Mindre end én promille af vores genetiske materiale forklarer forskelle mellem mennesker, og det har vist sig særdeles svært at afgøre, hvilke af de småbitte forskelle, der har betydning for, om man som menneske bliver syg eller ej. Nu har forskere ved hjælp af kæmpemæssige celleforsøg testet 9000 forskellige genetiske varianter af et enzym, der påvirker risikoen for, om man udvikler diabetes. Resultaterne viser, at ændringer, der mindsker stabiliteten af enzymets struktur, både kan lede til en forringet og en forøget aktivitet, og datasættet kan være med til at identificere mennesker med type 2-diabetes, der måske slet ikke bør behandles. Forskerne er også i gang med at teste metoden på neurologiske sygdomme.
Når man spiser kulhydrater, nedbrydes disse og frigives i blodbanen som blandt andet glukose. For at sikre, at blodsukkeret ikke stiger for meget, findes der et sensorprotein – nemlig enzymet glucokinase, der i bugspytkirtlen regulerer udskillelsen af insulin. På grund af denne meget centrale rolle kan små genetiske ændringer af glucokinase have store konsekvenser for blodsukkeret og for udviklingen af diabetes. Nu har forskere analyseret mere end 9.000 forskellige glucokinase-varianter, hvilket svarer til 97% af de mulige genvarianter.
"Det, vi står med her, er ret unikt. Vi har ikke alene målt effekten af flere tusinde genvarianter, men kan nu også forklare, hvad mange af varianterne gør ved glucokinase-proteinet. Identifikationen af enkelte aminosyresubstitutioner, der ændrer stabiliteten og funktionen af et protein, er en nøgleudfordring, og vi kan nu bruge vores data til at teste og udvikle computermodeller for effekten af genvariationer, som vi så kan overføre til andre gener og sygdomme," forklarer professor Kresten Lindorff-Larsen, der leder PRISM-centret på Københavns Universitet, hvor forskere via biofysik, cellebiologi, genetik og kunstig intelligens prøver at afdække, hvordan mutationer kan lede til udviklingen af arvelige sygdomme.
Løsning på et udbredt problem
I takt med at sekventering af menneskets arvemasse er ved at blive en rutinemæssig diagnostisk analyse, er ønsket om at kunne finde de genetiske variationer, der fører til sygdom, vokset markant. Det har desværre vist sig, at det langt fra er enkelt at afgøre, hvilke af de mange små forskelle i DNA-koden, der har en betydning for, om man har risiko for at udvikle sygdom eller ej. GCK-genet, som koder for enzymet glucokinase, er et godt eksempel på det.
"Glucokinase regulerer udskillelsen af insulin i bugspytkirtlen, og GCK-genvarianter kan derfor forårsage en form for arvelig diabetes. Men selvom man har kendt til sammenhængen mellem GCK og diabetes i mange år, har vi indtil nu kun kendt effekten af nogle få procent af de mulige variationer af dette gen," forklarer Rasmus Hartmann-Petersen, der er professor ved Biologisk Institut på Københavns Universitet og har ledt studiet.
Mennesker er genetisk meget ens, og brugbarheden af DNA-sekventering er derfor ofte begrænset til de få tilfælde, hvor det i forvejen vides, hvorvidt en bestemt genvariant kan forårsage sygdom eller om den bare er et udtryk for den naturlige variation på tværs af befolkningen. Det nye studie viser én løsning på det udbredte problem inden for genforskningen.
"Vi brugte gærceller til at måle aktiviteten af over 9000 forskellige GCK-genvarianter. På den måde kunne vi generere en lang liste over effekterne af både de varianter, der allerede er set i befolkningen, men også de endnu flere varianter, der måske findes hos patienter, men som endnu ikke er opdaget. På den måde fungerer det nye studie som et slags opslagsværk til fremtidig genetisk diagnostik for GCK," forklarer ph.d.-studerende Sarah Gersing, der er førsteforfatter på artiklen.
Stabilitet vigtigere end aktivitet
Det lykkedes forskerne at få gærcellerne til at producere hele 97% af alle såkaldte missense- og nonsensvarianter af glucokinase-enzymet, og på grund af enzymets særlige struktur var det langt fra alle varianterne, der var dårligere – hypoaktive – end det oprindelige. En hel del viste sig at lede til et hyperaktivt enzym.
"De mindre aktive varianter har ændringer på positioner begravet dybt inde i enzymet, nær det aktive center, men også i et område af kendt betydning for enzymets struktur og dynamik, mens de hyperaktive varianter i højere grad fastlåste enzymet i den aktive tilstand ved simpelthen at destabilisere den ikke-aktive tilstand. Normalt har enzymet både en speeder og en bremse. Når man fjerner bremsen, kører enzymet med fuld fart hele tiden," fortsætter Sarah Gersing.
Nu, da forskerne har målt effekten af næsten alle varianter i glucokinase, bliver næste skridt at forsøge bedre at forstå, hvorfor nogle virker, mens andre ikke gør, og netop identifikationen af erstatninger af aminosyrer, der både kan forbedre stabiliteten og funktionen af et protein, er en nøgleudfordring i proteinteknologi.
"I mange år troede man, at det primært var proteinernes aktive site, der var nøglen til at bevare og finjustere proteinernes og enzymers funktion, men det viser sig, at proteinets struktur og stabilitet er mindst lige så centralt. Det er dog svært at adskille effekter på funktion og stabilitet, og nogle af de næste vigtige skridt er at indsamle data og lære de regler, der beskriver de forskellige mekanismer," forklarer Professor Kresten Lindorff-Larsen.
MODY og alle de andre sygdomme
Forskerne har derfor store forhåbninger om, at det nye storskala-screening-setup kan hjælpe med at forstå og skabe mere og mindre stabile og aktive proteiner. Denne viden er samtidig også nøglen til at forsøge at forstå, hvordan tilsyneladende næsten ens molekylære mekanismer kan give ophav til en lang række forskellige sygdomme. Genvarianter i glucokinase-enzymet kan blandt andet forårsage en form for arvelig diabetes - kaldet "GCK maturity onset diabetes of the young" - eller blot GCK-MODY.
"Selvom GCK-MODY-patienter udviser et forhøjet blodsukker, er dette dog ofte ikke forbundet med komplikationer, og i modsætning til andre former for diabetes bør GCK-MODY hos de fleste patienter derfor faktisk slet ikke behandles med medicin. Manglende eller unøjagtige genetiske data gør dog, at mere end halvdelen af GCK-MODY-patienter er klassificerede som havende enten type 1- eller type 2-diabetes og bliver derfor unødvendigt behandlet med medicin," forklarer Torben Hansen, der er læge, professor i genetik og medlem af PRISM-centret.
Forskerne anslår, at ca. 1% af danskere, der nyligt er diagnosticeret med type 2-diabetes, har en variant i GCK-genet, som gør, at de enten ikke skal behandles eller skal behandles anderledes.
"Tidlig diagnose kan begrænse unødvendig behandling og overvågning på grund af fejldiagnosticering. Det nye opslagsværk af GCK-varianter kan forhåbentligt hjælpe med at give disse patienter en mere korrekt diagnose," uddyber Torben Hansen.
De nye resultater øger altså i høj grad vores viden om glucokinase-enzymet og denne særlige form for diabetes. Det er dog langtfra kun diabetes, at den nye metode kan hjælpe med forståelsen af. De benyttede metoder kan også få afgørende betydning for en lang række andre arvelige sygdomme.
"Vi er allerede godt i gang med gener involveret i for eksempel nervesygdomme og prøver at udvikle metoder, der både er præcise og giver os indsigt i sygdomsmekanismerne," slutter Rasmus Hartmann-Petersen.
