Guinguette Marais Poitevin

Abstract

De auto-immuun schildklierziekten (AITDs) (de ziekte van Graves en Hashimoto’s thyroiditis) zijn complexe genetische ziekten die waarschijnlijk meer dan 20 genen hebben die bijdragen tot de klinische fenotypes. Tot op heden vallen de genen waarvan bekend is dat ze bijdragen in twee categorieën uiteen: immuunregulerende genen (waaronder HLA, CTLA4, PTPN22, CD40, CD25, en FCRL3) en schildklier-specifieke genen (TG en TSHR). Geen van deze genen draagt echter bij tot meer dan een 4-voudige verhoging van het risico om een van deze ziekten te ontwikkelen, en geen van de ontdekte polymorfismen is essentieel voor de ontwikkeling van de ziekte. Het lijkt er dus op dat een combinatie van verschillende geninteracties hetzelfde klinische ziektepatroon kan veroorzaken, maar dat de bijdragende genen kunnen verschillen van patiënt tot patiënt en van populatie tot populatie. Bovendien laat dit mogelijke mechanisme de krachtige invloed van het milieu en epigenetische modificaties van genexpressie open. Voor de clinicus betekent dit dat genetische profilering van dergelijke patiënten in de nabije toekomst waarschijnlijk niet vruchtbaar zal zijn.

1. Inleiding

Vele ziekten hebben de neiging om in families voor te komen, en we weten dat dit te wijten kan zijn aan ofwel milieu-invloeden, ofwel familiegenetica, of beide. De auto-immuunziekten van de schildklier (AITD’s), de ziekte van Graves en de thyreoïditis van Hashimoto, zijn typische voorbeelden van dergelijke complexe ziekten en al vele jaren wordt erkend dat ze een belangrijke genetische component hebben. De laatste 10 jaar hebben we veel nieuwe inzichten verworven in de manier waarop genetische invloeden de schildklierauto-immuniteit kunnen versterken, maar er blijven grote leemtes in onze kennis die waarschijnlijk niet zullen worden opgevuld zonder grote theoretische en technische vooruitgang. Dit korte overzicht bekijkt de huidige stand van de kennis en welke nieuwe inzichten we hebben verkregen uit het onderzoek naar de genetica van de AITDs, en in het bijzonder de ziekte van Graves.

2. Schildklier auto-antilichamen

Autoantilichamen tegen schildklier peroxidase (TPO) en thyroglobuline (Tg) zijn eerder reflecties van schildklierziekte dan oorzakelijke agentia . Dergelijke schildklierauto-antilichamen kunnen zich dus vóór het begin van klinische AITD ontwikkelen en het is reeds lang bekend dat zij het risico op het ontwikkelen van klinische AITD verhogen. De erkenning van een familiale associatie voor de productie van schildklierantilichamen leidde tot studies van eerstegraads verwanten van probandes met AITD en wees op een dominant overervingspatroon. Inderdaad, tot 50% van de broers en zussen van patiënten met AITD zijn positief voor schildklier antilichamen, in tegenstelling tot ~15% in de algemene bevolking. Verschillende segregatie analyses hebben ook een Mendeliaans dominant overervingspatroon aangetoond voor de expressie van schildklier autoantilichamen , en genetische transmissie van TPO antilichaam subklasse “vingerafdrukken” heeft gesuggereerd dat het patroon van autoantilichaam herkenning van het TPO antigeen ook genetisch werd overgedragen .

3. Genetische gevoeligheid voor AITD

De erkenning van een associatie tussen AITD en bepaalde menselijke leukocytenantigenen (HLA) leverde voor het eerst een mechanisme op voor de genetische bijdrage aan de ziekte van Graves en de thyreoïditis van Hashimoto . Deze associatie is vooral goed waargenomen bij eeneiige tweelingen. De HLA-antigenen bieden het immuunsysteem een middel om schildklierantigene peptiden te herkennen, en recente gegevens hebben aangetoond dat deze verhoogde associatie secundair is aan de aanwezigheid van bepaalde residuen in de bindingszak van HLA klasse II, zoals Arg 74 . Bovendien werden de pathologische en moleculaire mechanismen die betrokken zijn bij AITD bekend, waarvan vele niet alleen gemeenschappelijk zijn voor alle auto-immuunziekten, maar ook sterk variëren tussen individuen; dit maakte de herkenning mogelijk van kandidaat-genen die verantwoordelijk zijn voor de gevoeligheid voor de ziekte. Dergelijke genen konden vervolgens worden beoordeeld door middel van hetzij koppelingsanalyse hetzij associatiestudies (zie tabel 1).

4. Detecteren van susceptibiliteitsgenen in AITD

Het kandidaat-HLA-gencomplex werd eerst in associatiestudies in verband gebracht met AITD, maar slaagde er vervolgens niet in een verband met AITD aan te tonen . Dit toonde aan dat de genetische bijdrage van HLA aan AITD niet sterk genoeg was om in koppelingsanalyses te worden gezien. Dit wees erop dat associatiestudies eerder genen zouden detecteren die een klein effect hebben op de vatbaarheid voor de ziekte. Als gevolg van het Menselijk Genoomproject werd het mogelijk genen te identificeren voor ziekten met een complexe genetische basis zonder een beroep te doen op de kandidaat-gen-benadering. Dit werd bereikt door individuen te “typeren” met behulp van een genoom-screen van genetische markers, eerst met microsatellieten (1 microsatelliet per 10 cM DNA) en later single-nucleotide polymorphisms (SNPs) (~1 SNP per < 1 cM DNA), die het volledige genoom bestreken (tabel 2) . Vervolgens observeerden de onderzoekers welke merkers segregeerden met de ziekte. De verminderde gevoeligheid van koppelingsanalyses, in vergelijking met associatiestudies, maakte het echter moeilijker om deze analyses uit te voeren voor de complexe kenmerken die kenmerkend zijn voor een niet-Mendeliaans overervingspatroon en met variabele klinische fenotypes. Door gebruik te maken van grote aantallen SNP’s, die als resultaat van het HapMap-project zijn ontwikkeld en die een veel grotere mate van dekking van het gehele genoom hadden, was het echter gemakkelijker om met behulp van associatieanalyses te ontcijferen welke markers met de ziekte segregeerden. Deze SNP-merkers komen vaker voor dan microsatellietmerkers en zijn gemakkelijk te detecteren, waardoor een grotere genetische gevoeligheid mogelijk is. Het vermoede gengebied kan dan verder worden ingeperkt met meer dichte SNP’s en het gen kan worden geïdentificeerd. Er zijn nu resultaten beschikbaar voor een aantal auto-immuunziekten, waaronder reumatoïde artritis en type 1-diabetes mellitus, en onlangs voor AITD .

Het is uiteraard van essentieel belang dat de resultaten van whole-genome association studies betrouwbaar en herhaaldelijk worden gereproduceerd, maar de complexiteit van dit type analyse en de hoge kosten hebben problemen opgeleverd . Indien veel voorkomende ziekten samenhangen met veel voorkomende risico’s, dan kan replicatie over populaties worden verwacht. Maar veel voorkomende ziekten kunnen verband houden met populatiespecifieke risico’s, en daarom kunnen dergelijke gegevens alleen worden gereproduceerd in dezelfde populatie als die welke in het oorspronkelijke rapport werd onderzocht. Reproduceerbaarheid was een probleem voor studies waarbij gebruik werd gemaakt van microsatellietscreening, met inbegrip van de studies bij patiënten met AITD, en dit probleem is blijven bestaan in de veel grotere studies waarbij gebruik wordt gemaakt van genoomwijde associatiestudies, zoals in de studies waarbij de ziekte van Parkinson en ook obesitas worden geanalyseerd. Daarom moeten alle rapporten over genetische koppeling en associatie door onafhankelijke studies worden bevestigd voordat zij kunnen worden aanvaard.

5. Genen voor AITD

De HLA- en CTLA4-genen waren de eerste genen die door de kandidaat-benadering werden geïdentificeerd (tabel 3).

Zoals eerder besproken, vormen de HLA-genen het major histocompatibility complex (MHC), dat veel genen bevat die verband houden met de werking van het immuunsysteem bij de mens. Deze omvatten HLA klasse I (A, B, en C), HLA klasse II (DP, DM, DOA, DOB, DQ, en DR), en HLA klasse III (coderend voor andere immuunproteïnen). Het belangrijkste GD-geassocieerde HLA, HLA-DR3, bevindt zich op de HLA DR locus en speelt een sleutelrol in de normale immuunrespons door peptide-antigenen te binden en aan T-celreceptoren te presenteren.

Het cytotoxische T-lymfocyte-geassocieerde proteïne 4 (CTLA4) gen is een immuunregulerend molecuul, dat tot expressie komt op het oppervlak van Helper T-cellen en een remmend signaal aan T-cellen doorgeeft. Naast de HLA- en CTLA4-genloci zijn er bevestigde associaties (2 of meer rapporten) voor een aantal genen die ook bij veel auto-immuunziekten voorkomen: PTPN22, CD40, IL2RA (CD25), en FCRL3 (Tabel 3).

Het gen voor proteïne tyrosine fosfatase, niet-receptor type 22 (lymfoïd), ook bekend als PTPN22, codeert voor een proteïne tyrosine fosfatase dat vooral tot expressie komt in lymfoïde weefsels. Dit enzym associeert met het moleculaire adaptereiwit CBL en is mogelijk betrokken bij de regulering van de CBL-functie in de T-celreceptorsignaleringsroute. Een variant van PTPN22 codeert voor Lyp fosfatase (Lyp620W) en houdt een risico in voor meerdere auto-immuunziekten. Recent rapporteerden Zhang et al. dat de niveaus van de Lyp620W variant verlaagd waren in humane T- en B-cellen, en dat de calpaine binding en splitsing verhoogd waren in vergelijking met wild-type Lyp620R. Daarom vertegenwoordigt calpain-gemedieerde degradatie met als gevolg verminderde Lyp expressie en lymfocyten en dendritische cellen hyperresponsiviteit een potentieel mechanisme voor ongereguleerde auto-immuniteit. De LypR620W variant, met een arginine naar tryptofaan substitutie, verliest zijn functie en invloed op immuunreacties, waardoor het risico op auto-immuunziekte toeneemt.

Het CD40 molecuul, of TNF receptor superfamily member 5 gen, codeert voor een costimulatoire receptor die essentieel is in het mediëren van een breed scala van immuun- en ontstekingsreacties, waaronder T-cel-afhankelijke immunoglobuline klasse overschakeling, geheugen B-cel ontwikkeling, en germinale centrum vorming . Het gen voor de interleukine-2 (IL2)-receptor-alfa (IL2RA of CD25) codeert voor een van de subeenheden van de IL-2-receptor die IL-2 bindt en van vitaal belang is voor de regulering van de T-celfunctie. Het Fc receptor-like protein 3 (FCRL3) gen codeert voor een eiwit dat een immunoreceptor-tyrosine activeringsmotief en een immunoreceptor-tyrosine remmend motief in zijn cytoplasmatisch domein bevat en een rol kan spelen in de immuunregulatie.

Tot op heden zijn de enige schildklier-gerelateerde genen die in verband worden gebracht met AITD TG (het gen dat codeert voor thyroglobuline), zowel bij de ziekte van Graves als bij Hashimoto’s thyroiditis, en TSHR (het gen dat codeert voor de thyrotropinereceptor), beperkt tot de ziekte van Graves (tabel 3).

Het thyroglobuline (TG) gen codeert voor een groot glycoproteïne homodimeer dat uitsluitend door de schildklier wordt geproduceerd. Het fungeert als substraat voor de synthese van de schildklierhormonen thyroxine (T4) en triiodothyronine (T3), alsmede voor de opslag van de inactieve vormen van schildklierhormoon en jodium. Hoe dit gen de gevoeligheid beïnvloedt is onduidelijk, maar Stefan et al. hebben onlangs een genetisch/epigenetisch mechanisme beschreven waarbij een nieuw geïdentificeerde TG promotor SNP variant predisponeert voor AITD. Sequentieanalyses gevolgd door case control en familie-gebaseerde associatiestudies identificeerden een SNP (-1623A→G) die geassocieerd was met AITD in de Kaukasische bevolking, en de geassocieerde nucleotide substitutie SNP (-1623A/G) wijzigde een bindingsplaats voor interferon regulerende factor-1 (IRF-1), een belangrijke interferon-geïnduceerde transcriptiefactor, wat wijst op een verhoogde gevoeligheid voor deze inflammatoire cytokine.

Het thyroid stimulating hormone receptor (TSHR) gen codeert voor een membraaneiwit dat signalen afgeeft door het TSH-ligand te binden en dat een belangrijke regulator is van de groei en het metabolisme van schildkliercellen. SNPs in intron 1 (bij Kaukasiërs) en intron 7 (bij Japanners) zijn in een aantal studies in verband gebracht met de ziekte van Graves. Recente gegevens suggereren dat TSHR-geassocieerde SNPs gerelateerd zijn aan defecte thymische tolerantie voor het TSHR, zoals blijkt uit verminderde expressie binnen de thymusklier waar het nodig is om TSHR autoreactieve T-cellen te verwijderen.

Omdat alle geïdentificeerde vatbaarheidsgenen die tot nu toe zijn gevonden een lage mate van bijdrage aan de genetische vatbaarheid lijken te hebben, zijn ook een aantal whole-genome screening studies geprobeerd in AITD om meer belangrijke genen te vinden . Eén genoomwijde associatiestudie waarbij slechts 104 niet-synonieme SNP’s werden gebruikt (SNP’s die betrekking hebben op delen van een gen die waarschijnlijk van invloed zijn op het productkarakter) toonde een aantal van de eerder herkende genen aan, en lokaliseerde ook een aantal nieuwe locaties, maar de nieuwe locaties konden vervolgens niet worden bevestigd. Zeer onlangs is de eerste volledige genoombrede studie van de ziekte van Graves met 660 K SNP’s nu uit China gerapporteerd . Deze studie identificeerde opnieuw veel van de bekende genen voor AITD, maar beschreef ook twee nieuwe locaties op chromosomen 6q en 4p. Deze moeten nog verder worden bevestigd. Ook hier zijn echter geen zeer sterk geassocieerde nieuwe genen naar voren gekomen.

6. De mate van verhoogde vatbaarheid blijft laag

Alle met AITD geassocieerde genen zijn afzonderlijk in staat om slechts een bescheiden mate van ziektegevoeligheid te verlenen (uitgedrukt als odds ratio’s, zie tabel 3). Daarom kunnen we op basis van deze gegevens alleen maar concluderen dat de AITD’s, zowel de ziekte van Graves (met inbegrip van Graves’ oftalmopathie) als Hashimoto’s thyroiditis, complexe genetische aandoeningen zijn waarbij meerdere genen betrokken zijn die mogelijk interacteren om een vatbare achtergrond voor ziekteontwikkeling te verschaffen. Bovendien blijken er ziektespecifieke genen te zijn, zoals het gen dat codeert voor het TSHR bij de ziekte van Graves, en een grotere groep vatbaarheidsgenen, zoals CTLA4, die gemeenschappelijk zijn voor vele auto-immuunziekten. Deze combinatie van genpolymorfismen maakt het waarschijnlijk mogelijk dat epigenetische verschijnselen, volgend op een verscheidenheid van invloeden zoals infectie en de omgeving, de ziekte in gang zetten.

7. De controverse over belangrijke genen in AITD

Nadat duidelijk is geworden dat bij AITD meerdere genen aan het werk zijn, is het waarschijnlijk dat meer dan 20 potentiële genen bijdragen tot de fenotypes van AITD. Maar belangrijke genen, die essentieel zijn voor de ontwikkeling van de ziekte, zijn nog niet gevonden. Een belangrijk gen zou betrokken moeten zijn bij de meerderheid van de patiënten met de ziekte, en de risicoverhoudingen, zelfs voor HLA, laten zo’n gen niet zien (tabel 3). Dit betekent hoogstwaarschijnlijk dat verschillende combinaties van genen vergelijkbare klinische fenotypes kunnen veroorzaken of dat epigenetische verschijnselen dominant zijn. Tot dusver zijn bij de screening van het volledige genoom van families, broers en zussen en populaties met AITD een aantal plaatsen vastgesteld voor de gevoeligheid voor de ziekte van Graves en Hashimoto’s thyroiditis, maar geen daarvan had zeer hoge statistische waarden (LOD-scores) . Deze vaststelling geldt niet alleen voor AITD, maar ook voor andere auto-immuunziekten, waaronder diabetes mellitus type 1. Dit kan het best worden begrepen door nog eens aan HLA te denken. Niet elke patiënt met de ziekte van Graves heeft het bijbehorende HLA-DR3 subtype en zelfs niet het bijbehorende Arg74 in de bindingszak, ongeacht het HLA-DR subtype . De ziekte kan zich dus voordoen zonder de verwachte HLA associatie.

8. Een noot over epigenetica

Een mechanisme waarmee omgevingsfactoren kunnen combineren met genetische risico’s om AITD te bevorderen is door de epigenetische controle van genexpressie te veranderen, zoals bijvoorbeeld te zien is in de pancreas en zoals aangetoond voor een virus dat interageert met een gevoeligheidsgen bij de ziekte van Crohn . Hoewel er weinig bekend is over dergelijke interacties bij AITD, is er brede bevestiging van een rol voor X-chromosoominactivatie (XCI) . Patiënten met AITD vertoonden vaker dan verwacht een vertraagde expressie van een maternaal of vaderlijk X-chromosoom, wat leidt tot de hypothese dat het slecht tot expressie komende chromosoom actief zou kunnen worden in bepaalde weefsels zoals de schildklier en nieuwe antigene sequenties tot expressie zou kunnen brengen die voorheen niet door het immuunsysteem werden herkend. Deze potentiële mechanismen voor verhoogde vatbaarheid voor AITD moeten verder worden onderzocht.

9. Conclusies

Hoe omgevingsfactoren op moleculair niveau samengaan met genetische risico’s om complexe genetische ziekten zoals AITD te bevorderen, is grotendeels onbekend. De genen die gekoppeld zijn aan en/of geassocieerd zijn met AITD dragen elk in geringe mate bij aan het genetische risico. Meervoudige genpolymorfismen (combinaties van haplotypen) lijken nodig te zijn om AITD te ontwikkelen en kunnen verschillen tussen geografische populaties als gevolg van epigenetische invloeden. Er moet nog veel worden geleerd.

Afkortingen

Disclosure

TFD is bestuurslid van Kronus Inc, Star, Idaho (een verdeler van testkits voor schildklierantilichamen). De andere auteurs hebben geen belangenconflicten te melden.

Acknowledgments

Dit werk is gedeeltelijk ondersteund door DK052464 en DK069713 van het National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases, het VA Merit Award programma, en de David Owen Segal Endowment.