Genotype–Laterality Associations in DNAAF11-Related Primary Ciliary Dyskinesia: Functional Characterization of the p.Ile100Thr Variant

In het menselijk lichaam liggen microscopisch kleine haarachtige structureen, genaamd cilia, die de luchtwegen bekleden en slijm en stof wegvegen om de longen schoon te houden. Dezezelfde kleine haartjes spelen een cruciale rol in een zeer vroeg stadium van het leven, wanneer een embryo net begint te vormen. Op dat stadium creëren cilia op een specifieke plek een zachte, directionele stroming die het ontwikkelende lichaam vertelt welke kant links is en welke rechts. Wanneer deze cilia niet correct functioneren, kunnen er twee grote problemen ontstaan: de luchtwegen worden kwetsbaar voor chronische infecties en schade, en de interne organen kunnen terechtkomen aan de verkeerde kant van het lichaam, een conditie die bekend staat als situs inversus totalis. Deze verzameling symptomen wordt primaire ciliaire dyskinesie genoemd. Hoewel wetenschappers tientallen genen hebben geïdentificeerd die deze stoornis kunnen veroorzaken, blijft de precieze impact van veel specifieke genetische veranderingen onduidelijk, waardoor artsen en families zonder een volledig beeld blijven van wat een specifieke mutatie betekent voor de gezondheid van een patiënt.

Een team onderzoekers van het Shanghai General Hospital richtte zich onlangs op een dergelijke genetische verandering om te zien of deze werkelijk de ziekte veroorzaakt en hoe het de ontwikkeling van het lichaam beïnvloedt. Ze bestudeerden een vrouw in de dertig die al meer dan twintig jaar leeft met een chronische hoest en bronchiectasie, een conditie waarbij de luchtwegen permanent verwijd en beschadigd zijn. Ongebruikelijk genoeg had zij ook situs inversus totalis, wat betekent dat haar hart en andere belangrijke organen gespiegeld aan de tegenovergestelde kant van haar borstkas en buik liggen. Door haar DNA en dat van haar ouders te onderzoeken, ontdekten de onderzoekers dat zij twee kopieën had geërfd van een specifieke verandering in een gen genaamd DNAAF11. Dit gen geeft instructies voor het maken van een eiwit dat helpt bij het assembleren van de motoronderdelen van de cilia. De ouders van de vrouw droegen elk één kopie van de verandering, maar waren gezond, wat past bij het patroon van een recessieve genetische aandoening waarbij twee kopieën nodig zijn om ziekte te veroorzaken.

Om te begrijpen wat deze specifieke verandering, bekend als p.Ile100Thr, precies doet, gingen de wetenschappers van de patiënt naar het laboratorium. Ze creëerden twee versies van het DNAAF11-gen: één die overeenkwam met de gezonde menselijke versie en één die de mutatie van de patiënt droeg. Ze plaatsten deze genen in menselijke cellen die in een schaal werden gekweekt en observeerden hoe de cellen zich gedroegen. De resultaten toonden aan dat, hoewel de cellen met het gemuteerde gen de juiste hoeveelheid genetische instructies, oftewel mRNA, produceerden, ze aanzienlijk minder van het uiteindelijke eiwit maakten. Het is alsof de fabriek de blauwdrukken ontving, maar moeite had met het bouwen van de eigenlijke machines. Deze daling in eiwitniveaus suggereert dat de mutatie de stabiliteit van het eiwit of de manier waarop de cel ermee omgaat verstoort, wat zou voorkomen dat de cilia correct assembleren. De onderzoekers gebruikten ook computermodellering om naar de vorm van het eiwit te kijken. Ze ontdekten dat de mutatie één bouwsteen vervangt door een andere op een specifieke plek, waardoor er nieuwe chemische verbindingen ontstaan die waarschijnlijk de structuur van het eiwit veranderen en het minder stabiel maken.

Het team keek vervolgens verder dan deze enkele patiënt om te zien of deze specifieke genetische verandering ook bij anderen voorkwam en wat dit voor hen betekende. Ze bekeken medische dossiers van drieëndertig patiënten wereldwijd die mutaties in het DNAAF11-gen hadden. Onder de eenenvijftig patiënten voor wie zij informatie hadden over de plaatsing van organen, hadden er negenentwintig een vorm van lateraliteitsdefect, zoals het spiegelen of in een gemengd patroon gerangschikt zijn van organen. De specifieke mutatie die de onderzoekers bestudeerden, werd in totaal bij drie verschillende patiënten gevonden: de vrouw uit Shanghai, een Italiaanse patiënt en nog een patiënt uit China. Alle drie hadden zij respiratoire symptomen en problemen met de plaatsing van organen. De studie onthulde echter ook dat andere patiënten met dezelfde mutatie niet noodzakelijkerwijs exact dezelfde symptomen hadden, en sommige mensen met verschillende mutaties hadden vergelijkbare uitkomsten. Dit geeft aan dat hoewel de mutatie schadelijk is, het niet garandeert dat er voor elke persoon die de mutatie draagt een specifieke uitkomst volgt.

De onderzoekers concludeerden dat de p.Ile100Thr-mutatie waarschijnlijk een oorzaak is van primaire ciliaire dyskinesie, ondersteund door het feit dat het de hoeveelheid functioneel eiwit in cellen vermindert en voorkomt bij patiënten met de klassieke symptomen van de ziekte. Ze benadrukten echter dat de link tussen deze specifieke genetische verandering en het exacte patroon van de plaatsing van organen niet absoluut is. De variatie die onder patiënten wordt gezien, suggereert dat andere factoren, misschien andere genen of omgevingsinvloeden, ook een rol spelen bij het bepalen of een individu situs inversus of een andere rangschikking van organen ontwikkelt. Hoewel de studie sterk bewijs levert dat deze mutatie schadelijk is, onderstreept het ook de complexiteit van de ziekte, door te laten zien dat zelfs wanneer dezelfde genetische fout optreedt, de reactie van het lichaam kan variëren. Verder werk met cellen die van nature cilia laten groeien, zal nodig zijn om volledig te begrijpen hoe deze mutatie de werking van de kleine haartjes stopt en om het volledige bereik van de effecten op de menselijke ontwikkeling te verhelderen.