Çölyak hastalýðýnýn moleküler genetik temelleri

Transkript

1 Çocuk Saðlýðý ve Hastalýklarý Dergisi 2003; 46: Derleme Çölyak hastalýðýnýn moleküler genetik temelleri Cemal Ün 1, Sema Aydoðdu 2 GSF National Research Center for Enviroment and Health 1 Institute of Development Genetics Doktoru (PhD), Ege Üniversitesi Týp Fakültesi 2 Pediatri Doçenti SUMMARY: Ün C, Aydoðdu S. (GSF-National Research Center for Environment and Health, Institute of Developmental Genetics, Neuherberg. Germany and Department of Pediatrics, Ege University Faculty of Medicine, Izmir, Turkey). Molecular genetic fundaments of celiac disease. Çocuk Saðlýðý ve Hastalýklarý Dergisi 2003; 46: Celiac disease (CD), the most common food sensitive enteropathy in humans is a disease affecting mainly the proximal small intestine due to a permanent intolerance to proteins of gluten, contained in certain cereals (wheat, rye, barley, oat). The severity of the gastrointestinal symptoms varies according to age at diagnosis. In children, chronic diarrhea, failure to thrive, abdominal distention and iron deficiency are usually present. After childhood, the clinical picture of CD is often less typical and has a more moderate symptomatology. The prevalence of CD is about 1/200 to 1/1000 in the European population and 1/ 250 in the United States. From the genetic point of view, CD is a multifactorial disease, involving both genetic and environmental factors. In the last few years a number of studies in different populations have been carried out using molecular genetic methods like linkage analysis and candidate gene analysis to identify genes causing celiac disease. One susceptibility locus is the MHC region, with a particular association with the HLA-DQ alleles DQA1*0501 and DQB1*0201. However, haplotype sharing studies suggest that genes within the MHC complex contribute no more than 40% to the sibling familial risk of disease. Key words: celiac disease, linkage analysis, candidate gene, locus. ÖZET: Çölyak hastalýðý, insanlarda en sýk görülen besin kökenli ince baðýrsak hastalýðýdýr. Buðday, arpa, çavdar ve yulafýn içerdiði bitkisel protein glutene karþý ömür boyu süren intoleransla karakterizedir ve özellikle ince baðýrsaðýn proksimalini tutar. Hastalýk belirtileri ve ciddiyetleri yaþla deðiþiklik göstermektedir. Çocuklarda sýklýkla kronik ishal, büyüme geriliði, karýn þiþliði, demir eksikliði ile ortaya çýkarken, ileri yaþlarda gastrointestinal sistem dýþý bulgularla veya daha hafif þekillerde karþýmýza gelebilmektedir. Çölyak hastalýðý prevalansý Avrupa ülkelerinde 1/200 ile 1/1000 arasýnda deðiþmekte, Amerika Birleþik Devletlerin de ise 1/250 olarak bildirilmektedir. Genetik açýdan, çevresel ve genetik faktörlerin etkili olduðu multifaktöriyel bir hastalýktýr. Son yýllarda bu hastalýða neden olan gen lokuslarýnýn bulunmasý için, baðlantý analizi (linkage analysis) ve aday gen analizi (candidate gene analysis) gibi yöntemler kullanýlarak deðiþik topluluklarda önemli araþtýrmalar yapýlmýþtýr. Üzerinde çalýþýlan lokuslardan en önemlisi MHC bölgesinde bulunan DQA1*0501 ve DQB1*0201 allelleridir. Fakat bu lokus hastalýðýn sadece %40 ý kadarýný açýklayabilmektedir. Anahtar kelimeler: çölyak hastalýðý, baðlantý analizi, aday gen, lokus. Çölyak hastalýðý ya da glutene duyarlý enteropati, insanlarda en sýk görülen besin kökenli bir ince baðýrsak hastalýðýdýr. Yaþam boyu süren tek besin allerjisidir. Buðday, arpa, çavdar, bir miktarda yulafta bulunan gluten isimli bitkisel proteine yönelik hücresel ve hümoral immün sistem aktivasyonu ile karak-terizedir. Günümüzde, çölyaklý bireylerin doðuþtan genetik bir yatkýnlýða sahip olduðu ve bunun uygun çevresel koþullar altýnda hastalýða dönüþtüðü kabul edilmektedir. Belirtiler çocukluk yaþ döneminde, özellikle küçük çocuklarda daha klasik olup, kronik-

2 76 Ün ve Aydoðdu Çocuk Saðlýðý ve Hastalýklarý Dergisi Ocak - Mart 2003 durdurulamayan ishal, büyüme geriliði ve karýn þiþliði üçlemesi ile karakterizedir. Daha ileri yaþlarda ise gastrointestinal sistem dýþý daha farklý bulgularla veya daha hafif þekillerde karþýmýza gelebilmektedir. Çölyak hastalýðýndan þüphe edildiðinde IgG ve IgA tipinde antigliadin antikor ve IgA tipinde antiendomisium antikor testleri tarama testi olarak kullanýlmakta, kesin taný için klinik, biyokimyasal, serolojik bulgular ile ince baðýrsak biyopsi bulgularýnýn birleþtirilmesi gerekmektedir 1-3. Hastalýðýn görülme sýklýðý Avrupa ülkeleri için 1/200-1/1000 arasýnda bildirilirken, Amerika Birleþik Devletleri için 1/250 olarak verilmektedir 3. Ancak sessiz veya latent þekillere sahip hastalarýn gözlem dýþý kalabileceði ve bu oranlarýn daha da yüksek olabileceði düþünülmektedir. Özellikle eriþkin grupta taný alamama intestinal malign lenfoma, osteoporozise yol açabilmektedir. Çölyak hastalýðýnýn günümüzde bilinen tek tedavi yöntemi ömür boyu glutensiz bir diyetle beslenmedir ve bu diyet altýnda hastalar normal yaþamlarýný sürdürebilmektedir 4. Çölyak hastalarýnýn buðday arpa ve çavdara allerjik olduðu bilinirken, yine bir tahýl olan yulafa karþý allerjik olup olmadýðý kesin olarak bilinmemektedir 5. Ancak Finlandiya dan bir çalýþmaya göre yulafýn allerjik etkisi çok düþük veya yok denecek kadar azdýr 6. Tahýllar aslýnda dünyadaki çoðu toplumun beslenmesinde temel karbonhidrat kaynaðýdýrlar ve yapýlarýnda çeþitli depo proteinlerini barýndýrýrlar. Çölyak hastalýðýnda asýl sorumlu olan glutenin alkolde çözülebilen fraksiyonu prolaminlerdir. Prolaminlerin yapýlarý çok iyi bilinmesine ve çölyak hastalýðýndaki rolleri belirlenmiþ olmasýna raðmen hastalýk üzerindeki etki mekanizmalarý halen tartýþmalýdýr (Þekil 1) 5,7. Çölyak hastalýðýnýn patogenezi ve fenotipi Çölyak hastalarý her yaþ grubunda, kronik ishal, karýn þiþliði, kilo kaybý, oral tedaviye yanýtsýz demir eksikliði anemisi, sürekli yorgunluk hissi gibi klasik ve çoklu belirtilerle karþýmýza gelebildiði gibi, çocuklarda sadece boy kýsalýðý, eriþkinlerde osteoporoz gibi tekli semptomlarla da gelebilir. Taný gecikmesi veya diyete uyumsuzluk tiroidit, diyabet gibi otoimmün kökenli hastalýklarýn da tabloya eklenmesine neden olmaktadýr. Aslýnda bu hastalarýn ortalama yaþam süresi, glutensiz diyetin tam anlamýyla uygulandýðý koþullarda, hasta olmayan insanlarla ayný düzeydedir 4,8. Çölyaklý bireyler buðday, arpa, çavdar ve yulafa (?) duyarlý iken, farklý bitki ailelerinden olan pirinç, mýsýr, soya, baklagiller ve darý gibi bitkilere duyarlýlýk göstermezler. Tohumda depolanan proteinler fiziksel özelliklerine göre albüminler, globülinler ve prolaminler olarak üçe ayrýlmaktadýr. Globülin ve albüminler çiçekli bitkilerde yaygýn olarak görülürken, alkolde çözülebilen prolaminler sadece çim bitkilerinde görülmektedir. Prolamin proteinleri toksik etki yapmalarýyla tanýnmakta ve buðday, arpa, çavdar ve yulaf gibi bitkilerde bulunmaktadýrlar 7. Prolaminler, gliadin (buðday), secalin (arpa),

3 Cilt 46 Sayý 1 Çölyak Hastalýðýnýn Moleküler Genetik Temelleri 77 hordein (çavdar) ve avenin (yulaf) olmak üzere dörde ayrýlmakta, ayrýca sülfürden zengin, sülfürden fakir ve yüksek moleküler aðýrlýklý olmak üzere de sýnýflandýrýlmaktadýr. Gliadinlerin bir kýsmý sülfürden zengin iken, bir kýsmý da sülfürden fakirdir ve eþit derecede toksik etki yaptýklarý düsünülmektedir. Yüksek moleküler aðýrlýklý prolaminlerin etkisi tam bilinmemektedir 5. Çölyak hastalýðýnýn genetiði Genetik açýdan çölyak hastalýðý, hem çevresel (gluten) hem de genetik faktörlerin (MHC genleri) etkili olduðu multifaktöriyel bir hastalýktýr. Yapýlan segregasyon analizleri çölyaklýlarýn birinci dereceden akrabalarýnýn %10-15, HLA benzer kardeþlerinin %30-50 ve tek yumurta ikizlerinin ise % oranýnda bu hastalýða yakalanma riski taþýdýðýný ortaya koymuþtur 9. Hastalýðýn oluþumunda rol oynayan gen ya da lokuslarýn bulunmasýna yönelik genetik çalýþmalara göre HLADQ2 haplotipi hastalýkta çok önemli bir lokustur. Ancak bu lokusun hastalýðýn ortaya çýkmasýnda rol oynayan tek lokus olmadýðý, hastalarýn sadece %40 ýndan sorumlu olduðu ve baþka lokus-larýnda etkide bulunduðu düþünülmektedir 8,10. Çölyak hastalýðý ile ilgili baðlantý analizi çalýþmalarý Genetik ve çevresel faktörlerin etkileþimiyle ortaya çýkan kompleks hastalýklar son yýllarda klinik ve ekonomik önemleri nedeniyle, özellikle geliþmiþ ülkelerde ön plana çýkmýþlardýr. Bu tür hastalýklarýn genetik kökenlerinin araþtýrýlmasýnda büyük geliþmeler kaydedilmiþtir 11. Kompleks hastalýklara neden olan genetik yapýlarýn ortaya çýkarýlmasýnda genom analizleri özel bir önem taþýmaktadýr. Ýnsan genomu projeleri ile gen kartlarýnýn çýkarýlmýþ olmasý ve bu kartlar üzerinde polimorf moleküler genetik iþaretleyicilerin sýk aralýklarla yer almasý, genetik kökeni bilinmeyen hastalýklarla ilgili tüm genomu kapsayan baðlantý analizlerinin yapýlabilmesini saðlamýþtýr. Moleküler genetik iþaretleyiciler olarak en çok mikrosatellitlerden yararlanýlmaktadýr. Mikrosatellitler genom içerisinde ardýþýk tandem tekrarlar þeklinde görülen DNA motifleridir. Bu motifler genelde (CA)n ya da (TG)n olup ortalama on kez tekrarlanmaktadýr. Mikrosatellitlerin yüksek polimorfizm göstermeleri gen lokalizasyon-larýnýn saptanmasýnda uygun bir kullaným alaný saðlamaktadýr 12. Çölyak hastalýðýnýn ortaya çýkmasýnda HLA genleri dýþýnda rol alan gen bölgelerinin bulunmasý için ilk baðlantý analizi (linkage analysis) Ýrlanda da Zhong ve arkadaþlarý 13 tarafýndan 15 aile üzerinde yapýlmýþtýr. Sonuçta, kromozom 3, 5, 6, 7, 11, 13, 15 ve 22 üzerindeki bölgelerle çölyak hastalýðýnýn iliþkili olduðu saptanmýþtýr. Daha sonra Houlston ve arkadaþlarý 14 Ýngiltere de 28 ailede yaptýklarý baðlantý analizi çalýþmasýnda tüm genomu araþtýrmayýp, Zhong ve arkadaþlarýnýn 13 bulduðu genom bölgelerini aday olarak seçmiþlerdir. Çalýþmanýn sonunda kromozom 3, 5, 7, 11, 19, 22 üzerinde bulunan ve çölyak hastalýðý ile iliþkili olduðu düþünülen genom bölgeleri onaylanmamýþ, ancak kromozom 6, 13 ve 15 üzerindeki bölgeler onaylanmýþtýr 14. Ýtalya dan Greco ve arkadaþlarý 15 tarafýndan yapýlan bir baðlantý analizinde ise toplam 110 hasta ve bunlarýn anne-babalarýný içeren bir deney grubunda 281 iþaretleyici ile çölyak hastalýðýnda rol alan genlerin lokalize olduðu genom bölgeleri araþtýrýlmýþtýr. Bu çalýþmada HLA genlerine ek olarak kromozom 5 ve 11 üzerin-deki bölgelerin de hastalýðýn oluþumunda rol alan genleri içerdiði ileri sürülmüþtür 15. Son olarak Finlandiya dan bir çalýþmada ise 60 aile araþtýrýlmýþ ve kromozom 1, 4, 5, 7, 9 ve 16 üzerinde baðlantý bölgeleri tanýmlanmýþtýr (Tablo I) 16. Çölyak hastalýðý ile ilgili aday gen çalýþmalarý Son yýllarda çölyak hastalýðý ilgili bir çok aday gen çalýþmasý yapýlmýþtýr. Bu çalýþmalar DM, LMP, TAP, ve TNF, CTLA-4 gibi genleri içermektedir Bu araþtýrmalara göre TAP ve LMP genleriyle çölyak hastalýðý arasýnda bir baðlantý olduðu bulunmuþ; ancak bu genlerle HLADQ2 lokusu arasýnda sýký bir baðlantýnýn (linkage) olmasý bu sonuçlarýn HLADQ2 nin sekonder etkisinden kaynaklandýðýný düþün-dürmüþtür 9. Yapýlan araþtýrmalar çölyak hastalarýnýn ince baðýrsaklarýnda gluten-spesifik T hücrelerinin varlýðýný gösterirken, ayný durum kontrol gruplarýnda saptanmamýþtýr. T hücrelerinin doku zedelenmesine neden olan interferon-λ ürettiði bilinen bir gerçektir Bu durum T hücresi ilgili genler, CTLA-4 ve T hücre reseptör geni- TCR nin aday gen olarak seçilip araþ-týrýlmasýna yol açmýþtýr. Sonuçta CTLA-4 geniyle çölyak

4 78 Ün ve Aydoðdu Çocuk Saðlýðý ve Hastalýklarý Dergisi Ocak - Mart 2003 Tablo I. Çölyak hastalýðý ile ilgili baðlantý analizi çalýþmalarý Topluluk Yöntem Bulunan lokuslar Kaynak Ýrlanda Mikrosatellit 6p12, 3q27, 5q33.3, Zhong et al 13 (1996) 7q31.3, 11p11, 15q26, 19p13.3, 19q13.1, 19q13.4 ve 22cen Ýngiltere Mikrosatellit 15q26 Houlston et al 14 (1997) Ýngiltere Mikrosatellit Brett et al 8 (1998) Ýtalya Mikrosatellit 11qter Greco et al 15 (1998) Amerika Mikrosatellit Neuhausen et al 9 (2002) Finlandiya Mikrosatellit 1p36, 4p15, 5q31, 7q21, Liu et al 16 (2002) 9p21-23, 16q12. Tablo II. Çölyak hastalýðý ile ilgili aday gen çalýþmalarý Topluluk Gen Baðlantý Kaynak Fransa DM Hayýr Djilali-Saiah et al 18 (1996) Fransa LMP Evet Djilali-Saiah et al 17 (1994) Fransa TAP Evet Djilali-Saiah et al 17 (1994) Fransa CTLA-4 Evet Djilali-Saiah et al 23 (1998) Ýtalya, Tunus CTLA-4 Evet Clot et al 10 (2000) Ýsveç CTLA-4 Evet Popat et al 25 (2002) Almanya TCR Hayýr Roschman et al 31 (1996) hastalýðý arasýnda bazý topluluklarda iliþki bulunurken, TCR nin deðiþik þekillerinin hastalýkla her hangi bir iliþkisinin olmadýðý saptanmýþtýr (Tablo II) Sonuç Çölyak hastalýðý genetiði ile ilgili çalýþmalar, hastalýðýn çevresel ve genetik etkiler altýnda ortaya çýkan multifaktöriyel bir karakter taþýdýðýný göstermiþtir. HLADQ2 haplotipi ile çölyak hastalýðý arasýndaki sýký iliþki bilimsel olarak ortaya konmuþken, bu lokus ancak hastalýklarýn %40 kadarýný açýklamakta ve bu da hastalýkta rol alan baþka lokuslarýnda varlýðýný gündeme getirmektedir. Bu lokuslarýn bulun-masý için deðiþik topluluklarda baðlantý analizi ve aday gen yöntemleri uygulanarak genom analizleri uygulanmýþ ve bu çalýþmalar sonucunda LMP, TAP ve CTLA-4 gibi lokuslarýn da bu hastalýk üzerinde etkisi olduðu bulunmuþtur. Ancak deðiþik topluluklarda yapýlan çalýþmalar her zaman benzer sonuçlarý vermemektedir. Bu durum laboratuvar yöntem-lerinin ve topluluk büyüklüklerinin farklý-lýðýndan kaynaklanabileceði gibi hastalýkla baðlantýsý olan olasý mutasyonlarýn farklý populasyonlarda farklý þekilde segregas-yonundan da kaynaklanabilir. Küçük gen etkilerinin bulunabilmesi için çok sayýda deneðe gereksinim vardýr ve bu alanda yapýlan tüm çalýþmalar birbirlerini tamamlayýcý özellikler taþýmaktadýr. Çölyak hastalýðýnýn moleküler genetik özelliklerinin saptanabilmesi için, üzerinde çalýþýlan toplulukla ilgili saðlýklý bir fenotip analizine ve saðlam verilere gereksinim vardýr. Geliþmiþ ülkelerde, çölyak hastalýðýnýn sýklýðý bilinirken, ülkemizdeki sýklýk hakkýnda halen yeterli bir çalýþma ve veri yoktur. Çölyak hastalýklý Türklerin moleküler genetik karakterizas-yonunun yapýlabilmesi için bu ön çalýþmalarýn yapýlmasý zorunludur. KAYNAKLAR 1. Marsh MN. Gluten, major histocompatibility complex, and the small intestine: a molecular approach to the spectrum of gluten sensitivity. Gastroenterology 1992; 102: Van de Wal Y, Kooy Y, Van Veelen P, Vader W, Koning F. Coeliac disease: it takes three to tango! Gut 2000; 46: King AL, Ciclitira PJ. Celiac disease: strongly heritable, oligogenic, but geneticallly complex. Mol Genet Metab 2000; 71:

5 Cilt 46 Sayý 1 Çölyak Hastalýðýnýn Moleküler Genetik Temelleri Book L, Hart A, Black J, Feolo M, Zone JJ, Neuhausen SL. Prevalence and clinical characteristics of celiac disease in Down syndrome in a US study. Am J Med Genet 2001; 98: Gotkin A, Jewell D. The pathogenesis of celiac disease. Gastroenterology 1998; 115: Janatuinen E, Pikkarainen P, Kemppainen T, et al. A comparison of diets with and without oats in adults with celiac disease. N Engl J Med 1995; 333: Shewry P, Napier J, Tathem A. Seed storage proteins: structures and biosynthesis. Plant Cell 1995; 7: Brett PM, Yiannakou JY, Morris MA, et al. A pedigreebased linkage study of coeliac disease: failure to replicate previous positive findings. Ann Hum Genet 1998; 62: Neuhausen SL, Weizman Z, Camp NJ, et al. HLA DQA1-DQB1 genotypes in Bedouin families with celiac disease. Hum Immunol 2002; 63: Clot F, Babron MC. Genetics of celiac disease. Mol Genet Metab 2000; 71: Altmuller J, Palmer LJ, Fischer G, Scherb H, Wjst M. Genomewide scans of complex human diseases: true linkage is hard to find. Am J Hum Genet 2001; 69: Montaldo HH, Meza-Herrera CA. Use of molecular markers and major genes in the genetic improvement of livestock Zhong F, McCombs C, Olson JM, et al. An autosomal screen for genes that predispose to celiac disease in the western counties of Ireland. Nat Genet 1996; 14: Houlston RS, Tomlinson IP, Ford D, et al. Linkage analysis of candidate regions for coeliac disease genes. Hum Mol Genet 1997; 6: Greco L, Corazza G, Clot F, et al. Genome search in Celiac disease. Am J Hum Genet 1998; 62: Liu J, Suh-Hang Juo SH, Holopainen P, et al. Genomewide linkage analysis of celiac disease in Finnish families. Am J Hum Genet 2002; 70: Djilali-Saiah I, Caillat-Zucman S, Schmitz J, Chaves- Vieira ML, Bach JF. Polymorphism of antigen processing (TAP, LMP) and HLA class II genes in celiac disease. Hum Immunol 1994; 40: Djilali-Saiah I, Benini V, Schmitz J, et al. Absence of primary association between DM gene polymorphism and insulin dependent diabetes mellitus or celiac disease. Hum Immunol 1996; 49: McManus R, Wilson AG, Mansfield J, Weir DG, Duff GW, Kelleher D. TNF2, a polymorphism of the tumour necrosis-alpha gene promoter, is a component of the celiac disease major histocompatibility complex haplotype. Eur J Immunol 1996; 26: McManus R, Moloney M, Borton M, et al. Association of celiac disease with microsatellite polymorphisms close to the tumor necrosis factor genes. Hum Immunol 1996; 45: de la Concha EG, Ferna ndez-arquero M, Vigil P, et al. Celiac disease and TNF promoter polymorphisms. Hum Immunol 2000; 61: Polvi A, Maki M, Collin P, Partanen J. TNF microsatellite alleles a2 and b3 are not primarily associated with celiac disease in the Finnish population. Tissue Antigens 1998; 51: Djilali-Saiah I, Schmitz J, Harfouch-Hammoud E, Mougenot JF, Bach JF, Caillat-Zucman S. CTLA-4 gene polymorphism is associated with predisposition to coeliac disease. Gut 1998; 43: Clot F, Fulchignoni-Lataud MC, Renoux C, et al. Linkage and association study of the CTLA-4 region in coeliac disease for Italian and Tunisian populations. Tissue Antigens 1999; 54: Popat S, Hearle N, Wixey J, et al. Analysis of the CTLA4 gene in Swedish coeliac disease patients. Scand J Gastroenterol 2002; 37: Bevan S, Popat S, Braegger CP, et al. Contribution of the MHC region to the familial risk of coeliac disease. J Med Genet 1999; 36: Papadopoulos GK, Wijmenga C, Koning F. Interplay between genetics and the environment in the development of celiac disease: perspectives for a healthy life. J Clin Invest 2001; 108: Spielman RS, McGinnis RE, Ewens WJ. Transmission test for linkage disequilibrium: The insulin gene region and insulin- dependent diabetes mellitus (IDDM). Am J Hum Genet 1993; 52: Biagi F, Zimmer KP, Thomas PD, Ellis HJ, Ciclitira PJ. Is gliadin mispresented to the immune system in coeliac disease? A hypothesis. QJM 1999; 92: Holopainen P, Arvas M, Sistonen P, et al. CD28/CTLA- 4 gene region on chromosome 2q33 confers genetic susceptibility to celiac disease. A linkage and familybased association study. Tissue Antigens 1999; 53: Roschmann E, Wienker TF, Volk BA. Role of T cell receptor delta gene in susceptibility to celiac disease. J Mol Med 1996; 74: