærming har vært posisjonell kloning. Ved denne teknikken brukes genetiske koblingsanalyser for å finne et genområde som nedarves sammen med diabetes i en eller flere familier. Når et slikt genområde er identifisert, undersøkes de genene som befinner seg innen dette området med DNA-sekvensering. Slik fant man genet HNF1A, som koder for hepatocyttnukleærfaktor-1-alfa (11). Mutasjoner i dette genet forårsaker HNF1A-MODY, den vanligste formen for monogen diabetes i Norge (fig 1) (12 – 18). Et annet eksempel er CEL, som koder for enzymet karboksylesterlipase. Mutasjoner i dette genet leder til CEL-MODY (12). I mange tilfeller har posisjonell kloning gitt helt ny viten. Det var ikke kjent at HNF1A var uttrykt i betacellene i pancreas (11). CEL, som er ansvarlig for hydrolyse av kolesterolestere, er ikke uttrykt i betacellene, men derimot i acinærcellene (12).

Figur 1  Fordeling av ulike typer monogen diabetes basert på genetiske analyser av 201 probander henvist til norsk MODY-register. Kun de som fyller kriteriene for MODY er inkludert. 7 % av pasientene hadde mutasjoner i genene KCNJ11 (2 %), MTTL1 (3 %), ABCC8 (1 %) eller INS (1 %). Ukjent betyr at 30 % av probandene testet negativt for de undersøkte årsakene til monogen diabetes. Data bygger på publiserte artikler fra vår forskningsgruppe (12 – 18)

Diabetesgenene er hovedsakelig betacellegener

Identifisering av gener som forårsaker diabetes med monogent arvemønster, har ført til oppdeling i kliniske undergrupper (tab 1, tab 2, ramme 1). Mutasjoner i de fleste diabetesgenene, inkludert HNF4A, GCK, HNF1A og HNF1B, er assosiert med redusert betacellefunksjon, ikke med økt insulinresistens, slik man oftest ser ved type 2-diabetes. Det er flere ulike mekanismer involvert (tab 3) (19). Mutasjoner i HNF1B fører til forstyrret utvikling av blant annet betacellene, slik at pasienten får nedsatt insulinsekresjon. I tillegg rammes utviklingen av den eksokrine delen av pancreas og urogenitalsystemet, slik at pasientene får en systemsykdom med affeksjon av disse organene (20, 21). Mutasjoner i genet GCK, som koder for glukokinaseenzymet i betacellene, leder til redusert glukosesensitivitet. Dette fører til at glukosenivået i blodet må være høyere for at glukokinasen skal kunne stimulere til insulinutskilling og dermed til forhøyet nivå av fastende glukose hos pasientene. Glukokinase er også uttrykt i leveren, og mutasjoner i GCK leder blant annet til mindre postprandial lagring av glykogen. Den nøyaktige mekanismen for diabetesutvikling ved mutasjoner i HNF1A og HNF4A er foreløpig ukjent.

Klassifisering og nomenklatur

Det å klassifisere ulike former for monogen diabetes er komplisert. Stadig nye gener blir funnet, og det kliniske bildet kan være noe forskjellig ved ulike mutasjoner i samme gen (tab 1, tab 2, e-fig 2). En praktisk inndeling av monogen diabetes kan gjøres etter alder ved diagnosetidspunkt og affisert gen (ramme 1). Inntil videre foreslår vi at man i Norge bruker neonatal diabetes (forkortet PNDM for «permanent neonatal diabetes mellitus» ved den permanente formen og TNDM for «transient neonatal diabetes mellitus» ved den transiente formen) når pasienten ved diagnosetidspunktet er under seks måneder. Når de som får diagnosen er mellom seks måneder og ca. 25 år, brukes betegnelsen ««voksendiabetes» hos barn og unge» (maturity-onset diabetes of the young; MODY). Et prefiks angir typen, f.eks. KCNJ11-PNDM for permanent neonatal diabetes på grunn av mutasjon i genet KCNJ11 og HNF1A-MODY for MODY grunnet mutasjon i HNF1A (tidligere MODY3). Trolig blir både betegnelsene neonatal diabetes og MODY etter hvert erstattet av «monogen diabetes», mens underformene av MODY, PNDM og TNDM erstattes av sammensatte navn bestående av gennavnet og «diabetes» («KCNJ11-diabetes» og «HNF1A-diabetes»).

Figur 2  Kliniske karakteristika og genetiske årsaker til monogen diabetes. MODY og neonatal diabetes kan ha samme genetiske årsak, for eksempel mutasjon i genet INS

Farmakogenetikk

Påvisningen av genetiske årsaker til monogen diabetes har fått praktiske konsekvenser for behandlingen. Det beste eksemplet på dette er oppdagelsen av at permanent nyfødtdiabetes kan skyldes mutasjoner i kaliumkanalgenet KCNJ11 (9, 22, 23). Normalt fører økning i nivået av intracellulær glukose til økning i ATP-nivået, som igjen lukker kaliumkanalen slik at kaliumstrømmen ut av cellene reduseres. Dette fører til at kalsium strømmer inn i cellene og insulin utskilles. Mutasjoner i KCNJ11 fører imidlertid til at kaliumkanalen åpnes i stedet for å lukkes selv om ATP-nivået er høyt. Det gjør at ionestrømmen ut av cellene økes, kalsium kan ikke strømme inn, insulinutskillingen reduseres og diabetes oppstår. Sulfonylurea virker ved å lukke denne kaliumkanalen og brukes nå som rutinebehandling – ikke bare ved mutasjoner i KCNJ11, men også ved mutasjoner i det andre kaliumkanalgenet ABCC8 (22). Det er vist at behandling med sulfonylurea virker hos 90 % av slike pasienter (23) og at behandling i minst fem år antakelig er trygt og effektivt (egne data, upublisert).

Sulfonylurea virker også hos pasienter med HNF1A- og HNF4A-MODY. Disse pasientene, der sykdommen ofte har vært feilklassifisert som type 1-diabetes og derfor er blitt behandlet med insulin fra diagnosetidspunktet, kan bruke sulfonylurea med opprettholdt metabolsk kontroll (13, 24). Pasienter med HNF1B-MODY har imidlertid ikke god effekt av sulfonylurea (25), trolig fordi de har redusert pancreasstørrelse på grunn av en utviklingsforstyrrelse (20). Hos pasienter med GCK-MODY er glukosen regulert til å forbli på et høyt fastende nivå, og orale antidiabetesmedikamenter eller insulin endrer ikke den kroniske hyperglykemien.

De nye sårbarhetsregionene for type 2-diabetes

De fleste av de identifiserte genvariantene har en beskjeden innvirkning på risikoen for utvikling av diabetes (e-tab 4) (19). Genregionen TCF7L2 har størst effekt. På individnivå har en bærer av risikovarianten tilnærmet 50 % økt risiko for å utvikle type 2-diabetes. Den tilskrivbare risikoen på populasjonsnivå er derimot lavere enn 25 % og varierer med variantens frekvens i populasjonen. I en norsk populasjon (HUNT-studien) er den tilskrivbare risikoen blitt beregnet til 15 % (29). TCF7L2 koder for en transkripsjonsfaktor i Wnt-signalveien og induserer dermed transkripsjon av en rekke gener, deriblant proglukagon i tarmen. Nyere studier har vist at det er et forhøyet uttrykk av TCF7L2 i øyceller ved type 2-diabetes, noe som igjen resulterer i nedsatt glukosestimulert insulinsekresjon.

Assosiasjonen mellom polymorfisme i FTO-genet og type 2-diabetes er nesten utelukkende uttrykt via effekten på kroppsmasseindeksen (30). Høyrisikovarianten predisponerer for fedme både hos barn og voksne. En bærer av to høyrisikovarianter veier gjennomsnittlig tre kilo mer enn en person med to lavrisikovarianter. Videre ser det ut til å være en sammenheng mellom høyrisikovarianten og energiinntaket, men ikke energiforbruket (31). Måltidssammensetning og fysisk aktivitet kan trolig modifisere effekten av mutasjonen i FTO.

De sist rapporterte sårbarhetsregionene er enkeltvis kun assosiert med en marginalt økt risiko for diabetes. Kliniske faktorer ser ut til å si mer om risikoen for diabetesutvikling enn et utvalg av 16 undersøkte type 2-diabetesassosierte enkeltnukleotidpolymorfismer, enten alene eller i kombinasjon (32). Den kliniske nytten av de genomvide assosiasjonsstudiene er derfor omdiskutert (33 – 35). Det må således være andre genetiske varianter som står for den arvelige komponenten man blant annet ser i Botnia-studien. Der ble 6 421 personer fra 1 131 familier inkludert, og man demonstrerte at den prediktive verdien av en familiehistorie med type 2-diabetes veier tyngre enn resultatet av totimers glukosebelastning, kroppsmasseindeks > 30 kg/m² og fastende glukose > 5,5 mmol/l (36).

Til tross for at den prediktive verdien av de nye sårbarhetsregionene for diabetes ennå er liten, mener mange at funnene åpner for ny viten når det gjelder forståelse av patogenesen ved type 2-diabetes samt for målrettet behandling med nye medikamenter. Et godt eksempel på dette er genet KCNJ11, som ble funnet å være i en risikoregion for type 2-diabetes (37) og deretter ble identifisert som et av de viktigste genene som kan forårsake nyfødtdiabetes (9). Som diskutert over førte dette til oppdagelsen av at sulfonylurea kunne erstatte insulin hos disse pasientene (22, 23). For noen av genregionene er sammenhengen således åpenbar, men for de fleste av de nye regionene er funksjonen enten ukjent eller uventet. Et viktig og interessant funn er at de fleste regionene som hittil er funnet, inneholder et kandidatgen som uttrykkes i betacellene. Det kan tale for at betacelledysfunksjon er viktigere ved type 2-diabetes enn tidligere antatt (e-tab 4) (19).

Det er nå tre hovedutfordringer når det gjelder de identifiserte sårbarhetsregionene for type 2-diabetes: Å forstå funksjonen til de genetiske variantene som er funnet, å kartlegge de genetiske variantene i større detalj og å bruke resultatene i klinisk praksis (38).