DNA-beschadiging en veroudering

Klinische praktijk
J.C. Molenaar
Citeer dit artikel als: Ned Tijdschr Geneeskd. 2003;147:2578-81
Abstract
Download PDF

Samenvatting

- De muis is momenteel het proefdier bij uitstek voor de moleculair-biologische opheldering van ziektebeelden bij de mens.

- Vroegtijdige veroudering trad op bij muizen waarbij door een mutatie het DNA-reparatiemechanisme deficiënt was gemaakt. Zij vertoonden vergeleken met hun normale, ongemanipuleerde soortgenoten karakteristieke, vroeg optredende verouderingsverschijnselen, zoals vroegtijdige vergrijzing, veroudering van de huid, osteoporose, kyfose, vroege menopauze en een kortere levensduur.

- Hoewel deze experimenten slechts een klein segment betreffen van de vele verouderingsverschijnselen bij de mens, komt overtuigend naar voren dat een belangrijke oorzaak bij het intreden van veroudering bestaat uit het uitblijven van reparatie bij DNA-beschadiging, veroorzaakt door vrije zuurstofradicalen.

Vorig jaar verscheen in Science een publicatie afkomstig van een aantal onderzoekers van Nederlandse bodem over een door hen door middel van genetische manipulatie gefokte unieke, want vroeg verouderende muis.2 Wat heeft zo'n muis te maken met veroudering bij mensen? Over die vraag gaat dit artikel.

veroudering als moleculair-biologisch verschijnsel

Tegenwoordig blijven de mensen langer gezond en zij worden steeds ouder. Het aantal mensen dat een hoge leeftijd bereikt, neemt dus toe. Behalve met vertrouwde ouderdomskwalen en gebreken krijgen meer mensen te maken met ziekten van de hoge ouderdom die men vroeger niet of nauwelijks tegenkwam. Een goed voorbeeld is de ziekte van Alzheimer, een eeuw geleden nog onbekend. Hetzelfde kan gezegd worden van maculadegeneratie, nu de belangrijkste oorzaak van blindheid. Om ouderdomsziekten te voorkomen of op zijn minst zo lang mogelijk uit te stellen, is beter begrip noodzakelijk van het verouderingsproces dat hieraan ten grondslag ligt. En het zal geen verwondering wekken dat in onze tijd, met name op moleculair niveau, getracht wordt de biologische oorzaken van veroudering op te helderen.

Harman was de eerste die opperde dat vrije zuurstofradicalen, de nevenproducten van de normale stofwisseling, intracellulaire macromoleculen, het DNA inbegrepen, continu ernstig beschadigen.3-5 Het gevolg is dat cellen (kwaadaardig) degenereren of doodgaan en de organen waarin dit gebeurt op den duur minder goed zullen functioneren, met tenslotte een geleidelijke, maar in de loop van het leven toenemende achteruitgang van het hele organisme: veroudering.6

Dat cellen in staat zijn de beschadiging in hun DNA te herstellen, is al langere tijd bekend.7 En dat de genen die deze herstelmechanismen reguleren het intreden van veroudering beïnvloeden, is dan een logische veronderstelling. Met het vorig jaar verschenen artikel en een commentaar hierop in Science lijkt het erop dat de bewijsvoering voor deze veronderstelling dichterbij is gekomen.2 8

dna-beschadiging

Beschadiging van het DNA treedt op door blootstelling aan straling, zoals het ultraviolette bestanddeel van zonlicht en röntgenstralen. Maar ook toxische stoffen beschadigen het DNA, zoals bestanddelen van sigarettenrook en chemotherapeutica, zoals cisplatine. Niet alleen van buiten dreigt het gevaar, maar ook van binnen, in de cel. Allerlei nevenproducten van de stofwisseling, zoals vrije zuurstofradicalen en resten van koolwaterstofverbindingen (alkylgroepen), zijn de oorzaak van beschadiging van het DNA.

Zowel een enkele DNA-streng als beide strengen kunnen in meer of minder ernstige mate worden beschadigd, zoals bijvoorbeeld het geval is na blootstelling aan röntgenstralen. Ook kunnen kruisverbindingen tussen beide strengen van de dubbele helix of verbindingen tussen verschillende basen van dezelfde streng ontstaan; dit gebeurt bijvoorbeeld door cisplatine. De schade kan beperkt blijven, maar ook zo ernstig worden dat de helixstructuur van het DNA erdoor vervormt of kapot gaat.

DNA-reparatie

Veranderingen in het DNA blijven niet onopgemerkt en leiden als regel tot reparatie van het beschadigde DNA. Dit gebeurt door tientallen verschillende eiwitten, gecodeerd door datzelfde DNA, die in een strakke volgorde, een ‘pathway’, de DNA-beschadiging herkennen, eruit knippen en vervolgens het gat opvullen met nieuw DNA, gelijk aan wat oorspronkelijk aanwezig was. Een kleine fout in een enkel basenpaar of een breuk in een enkele DNA-streng wordt gerepareerd door middel van enkelvoudige basenexcisiereparatie. Wanneer echter de DNA-helix zélf door beschadiging is misvormd, komen complexer mechanismen in werking. Een belangrijke pathway die dan in gang wordt gezet, is de nucleotide-excisiereparatie (NER). Hierbij wordt een stuk van ongeveer 30 nucleotiden met daarin de beschadiging in één of beide strengen uitgesneden en vervangen door een nieuw stuk DNA.

NER vindt plaats na beschadiging door blootstelling van cellen aan ultraviolet licht of door intracellulaire stofwisselingsproducten, zoals brokstukken chemisch afval en vrije zuurstofradicalen. Functioneert NER niet goed, dan is ernstige ziekte het gevolg en ook vroegtijdige veroudering (zie verder). Bij NER zijn tenminste 7 genen betrokken.9 Behalve bij de mens zijn ze gevonden bij hamsters, maar ook in schimmels en bakkersgist, en dat betekent dat ze evolutionair sterk geconserveerd zijn.

reparatie en transcriptie

Enkele eiwitten die werkzaam zijn in de pathway van NER, zijn tevens bestanddeel van een belangrijk transcriptiecomplex.10 Transcriptiecomplexen zijn de computers in de cel die de genen vertellen of en wanneer ze in actie moeten komen (‘aangaan’) of ermee moeten stoppen (‘uitgaan’). Een transcriptiecomplex bestaat uit een combinatie van twee in samenstelling variërende delen: een specifiek stukje DNA in de buurt van een gen dat de activiteit van dat gen regelt, de promotor, en een complex van eiwitten, die men transcriptiefactoren noemt en die het chromatine kunnen openen, de promotorplaats herkennen en zich hier aan het DNA binden, waarop de promotor zijn werk kan doen: ‘gen aan’ betekent ‘aanvang van de eiwitproductie’ en ‘gen uit’ betekent het staken ervan.11

Transcriptiecomplexen spelen een belangrijke rol in de ontwikkeling van elk organisme. De ontdekking dat ze ook een belangrijke rol spelen in DNA-reparatiemechanismen, zoals NER, verklaart het belang van mutaties in de betrokken genen voor het ontstaan van ernstige, zogenaamde reparatietranscriptiesyndromen.

Syndromen

Zeldzame, maar ernstige erfelijke syndromen, zoals xeroderma pigmentosum, het syndroom van Cockayne en het trichothiodystrofie(TTD)-syndroom bleken te worden veroorzaakt door defecten in NER.12 Patiënten met xeroderma pigmentosum zijn overgevoelig voor zonlicht en hun perkamentachtige, vroegtijdig verouderende (xeroderma) sproetige (pigmentosum) huid is verhoogd vatbaar voor het ontstaan van huidkanker. Bovendien ontstaan bij rond eenvijfde van de patiënten met xeroderma pigmentosum neurodegeneratieve afwijkingen. Het eveneens zeldzame syndroom van Cockayne is een neurodegeneratief syndroom. TTD is een syndroom dat opvalt door de broosheid van het haar. Syndroom-van-Cockayne- en TTD-patiënten hebben naast een verhoogde fotosensitiviteit met elkaar gemeen een postnatale groeiachterstand, vertraagde seksuele ontwikkeling, een sterk verkorte levensduur en progressieve neurodegeneratieve afwijkingen, maar zij vertonen, in tegenstelling tot patiënten met xeroderma pigmentosum, geen predispositie voor het ontstaan van huidkanker.

Afhankelijk van de mutaties in de verschillende DNA-reparatiegenen kunnen in ernst wisselende verschillende fenotypen van deze syndromen ontstaan. Xeroderma pigmentosum is een puur reparatiedefect met als hoofdkenmerk een door verhoogde zongevoeligheid sterk verhoogde kans op huidkanker. Patiënten met het syndroom van Cockayne of TTD hebben diezelfde verhoogde zongevoeligheid, echter geen sterk verhoogde kankerpredispositie, maar ontwikkelingsstoornissen en degeneratieve afwijkingen die wijzen op een combinatie met een transcriptiestoornis.

Vroegtijdige veroudering

In het artikel in Science worden de afwijkingen beschreven die ontstaan bij muizen als gevolg van het aanbrengen van een mutatie die eerder was gevonden in een DNA-reparatiegen bij een TTD-patiënt.2 In een eerdere publicatie werd gerapporteerd over een treffende gelijkenis van die muizen met het TTD-syndroom bij de mens en de hierbij behorende partiële defecten in DNA-reparatie en -transcriptie.13 Uit het Science-artikel blijkt dat deze muizen vergeleken met hun normale, ongemanipuleerde soortgenoten bovendien karakteristieke, vroeg optredende verouderingsverschijnselen vertonen, zoals vroegtijdige vergrijzing, veroudering van de huid, vermagering, osteoporose, kyfose en een kortere levensduur (figuur 1, 2 en 3). Aanvankelijk is hun seksuele ontwikkeling normaal. Mannetjes kunnen zich normaal voortplanten. Vrouwelijke TTD-muizen daarentegen raken zelden zwanger en verschijnselen van menopauze treden eerder op dan bij normale muizen.

beschouwing

Het feit dat hun TTD-muizen gewoon volwassen worden, rechtvaardigt volgens de auteurs van het artikel in Science de conclusie dat het door hen gemaakte fenotype overeenkomt met wat te zien is bij vroegtijdige veroudering. Het gen in ongemuteerde vorm zou dus een belangrijke rol kunnen spelen bij het terugdringen van veroudering en het verlengen van de levensduur. Zowel reparatie als transcriptie speelt hierbij een rol. Een haperende reparatie, zo menen de auteurs, veroorzaakt vertraging in het transcriptieproces, waardoor het genoom destabiliseert, wat voor het metabolisme van de cel ernstige gevolgen heeft. In experimenten met zogenaamde dubbelmutanten, waarbij het reparatiedefect kon worden versterkt, bepaalde het niveau van de resterende reparatie de ernst en het tijdstip van het intreden van de veroudering.

De auteurs hebben sterke aanwijzingen dat vrije zuurstofradicalen in hun experimenten de belangrijkste kandidaten zijn voor de voor veroudering verantwoordelijke beschadiging van het erfelijk materiaal. Leven met zuurstof is niet zonder risico.14 Zij beseffen dat het door hen gefokte proefdier slechts een klein segment laat zien van het panorama van verschijnselen waarin normale veroudering zich presenteert. Ongeveer een kwart van de variatie in onze levensduur is echter erfelijk bepaald. Genen hebben hier dus iets mee van doen. Het is aannemelijk dat het dan gaat om bijvoorbeeld de DNA-reparatiegenen. Ook al worden niet alle ouderdomsverschijnselen zichtbaar in het beschreven proefdiermodel, het demonstreert op overtuigende wijze de rol die DNA-reparatie heeft bij hun ontstaan.15 De TTD-muis lijkt dus een bij uitstek geschikt proefdiermodel voor de bestudering van de moleculair-biologische achtergronden van veroudering.

Het artikel in Science laat bovendien zien dat achter zeldzaam voorkomende, onbegrepen ziektebeelden het falen van universele biologische processen kan schuilgaan. Bestudering van deze ziektebeelden kan leiden tot beter inzicht in veelvoorkomende gezondheidsproblemen, bijvoorbeeld die welke ontstaan bij veroudering.

tenslotte

Veroudering en de hiermee gepaard gaande aandoeningen zijn een van de grootste gezondheidsproblemen waarvoor ontwikkelde geïndustrialiseerde landen staan. Wie van mening is dat het in het gezondheidsonderzoek toch vooral gaat om de ziekmakende omgevingsfactoren,16 zal zich afvragen wat het praktisch nut voor de gezondheidszorg is van dit soort onderzoek. Anderen die menen dat ‘onderzoek naar de wezenlijke bijdrage van omgevingsfactoren aan het ontstaan van ziekte pas werkelijkheid wordt als de geneticus hun het gereedschap in handen geeft om vast te stellen wie de genetisch vatbaren zijn’17 zullen het ongetwijfeld toejuichen.

Prof.dr.J.H.J.Hoeijmakers en dr.G.T.J.van der Horst, moleculair genetici, leverden de figuren en gaven kritisch commentaar.

Belangenconflict: geen gemeld. Financiële ondersteuning: geen gemeld.

Literatuur

  1. Partridge L, Gems D. A lethal side-effect. Nature2002;418:921.

  2. Boer J de, Andressoo JO, Wit J de, Huijmans J, Beems RB,Steeg H van, et al. Premature aging in mice deficient in DNA repair andtranscription. Science 2002;296:1276-9.

  3. Harman D. Aging: a theory based on free radical andradiation chemistry. J Gerontol 1956;11:298-300.

  4. Von Zglinicki Th, Bürkle A, Kirkwood ThBL. Stress,DNA damage and ageing – an integrative approach. Exp Gerontol2001;36:1049-62.

  5. Mandavilli BS, Santos JH, Houten B van. Mitochondrial DNArepair and aging. Mutat Res 2002;509:127-51.

  6. Martin GM, Austad SN, Johnson TE. Genetic analysis ofageing: role of oxidative damage and environmental stress. Nat Genet 1996;13:25-34.

  7. Friedberg EC, Zeeland AA van, Tanaka K, editors. DNArepair. Special issue. Mutat Res 2001;485:1-92.

  8. Hasty P, Vijg J. Aging. Genomic priorities in aging.Science 2002; 296:1250-1.

  9. Spek PJ van der. Cloning and characterization of excisionrepair genes proefschrift. Rotterdam: Erasmus UniversiteitRotterdam; 1996.

  10. Vermeulen W, Vuuren AJ van, Chipoulet M, Schaeffer L,Appeldoorn E, Weeda G, et al. Three unusual repair deficiencies associatedwith transcription factor BTF2(TFIIH): evidence for the existence of atranscription syndrome. Cold Spring Harb Symp Quant Biol1994;59:317-29.

  11. Pines M. Exploring the biomedical revolution. HowardHughes Medical Institute. Baltimore: The Johns Hopkins University Press;1999.

  12. Bootsma D, Kraemer KH, Cleaver JE, Hoeijmakers JHJ.Nucleotide excision repair syndromes: xeroderma pigmentosum, Cockaynesyndrome and trichothiodystrophy. In: Vogelstein B, Kinzler KW, editors. Thegenetic basis of human cancer. New York: McGraw-Hill; 1998. p.245-74.

  13. Boer J de, Wit J de, Steeg H van, Berg RJW, Morreau H,Visser P, et al. A mouse model for the basal transcription/DNA repairsyndrome trichothiodystrophy. Mol Cell 1998;1:981-90.

  14. Abele D. Toxic oxygen: the radical life-giver. Nature2002; 420:27.

  15. Kirkwood TBL. New science for an old problem. TrendsGenet 2002; 18:441-2.

  16. Kievits F, Adriaanse MT. Interview met H.G.M.Rooijmansbinnenlands nieuws. NedTijdschr Geneeskd 2003;147:81-2.

  17. Valkenburg HA. Van oude en nieuwe epidemiologenafscheidsrede. Rotterdam: Erasmus Universiteit Rotterdam.Utrecht: Bunge; 1989.

Auteursinformatie

Erasmus Medisch Centrum, afd. Celbiologie en Genetica, Rotterdam.

Contact Prof.dr.J.C.Molenaar, emeritus hoogleraar Kinderchirurgie, Kastanjeplein 105, 3053 CB Rotterdam

Reacties