Några milstolpar i genetikens historia

Sedan urminnes tider har man spekulerat beträffande ärftlighetens natur, byggt på iakttagelser rörande människan själv och hennes familj och på erfarenheter från djuravel och växtodling. Den äldsta kända släkttavlan är över hästavel i Kalde´en i Mesopotamien för 5000 år sedan.
De observationer och erfarenheter man gjorde beträffande utseendemässiga likheter och förekomst av samma sjukdom eller missbildning hos flera av en familjs medlemmar gjorde att man även för människan trodde på någon form av biologiskt arv. I judarnas heliga bok Talmud föreskrevs om omskärelse av gossebarn att söner till kvinnor som tidigare fött en son som dött i förblödning efter omskärelsen skulle befrias från omskärelse, liksom systersöner till dessa kvinnor. Således förstod judarna redan för flera tusen år sedan att blödarsjuka ärvs könsbundet och endast drabbar män.
Enligt Aristoteles (384-322 f.Kr.) bidrog kvinnan med materialet till och mannen med formgivningen av det väntade barnet;så skulle mycket manliga män oftare få söner än döttrar. En annan antik uppfattning var att könet bestämdes av vindriktningen vid parningen; kall vind verkade i hanlig riktning och varm vind i honlig riktning. Hippokrates(460-357 f.Kr.) menade att arvssubstans från föräldrarna, utsöndrad från kroppens olika organ in i blodet, blandades vid befruktningen. Friska organ bildade normal arvssubstans och sjuka eller missbildade organ sjuka faktorer i arvssubstansen. Därav kom exempelvis att blåögda föräldrar oftast får blåögda barn och att skelögda föräldrar riskerar att få skelögda barn. Arvssmassans natur uppfattades ännu i början av 1800-talet som en strukturlös vätska i blodet. Vätskorna från föräldrarna blandades vid befruktningen och den nya individen uppkom ur själva blandningen. Denna gamla föreställning avspeglas i uttrycken blodsband, halvblod och blodskam.
I forna tider hade man en statisk bild av naturen. Starkt bidragande till detta var bibelns beskrivelse av skapelsen som en gång för alla avslutad process. Carl von Linne´ ansåg således att arterna var oföränderliga och såg ut som de alltid gjort.
Genetiken är som vetenskapsgren ung, och går tillbaka till Darwins formulering av evolutionsläran i boken "On the origin of species by means of natural selection" utgiven 1859. Darwin kunde dock aldrig förklara hur ny variation av egenskaper kunde uppkomma eftersom mutationer på den tiden var ett okänt begrepp. Om Darwin känt till Gregor Mendels epokgörande arbete "Versuche über Pflantzen-Hybriden", publicerat i Verhandlungen des Naturforschenden Vereins,Brünn 1865, kunde han fått förklaring till hur ny ärftlig variation kan bibehållas i kommande släktled. Man lär ha hittat Mendels epokgörande publikation i ett oöppnat brev från Mendel i Darwins kvarlåtenskap! Mendel drog slutsatserna från sina försök med korsningar av olika ärtsorter att arvet bestäms av arvsfaktorer, som nedärvs oberoende av varandra och att omkombinationer av arvsfaktorerna medför en lagbunden variation av egenskaperna hos avkomman. Det är märkligt att Mendels iakttagelser hur monogena egenskaper nedärvs lämnades obeaktade fram till år 1900, då Mendels resultat återupptäcktes av botanisterna Correns, Tcshermak och deVries. Den biologiska forskningen kom därmed in i ett nytt och fruktbart skede.
1900 upptäckte Landsteiner blodgruppsystemet ABO och 1911 visades att dessa blodgrupper ärvs mendelskt.
1901 skapade deVries termen mutation före en plötslig och bestående förändring av arvsanlag.
1902 sjösatte Sutton och Boveri konceptet att kromosomerna var bärare av arvsanlagen och att de överförs med könscellerna till nästa generation och att kromosomernas fördelning vid meiosen förklarar mendelsk nedärvning. Samma år rapporterade Garrod sina undersökningar av alkaptonuri och visade för första gången att en sjukdom kan ärvas enligt mendelska ärftlighetslagarna. Garrod lade fram hypotesen att ärftliga ämnesomsättningssjukdomar orsakas av en autosomalt recessivt nedärvd specifik enzymbrist, som leder till anhopning av symtomframkallande metaboliter. Detta paradigm- inborn errors of metabolism- har senare till fullo bekräftats av genetisk biokemisk forskning och man har påvisat en specifik biokemisk rubbning vid närmare 500 olika inborn errors of metabolism. Studiet av dessa sjukdomar har varit av central betydelse för kartläggningen av den normala intermediärmetabolismen.
Experimentella undersökningar och teoretiska koncept dominerade genetisk forskning under vårt sekels första årtionden. 1906 upptäckte och beskrev Bateson och Punnet det s k kopplingsfenomenet i ett arbete med korsningar mellan olika ärtsorter. Bananflugan introducerades i genetisk forskning av Castle 1905. På grund av att bananflugans kromosomer i spottkörtelcellerna är mycket stora kan de studeras i detalj i vanligt ljusmikroskop. Morgan och hans elever Bridges och Sturtevant kunde genom att undersöka ärftliga egenskaper hos bananflugor visa att generna är linjärt ordnade på kromosomerna och att koppling föreligger mellan gener, som är belägna nära intill varandra i samma kromosom och att kopplingsgraden är omvänt proportionell mot genernas avstånd från varandra. Detta kom att få mycket stor betydelse för utvecklingen inom genetisk forskning. Kopplingsanalys är numera en huvudmetod för att skapa genetiska kartor, varvid man undersöker hur ofta två markörer,exempelvis en ärftlig sjukdom och en specifik DNA-sekvens, ärvs tillsammans. Vid bildningen av könsceller följs gener som ligger nära varandra på samma kromosom oftare åt än gener som ligger på olika kromosomer. Graden av koppling betingas av avståndet mellan generna, vilket kan definieras med sannolikheten för att en överkorsning och utbyte av gener mellan homologa kromosomer skall inträffa under könscellbildningen. Avståndet mellan markörerna (genloci) mäts i överkorsningsprocenten och anges i centimorgan, som motsvarar c:a 1 miljon baspar.
Galton (1822-1911), som var tvillingforskningens grundläggare, studerade kontinuerliga variablers,såsom intelligens och kroppslängd, nedärvning. Han fann att nedärvningsmönstret inte stämde med enkel mendelsk nedärvning. 1918 visade Fisher att nedärvningen för egenskaper med kontinuerlig variation var polygenetisk, med nedärvning av flera olika gener, var och en med en liten men additiv effekt. Det är välkänt att nära släktingar liknar varandra mer än icke besläktade individer. Detta gäller inte bara normala egenskaper utan också flertalet vanliga sjukdomar som allergier, diabetes, hjärt-kärlsjukdomar, högt blodtryck och de vanligaste missbildningarna. Gemensamt för dessa normala egenskaper och folksjukdomar är att de beror på en samverkan mellan polygener och miljöfaktorer. Man brukar tala om komplexa, multifaktoriellt betingade sjukdomar med polygen nedärvning. Stora satsningar görs nu för att identifiera och kartlägga gener som disponerar för dessa folksjukdomar. Därmed ges förutsättningar för förebyggande insatser och tidigt insatt behandling.
1927 påvisade Müller joniserande strålnings mutationsframkallande effekt i experiment med röntgenbestrålning av bananflugor.
1943 visade Avery och medarbetare att arvsmassan består av DNA.
Människans normala kromosomtal 46 fastställdes av Tjio och Levan i Lund 1956, vilket banade vägen för human kromosomforskning.
1959 rapporterade Lejeune den första kromosomavvikelsen hos människa, 21-trisomin vid Downs syndrom, vilket blev startpunkten för klinisk cytogenetik.
Ett annat epokgörande arbete var upptäckten av Caspersson och Zech vid Karolinska institutet 1968 att kromosomerna har ett specifikt bandmönster som gör att de kan identifieras och detaljstuderas individuellt.
Molekylärgenetiken föddes 1953, då Watson och Crick klarlade DNA-molekylens uppbyggnad. Detta arbete "Molecular Structure of Nucleic Acids. A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid", publicerat på en sidolängd i Nature 25 april,1953 är "århundradets upptäckt" inom biologiska forskningsfältet och startpunkten för molekylärgenetiken (studiet av geners struktur och funktion på molekylär nivå).
1956 visade Ingram att sickle- cellbetaglobingenen hade aminosyran valin i stället för som normalt glutamin i position 6, vilket för första gången visade att en mutation i en strukturgen kan leda till en förändring av ett proteins aminosyrasekvens. Detta blev startpunkten för studiet av ärftliga proteindefekter och proteinvariationer i relation till hälsa och sjukdom: biokemisk genetik.
Genombrottet för den moderna gentekniken kan dateras till 1970 då det lyckades att isolera ett s k restriktionsenzym som kunde känna igen en viss basparssekvens i DNA-molekylen och specifikt klippa av DNA-molekylen mitt i den sekvensen. Ett viktigt metodologiskt genombrott kom 1975 då Southern introducerade en metod att efter klyvning av DNA med restriktionsenzym skilja alla DNA-fragment med olika storlek från varandra med hjälp av filterhybridiseringsteknik. Med denna s k Southern-blot metod kan ett fragment som innehåller en viss gen specifikt identifieras, något som fått stor diagnostisk tillämpning. Ett annat metodologiskt genombrott kom 1985 då Mullis tog fram Polymerase Chain Reaction(PCR)-metoden,som gör att en viss DNA-sekvens snabbt kan masskopieras för analys av olika molekylärgenetiska avvikelser.
Tack vare dessa och en serie andra landvinningar inom molekylärgenetiken har utvecklingen inom detta området genomgått en dramatisk utveckling, vilket avspeglas i ett stort antal Nobelpris.
Den humana genomforskningens motor och koordinator har varit det humana genomprojektet HGP, ofta kallat HUGO-projektet, som startade 1990. Vid starten fanns inte den teknik som behövdes för uppgiften. Den tekniska utvecklingen har dock överträffat alla förväntningar och den ursprungliga målsättningen att det humana genomet skall vara fullständigt kartlagt och sekvensbestämt år 2005 tycks infrias med god marginal.
1960 påvisade Nowell och Hungerford den första specifika kromosomförändringen vid en cancersjukdom;en deletion av ett segment på långa armen av kromosom 22 i benmärgsceller från patienter med kronisk myeloisk leukemi. Därefter har specifika kromosomavvikelser påvisats vid ett stort antal olika tumörsjukdomar. Molekylärgenetisk karakterisering av gener lokaliserade vid kromosombrottspunkter för tumörassocierade specifika kromosomavvikelser med har givit ökad kunskap om kromosomavvikelsernas patogenetiska betydelse och lett till att onkgener och tumörsupressorgener av betydelse för tumöruppkomst identifierats och karakteriserats, vilket också givit möjlighet till specifik molekylärgenetisk diagnostik av tumörsjukdomar.
En grupp sjukdomar vars nedärvningsmönster ej sällan avviker från mendelsk nedärvning är de mitokondriella sjukdomarna. Den första mitokondriella sjukdomen beskrevs av Luft och medarbetare 1962. De mitokondriella sjukdomarna ger en sjukdomsbild som ibland är generaliserad,men oftast begränsad till ett eller ett par organ. Dessa sjukdomar nedärvs inte bara enligt Mendels ärftlighetslagar via nukleärt kromosomalt DNA utan också via maternell transmission av mitokondriellt DNA. Allt fler sjukdomar visar sig vara betingade av mitokondriella DNA-mutationer.
1991 påvisades en helt ny mutationstyp med hjälp av DNA-teknik, nämligen en expansion av trebasparsupprepningen CGG i genen för fragil-X syndromet. Dylika symtomgivande trinukletidupprepningar är en helt ny observation, tidigare okänd även bland andra species. Expanderande trinukleotidupprepningar har påvisats i generna för en rad andra sjukdomar-vanligtvis dominant nedärvda neurodegenerativa sjukdomar. Typiskt för denna form av nedärvning är att trinukleotidupprepningen kan öka i storlek och ge svårare symtom från generation till generation.
Ett annat nytt centralt koncept är genomisk prägling,som införts för att beteckna skillnader i genuttryck beroende på om genen är nedärvd från modern eller från fadern, dvs belägen på den maternellt nedärvda eller på den paternellt nedärvda kromosomen. Tidigare ansågs det att en gen fungerade på samma sätt oberoende om den nedärvs från fadern eller modern. Det är endast vissa gener som präglas, framför allt gener som styr differentiering och tillväxt. Präglingen sker huvudsakligen under könscellsbildningen och tidigt fosterstadium. Genetisk prägling kan leda till specifika missbildningssyndrom och tumörsjukdomar.
Skillnaderna mellan människans och musens arvsmassa är liten och genmodifierade, s k transgena möss och andra djurmodeller används alltmer för att studera olika molekylärbiologiska fenomen. Ett av de första och mest uppmärksammade exemplen var en transgen mus med tillväxthormongen från råtta. Musen uppnådde råttstorlek. Ny viktig kunskap inom bl.a immunologisk genetik och utvecklingsbiologi har erhållits från experiment med transgena möss, som används alltmer för patogenetiska undersökningar och för att testa nya behandlingsmetoder för ärftliga sjukdomar.
In situ-hybridisering, där en kombination av cytogenetiska och molekylärgenetiska metoder används, har givit helt nya möjligheter att påvisa var ett arvsanlag är beläget. Metoden tillämpas i två principiellt olika sammanhang: Man kan med denna metodik undersöka i vilka celler olika arvsanlag kommer till uttryck i samband med mikroskopisk undersökning av cytologiska preparat eller i vävnadssnitt. Därigenom kan en bild erhållas av vilka gener som uttrycks i olika cellpopulationer vid sjukdomstillstånd. Med in situ-hybridisering kan man också undersöka var specifika arvsanlag är belägna utefter en kromosom och identifiera såväl mikroskopiska som submikroskopiskkromosomavvikelser. Metoden används med stor framgång såväl inom forskning som diagnostik.
Nyheten i februari 1997 att Wilmut och medarbetare lyckats klona ett djur, lammet Dolly, slog ned som en bomb och ledde till en enorm mediastorm.Det som tidigare betraktats som ren science fiction blev nu verklighet och är ett stort vetenskapligt genombrott, som visar att cellkärnorna från åtminstone vissa somatiska celler är totipotenta och kan omprogrammeras genetiskt så att de kan styra en normal embryo-och fosterutveckling. Detta öppnar hissnande perspektiv inom humanmedicinen, eftersom det bl a kan bli möjligt att ersätta celltyper som vid vissa sjukdomar är skadade eller saknas.
Sjukdomspanoramat i vårt land har förändrats markant under det gångna seklet. Förbättrade sociala förhållanden och nya och förbättrade behandlingsmetoder har medfört att prevalensen av genetiskt betingade sjukdomar och utvecklingsrubbningar har ökat markant i befolkningen. Flertalet folksjukdomar har en ärftlig disposition. Dit hör bl a allergier, hjärt-kärlsjukdomar och diabetes. Cirka 8 % av alla barn har en allvarlig ärftlig utvecklingsrubbning eller sjukdom eller riskerar att under sin livstid drabbas av en dylik. De ärftligt betingade sjukdomarna som ofta är livslånga, medför avsevärda konsekvenser för såväl individ, familj som samhälle.
Två olika verksamhetsområden kan identifieras för klinisk genetik;en kliniskt inriktad och en laborativt inriktad. Den kliniska verksamheten omfattar utredning av olika genetiskt betingade sjukdomar och utvecklingsrubbningar samt genetisk information till patienter och deras familjer.
Möjligheterna att med DNA-och biokemisk teknik spåra anlagsbärare för monogent nedärvda sjukdomar ökar snabbt, och därmed möjligheten att förutsäga om en person kommer att insjukna i sjukdomen eller ej. Nyföddhetsscreening för fenylketonuri (PKU) och vissa andra medfödda, vanligtvis autosomalt recessivt ärftliga ämnesomsättningssjukdomar blev praktiskt möjlig i början av 1960-talet med mikrobiologisk teknik. Centraliserad nyföddhetsscreening för PKU infördes i vårt land 1965 och därefter har screeningundersökningen utökats till att gälla också andra medfödda ämnesomsättningssjukdomar där det för effektiv förebyggande behandling är viktigt att diagnosen ställs snarast efter födelsen. Presymtomatisk mutationsdiagnostik av ärftlig bröstcancer och vissa andra monogent nedärvda cancerformer möjliggör att anlagsbärare som löper stor risk för cancer identifieras och erbjuds regelbundna kontroller och eventuell förebyggande behandling. När det gäller presymtomatisk genetisk diagnostik av svåra icke behandlingsbara ärftliga sjukdomar som Huntingtons korea och andra neurodegenerativa sjukdomar, där anlagsbärarna ofta hunnit bilda familj innan sjukdomen manifesterar sig, ställs riskindividerna inför svåra ställningstaganden.
Ett område som utvecklats snabbt under senare år är farmakogenetiken. Med farmakogenetik avses genetiska faktorers betydelse för individuella olikheter i läkemedelsomsättning, terapeutiska effekter och biverkningar. Förutom biokemiska analyser har DNA-baserade undersökningar kommit till användning för att avgöra om ett visst läkemedel passar för en viss patient och för individuell dosering.
Pionjärarbetena av Tjio och Levan 1956, Lejeune 1959, Caspersson och Zech 1968 följdes av en hel serie viktiga undersökningar som visade kromosomavvikelsernas betydelse för uppkomsten av reproduktionsrubbningar, missbildningar, utvecklingsstörningar och tumörsjukdomar och diagnostiska tillämpningar. Den kliniska cytogenetiken dominerade klinisk genetik forskningsmässigt och diagnostiskt under 60-och 70-talen.
1968 rapporterade Breg och Steel den första prenatala kromosomanalysen, som utfördes på odlade celler från fostervatten. Fostervattenprovtagning i graviditetsvecka 13-15 för kromosomanalys är fortfarande den vanligaste fosterdiagnostiska metoden. Prov från moderkaka,s k korionbiopsi, i graviditetsvecka 9-11 som utvecklades i början av 80-talet för kromosomal fosterdiagnostik används rutinmässigt för DNA-baserad diagnostik.
Preimplantatorisk diagnostik, d v s att efter s k provrörsbefruktning undersöka om fostret är sjukt eller friskt genom att ta ut enstaka celler från det befruktade ägget för analys har kommit till användning där sedvanlig fosterdiagnostik ej är tillämpbar. Endast ett foster utan sjukdomsanlaget eller kromosomavvikelsen i fråga förs in i livmodern.
Utvecklingen inom ultraljudsdiagnostik har medfört att många oftast genetiskt betingade missbildningar, utvecklingsrubbningar och sjukdomar hos fostret upptäcks både tidigare och säkrare än förut. Tidigare ledde detta ofta till ett graviditetsavbrytande men i dag också till helt andra ställningstaganden beträffande handläggning av graviditeten, exempelvis prenatal behandling eller tidigareläggning av kirurgisk åtgärd.
1978 utfördes den första DNA-analysbaserade diagnostiken av en sjukdom (sickle-cellsanemi). I dag kan sjukdomsanlag för flera hundra olika genetiska sjukdomar påvisas med DNA-baserad diagnostisk teknik. Genom karakterisering av gendefeken öppnas möjligheter till förebyggande behandling, kausal farmakologisk behandling och genterapi.
Flertalet genetiskt betingade sjukdomar kan idag inte behandlas, vilket stimulerat till försök att föra in en frisk gen i patientens celler, dvs geneterapi. Den första genterapin av en monogen sjukdom utfördes 1990 på ett barn med medfödd adenosin-deaminas(ADA)bristbetingad svår immundefekt. Därefter har ett flertal genterapiförsök gjorts. Den helt dominerande indikationen är cancer, följd av monogena sjukdomar och HIV. Endast ett fåtal lyckade behandlingsförsök har hittills rapporterats. Den begränsande faktorn är fortfarande metoderna för genöverföring.
De mendelska ärftlighetslagarna utgör fortfarande fundamentet beträffande genetiska faktorers betydelse för variationer i normala egenskaper och för uppkomsten av sjukdomar och utvecklingsrubbningar. Cytogenetisk och molekylärgenetisk forskning har givit oss en markant ökad kunskap om genetiska faktorers betydelse för normala egenskaper, sjukdomar och sjukdomsdisposition, en kunskap som komma att accelerera i en dimension som vi hittills bara anat. Det är därför viktigt med en allmän etisk debatt beträffande tillämpningen av forskningsresultaten kring människans arvsmassa.
Översiktslitteratur
1. Brändén H. Molekylärbiologi.
Lund: Studentlitteratur, 1997
2. Harper PS, Clarke AJ. Genetics, society and clinical practice.
Oxford: BIOS Scientific Publishers LTD, 1997.
3. Hsu TC. Human and mammalian cytogenetics. An historical perspective.
New York, Berlin, Heidelberg. Springer-Verlag, 1979.
4. Landegren U. Laboratory protocols for mutation detection.
Oxford: Oxford University Press, 1996.
5. McKusick V. History of medical genetics.
In: Rimoin DL, Connor JM, Pyeritz RE, eds. Principles and practice of medical genetics.
London-New York: Churchill Livingstone, 1996: 1-31.
6. Pettersson U. Genomforskningen går på högvarv.
Läkartidningen 1999; 96: 4528-32.
7. Pettersson U. Genomforskningen genererar många etiska problem.
Läkartidningen 1999; 96: 4660-64.
8. Sturtevant AH. History of genetics.
Harper& Row, 1966.
9. Wadelius C. Omvälvande framsteg förutspås när sjukvården präglas av genetik.
Läkartidningen 1999; 96: 4524-26.
10. Vogel F, Motulsky AG. Human Genetics. Problems and approaches.
Berlin-Heidelberg-New York-Tokyo: Springer-Verlag, 1997.

Karl-Henrik Gustavson

Professor emeritus, M.D., Ph.D., vid Uppsala Universitet