Leukemie:
spellingsfouten in de DNA code
Prof. Jan Cools
KU Leuven - Centrum voor Menselijke Erfelijkheid
VIB - Center for the Biology of Disease
1.
De werking van onze cellen
2.
DNA als erfelijke factor
3.
Leukemie: spellingsfouten in de DNA code
4.
De complexiteit van leukemie
5.
De evolutie van onderzoeksmethoden
6.
De evolutie van therapie
7.
Is leven zonder leukemie of kanker mogelijk ?
Deel 1
De cel is de bouwsteen van alle weefsels
1 cel 2 cellen 4 cellen 8 celen 16 cellen blastocyst
foetus
Bloedcellen ontwikkelen vanuit het beenmerg
bloed stamcellen
DNA
cytosol
kern
DNA
cytosol
gen
via RNA
kern
DNA
kern
cytosol
gen
via RNA
Elke cel bevat hetzelfde DNA
met ongeveer 25.000 genen.
De meeste cellen gebruiken
5.000 tot 10.000 genen; elk
celtype gebruikt andere genen.
gen
DNA
kern cytosolgen
eiwit
gen
DNA
kern
cytosol
gen
gen
DNA
De werking van de cel
kern cytosol
gen
celdeling
induceren
gen
De werking van de cel
cytosolgen
celdeling
induceren
gen
Deel 2
DNA als erfelijke factor
James Watson & Francis Crick double helix DNA model 1953 Maurice Wilkins & Rosalind Franklin
Bij de deling van de cel wordt het DNA gekopieerd
DNA synthese
DNA wordt gekopieerd bij elke celdeling
DNA
DNA
DNA
DNA
DNA wordt gekopieerd bij elke celdeling
•
Tijdens het copiëren van DNA kunnen fouten ontstaan.
•
Als DNA-fouten ontstaan tijdens de embryogenese,
kunnen aangeboren afwijkingen voorkomen bij de foetus.
•
Als DNA-fouten later in het leven ontstaan, heeft dit vaak
geen gevolgen, maar dergelijke fouten kunnen leiden tot
het ontstaan van kanker of leukemie.
De cel is de bouwsteen van alle weefsels
1 cel 2 cellen 4 cellen 8 celen 16 cellen blastocyst
foetus
Bloedcellen ontwikkelen vanuit het beenmerg
Aantal cellen: één Oentallen duizenden miljoenen stamcel voorloper- cellen rijpe bloedcellenLeukemie kan ontstaan als één van de bloedcellen
DNA-fouten accumuleert
Leukemie kan ontstaan als één van de bloedcellen
DNA-fouten accumuleert
Deel 3
Spellingsfouten in de DNA code
als oorzaak van leukemie
DNA
De foute werking van
een leukemiecel
kern cytosolgen
cellen blijven
conOnu delen
signaal niet meer nodigX
normale DNA sequentie
CAGGAGGCAGAGGTTGCAGTGAGCCGAGATCACACCACTGCACTCCAGCCTGGGTGACAGAGC GAGACTCTGTCTCAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAATTAGCCGGGCACGGTGGCACACACCTGTA GTCCCAGCTATTCGGGAGGCCGAGGCAGGAAAATCGCTTGAACCTGGGAGGTGGAGGTTGCAG TGAGCTGAGATCGCACCACTGCCCACCCAGCCTGGATGACAGAGTGAGACTCCGTCTCAACAG CAGCAGCAACAACAAAACAAAAACAACAACAAAAAGCCATGTGCCCTGAAGTCTTCATCTCAG GGTCGGCTTCTAGAGGGTACCTCAAACTAAGGCATGAGTTAGCTAACCCTTGGGGACTTTTCA CCTCTGATTTCTGGTTTTTCTCCCTCATCCTCTCCCCATAGAAAAGTCCAACCTGATCGTGGT CCAGAGAGGTCACAGCCCACCCACATCATCCTTGGTTCAGCCCCAATCCCAATACCAGCTGAG TCAGATGACATTTCACAAGATCCCTGCTGACAGCCTGGAGTGGGTAAGAGGCCCTGGGAAATG AGGCGATACCTCAGTCTGGGGTCCAGAGACTCAGATGCGTGGCCTCAGGCATATGCTATAATT TTACCTTGCCTCGGTTTTCCCATCTGTAAAATGGGGCCAGCAGCTATGTCTCGCTTGGGCTGG GATCCTGCAGGAACCCCCTCACTGGCCTCTTCTGCTGTCCCCTCACCATTCAGCATGAGAACC TGGGCCATGGGTCCTTCACCAAGATTTACCGGGGCTGTCGCCATGAGGTGGTGGATGGGGAGG CCCGAAAGACAGAGGTGCTGCTGAAGGTCATGGATGCCAAGCACAAGAACTGCATGGAGGTGA GAGCAATGTGGACCAGACTTTTGGAGTCGGGGCTGGCTGGAGAGGGGGTCGTGGATGCAGAGA AATTTAAAAACACACAGGGACCTGGGCGTGGTGGCTCATGCCTGTCATCCCAGCACTTTGGGA GGCTGAGGCAGGAGGATGGTTTGAAGCCAGGAGTTCAAGAACAGCCTAGGCAACATAGCGAGA CCTCGTCTTGACAAAAAAATTTTAGGCCGGGCGCGGTGGCTCACGCCTGTAATCCCAGCACTT TGGGAGGCTGAGGCGGGCAGATCATCTGAGGTCGGGAGTTCGAGACCAGCCTGACCAACATGG AGAAACCCCGTCTCTACTAAAAATACAAAATTAGCCGGGCGTGGTGGTGCATGCCTGTAATCC CAGCTACTCGGGAGGCTGAGGCAGGAGAATTGCTTGAATCTGGGAAGCGGAGGTTGCAGTGAGDNA code met fout
CAGGAGGCAGAGGTTGCAGTGAGCCGAGATCACACCACTGCACTCCAGCCTGGGTGACAGAGC GAGACTCTGTCTCAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAATTAGCCGGGCACGGTGGCACACACCTGTA GTCCCAGCTATTCGGGAGGCCGAGGCAGGAAAATCGCTTGAACCTGGGAGGTGGAGGTTGCAG TGAGCTGAGATCGCACCACTGCCCACCCAGCCTGGATGACAGAGTGAGACTCCGTCTCAACAG CAGCAGCAACAACAAAACAAAAACAACAACAAAAAGCCATGTGCCCTGAAGTCTTCATCTCAG GGTCGGCTTCTAGAGGGTACCTCAAACTAAGGCATGAGTTAGCTAACCCTTGGGGACTTTTCA CCTCTGATTTCTGGTTTTTCTCCCTCATCCTCTCCCCATAGAAAAGTCCAACCTGATCGTGGT CCAGAGAGGTCACAGCCCACCCACATCATCCTTGGTTCAGCCCCAATCCCAATACCAGCTGAG TCAGATTACATTTCACAAGATCCCTGCTGACAGCCTGGAGTGGGTAAGAGGCCCTGGGAAATG AGGCGATACCTCAGTCTGGGGTCCAGAGACTCAGATGCGTGGCCTCAGGCATATGCTATAATT TTACCTTGCCTCGGTTTTCCCATCTGTAAAATGGGGCCAGCAGCTATGTCTCGCTTGGGCTGG GATCCTGCAGGAACCCCCTCACTGGCCTCTTCTGCTGTCCCCTCACCATTCAGCATGAGAACC TGGGCCATGGGTCCTTCACCAAGATTTACCGGGGCTGTCGCCATGAGGTGGTGGATGGGGAGG CCCGAAAGACAGAGGTGCTGCTGAAGGTCATGGATGCCAAGCACAAGAACTGCATGGAGGTGA GAGCAATGTGGACCAGACTTTTGGAGTCGGGGCTGGCTGGAGAGGGGGTCGTGGATGCAGAGA AATTTAAAAACACACAGGGACCTGGGCGTGGTGGCTCATGCCTGTCATCCCAGCACTTTGGGA GGCTGAGGCAGGAGGATGGTTTGAAGCCAGGAGTTCAAGAACAGCCTAGGCAACATAGCGAGA CCTCGTCTTGACAAAAAAATTTTAGGCCGGGCGCGGTGGCTCACGCCTGTAATCCCAGCACTT TGGGAGGCTGAGGCGGGCAGATCATCTGAGGTCGGGAGTTCGAGACCAGCCTGACCAACATGG AGAAACCCCGTCTCTACTAAAAATACAAAATTAGCCGGGCGTGGTGGTGCATGCCTGTAATCC CAGCTACTCGGGAGGCTGAGGCAGGAGAATTGCTTGAATCTGGGAAGCGGAGGTTGCAGTGAGnormale DNA sequentie
CAGGAGGCAGAGGTTGCAGTGAGCCGAGATCACACCACTGCACTCCAGCCTGGGTGACAGAGC GAGACTCTGTCTCAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAATTAGCCGGGCACGGTGGCACACACCTGTA GTCCCAGCTATTCGGGAGGCCGAGGCAGGAAAATCGCTTGAACCTGGGAGGTGGAGGTTGCAG TGAGCTGAGATCGCACCACTGCCCACCCAGCCTGGATGACAGAGTGAGACTCCGTCTCAACAG CAGCAGCAACAACAAAACAAAAACAACAACAAAAAGCCATGTGCCCTGAAGTCTTCATCTCAG GGTCGGCTTCTAGAGGGTACCTCAAACTAAGGCATGAGTTAGCTAACCCTTGGGGACTTTTCA CCTCTGATTTCTGGTTTTTCTCCCTCATCCTCTCCCCATAGAAAAGTCCAACCTGATCGTGGT CCAGAGAGGTCACAGCCCACCCACATCATCCTTGGTTCAGCCCCAATCCCAATACCAGCTGAG TCAGATGACATTTCACAAGATCCCTGCTGACAGCCTGGAGTGGGTAAGAGGCCCTGGGAAATG AGGCGATACCTCAGTCTGGGGTCCAGAGACTCAGATGCGTGGCCTCAGGCATATGCTATAATT TTACCTTGCCTCGGTTTTCCCATCTGTAAAATGGGGCCAGCAGCTATGTCTCGCTTGGGCTGG GATCCTGCAGGAACCCCCTCACTGGCCTCTTCTGCTGTCCCCTCACCATTCAGCATGAGAACC TGGGCCATGGGTCCTTCACCAAGATTTACCGGGGCTGTCGCCATGAGGTGGTGGATGGGGAGG CCCGAAAGACAGAGGTGCTGCTGAAGGTCATGGATGCCAAGCACAAGAACTGCATGGAGGTGA GAGCAATGTGGACCAGACTTTTGGAGTCGGGGCTGGCTGGAGAGGGGGTCGTGGATGCAGAGA AATTTAAAAACACACAGGGACCTGGGCGTGGTGGCTCATGCCTGTCATCCCAGCACTTTGGGA GGCTGAGGCAGGAGGATGGTTTGAAGCCAGGAGTTCAAGAACAGCCTAGGCAACATAGCGAGA CCTCGTCTTGACAAAAAAATTTTAGGCCGGGCGCGGTGGCTCACGCCTGTAATCCCAGCACTT TGGGAGGCTGAGGCGGGCAGATCATCTGAGGTCGGGAGTTCGAGACCAGCCTGACCAACATGG AGAAACCCCGTCTCTACTAAAAATACAAAATTAGCCGGGCGTGGTGGTGCATGCCTGTAATCC CAGCTACTCGGGAGGCTGAGGCAGGAGAATTGCTTGAATCTGGGAAGCGGAGGTTGCAGTGAGSpellingsfouten in de DNA code
CAGGAGGCAGAGGTTGCAGTGAGCCGAGATCACACCACTGCACTCCAGCCTGGGTGACAGAGC GAGACTCTGTCTCAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAATTAGCCGGGCACGGTGGCACACACCTGTA GTCCCAGCTATTCGGGAGGCCGAGGCAGGAAAATCGCTTGAACCTGGGAGGTGGAGGTTGCAG TGAGCTGAGATCGCACCACTGCCCACCCAGCCTGGATGACAGAGTGAGACTCCGTCTCAACAG CAGCAGCAACAACAAAACAAAAACAACAACAAAAAGCCATGTGCCCTGAAGTCTTCATCTCAG GGTCGGCTTCTAGAGGGTACCTCAAACTAAGGCATGAGTTAGCTAACCCTTGGGGACTTTTCA CCTCTGATTTCTGGTTTTTCTCCCTCATCCTCTCCCCATAGAAAAGTCCAACCTGATCGTGGT CCAGAGAGGTCACAGCCCACCCACATCATCCTTGGTTCAGCCCCAATCCCAATACCAGCTGAG TCAGATTACATTTCACAAGATCCCTGCTGACAGCCTGGAGTGGGTAAGAGGCCCTGGGAAATG AGGCGATACCTCAGTCTGGGGTCCAGAGACTCAGATGCGTGGCCTCAGGCATATGCTATAATT TTACCTTGCCTCGGTTTTCCCATCTGTAAAATGGGGCCAGCAGCTATGTCTCGCTTGGGCTGG GATCCTGCAGGAACCCCCTCACTGGCCTCTTCTGCTGTCCCCTCACCATTCAGCATGAGAACC TGGGCCATGGGTCCTTCACCAAGATTTACCGGGGCTGTCGCCATGAGGTGGTGGATGGGGAGG CCCGAAAGACAGAGGTGCTGCTGAAGGTCATGGATGCCAAGCACAAGAACTGCATGGAGGTGA GAGCAATGTGGACCAGACTTTTGGAGTCGGGGCTGGCTGGAGAGGGGGTCGTGGATGCAGAGA AATTTAAAAACACACAGGGACCTGGGCGTGGTGGCTCATGCCTGTCATCCCAGCACTTTGGGA GGCTGAGGCAGGAGGATGGTTTGAAGCCAGGAGTTCAAGAACAGCCTAGGCAACATAGCGAGA CCTCGTCTTGACAAAAAAATTTTAGGCCGGGCGCGGTGGCTCACGCCTGTAATCCCAGCACTT TGGGAGGCTGAGGCGGGCAGATCATCTGAGGTCGGGAGTTCGAGACCAGCCTGACCAACATGG AGAAACCCCGTCTCTACTAAAAATACAAAATTAGCCGGGCGTGGTGGTGCATGCCTGTAATCC CAGCTACTCGGGAGGCTGAGGCAGGAGAATTGCTTGAATCTGGGAAGCGGAGGTTGCAGTGAGSlechts beperkte delen van DNA zijn belangrijk
CAGGAGGCAGAGGTTGCAGTGAGCCGAGATCACACCACTGCACTCCAGCCTGGGTGACAGAGC GAGACTCTGTCTCAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAATTAGCCGGGCACGGTGGCACACACCTGTA GTCCCAGCTATTCGGGAGGCCGAGGCAGGAAAATCGCTTGAACCTGGGAGGTGGAGGTTGCAG TGAGCTGAGATCGCACCACTGCCCACCCAGCCTGGATGACAGAGTGAGACTCCGTCTCAACAG CAGCAGCAACAACAAAACAAAAACAACAACAAAAAGCCATGTGCCCTGAAGTCTTCATCTCAG GGTCGGCTTCTAGAGGGTACCTCAAACTAAGGCATGAGTTAGCTAACCCTTGGGGACTTTTCA CCTCTGATTTCTGGTTTTTCTCCCTCATCCTCTCCCCATAGAAAAGTCCAACCTGATCGTGGT CCAGAGAGGTCACAGCCCACCCACATCATCCTTGGTTCAGCCCCAATCCCAATACCAGCTGAG TCAGATGACATTTCACAAGATCCCTGCTGACAGCCTGGAGTGGGTAAGAGGCCCTGGGAAATG AGGCGATACCTCAGTCTGGGGTCCAGAGACTCAGATGCGTGGCCTCAGGCATATGCTATAATT TTACCTTGCCTCGGTTTTCCCATCTGTAAAATGGGGCCAGCAGCTATGTCTCGCTTGGGCTGG GATCCTGCAGGAACCCCCTCACTGGCCTCTTCTGCTGTCCCCTCACCATTCAGCATGAGAACC TGGGCCATGGGTCCTTCACCAAGATTTACCGGGGCTGTCGCCATGAGGTGGTGGATGGGGAGG CCCGAAAGACAGAGGTGCTGCTGAAGGTCATGGATGCCAAGCACAAGAACTGCATGGAGGTGA GAGCAATGTGGACCAGACTTTTGGAGTCGGGGCTGGCTGGAGAGGGGGTCGTGGATGCAGAGA AATTTAAAAACACACAGGGACCTGGGCGTGGTGGCTCATGCCTGTCATCCCAGCACTTTGGGA GGCTGAGGCAGGAGGATGGTTTGAAGCCAGGAGTTCAAGAACAGCCTAGGCAACATAGCGAGA CCTCGTCTTGACAAAAAAATTTTAGGCCGGGCGCGGTGGCTCACGCCTGTAATCCCAGCACTT TGGGAGGCTGAGGCGGGCAGATCATCTGAGGTCGGGAGTTCGAGACCAGCCTGACCAACATGG AGAAACCCCGTCTCTACTAAAAATACAAAATTAGCCGGGCGTGGTGGTGCATGCCTGTAATCC CAGCTACTCGGGAGGCTGAGGCAGGAGAATTGCTTGAATCTGGGAAGCGGAGGTTGCAGTGAGDe DNA code
normale DNA sequentie
CTGAGTCAGATGACATTTCACAAGATCCCTGCTGACAGCCTGGAG
L S Q M T F H K I P A D S L E
DNA-fout bij leukemie
CTGAGTCAGATTACATTTCACAAGATCCCTGCTGACAGCCTGGAG
L S Q I T F H K I P A D S L E
DNA zit in de cel
condens opgepakt
in chromosomen
Een menselijke cel
bevat 23 paar
Een chromosomale herschikking tussen chromosoom 9 en 22
is de oorzaak van chronische myeloïde leukemie (CML)
> Uitwisseling van DNA tussen twee chromosomen
> Er gaat geen DNA verloren en er komt geen DNA bij
> Een deel van het BCR gen is nu gekoppeld aan een deel van het ABL gen
Een chromosomale herschikking tussen chromosoom 9 en 22
is de oorzaak van chronische myeloïde leukemie (CML)
BCR gen
/
ABL gen
der(12)
12 der(4)
Rood: centrale deel van chromosoom 12
Groen: gen gelegen op chromosoom 12
Chromosomale veranderingen:
wegknippen van een stukje van chromosoom 4
stukje DNA
is verdwenen
chromosoom 4
FIP1L1 PDGFRAchromosoom 4
met afwijking
FIP1L1 PDGFRAWegknippen van een stukje DNA van chromosoom 4
Conclusies
•
Fouten in het DNA van de bloedcellen kunnen leiden tot
het ontstaan van leukemie.
•
DNA-fouten bij leukemie zijn zowel kleine fouten alsook
chromosomale veranderingen.
•
Deze DNA-fouten ontstaan spontaan, en kunnen ook
door straling of chemische reacties geïnduceerd worden.
•
DNA-fouten leiden tot veranderingen in de cel waardoor
de cel meer zal delen, langer zal leven en zich niet
volledig zal ontwikkelen.
Deel 4
De complexiteit van leukemie
0 20 40 60 80 100 Pediatric Adult altering mutations p = 0.0021
C
Age (years) 10 20 30 40 20 40 60 80 altering mutationsF
gemiddeld 8.2 21.0 p<0.0001aantal DNA-fouten aantal DNA-fouten
De Keersmaecker et al. Nat Genet 2013
kinderen volwassenen
Verloopt de ontwikkeling van leukemie lineair ?
eerste
DNA-fout
A
tweede
DNA-fout
A+B
derde
DNA-fout
A+B+C
De ontwikkeling van leukemie verloopt niet lineair,
maar via een vertakte evolutie
tweede
DNA-fout
(A+B)
DNA-fout
derde
(A+B+C)
eerste
DNA-fout
(A)
vierde
DNA-fout
(A+B+C+D)
(A+B+J)
(A+B+J+K)
(A+B+J+L)
(A+R)
(A+R+S)
(A+R+S+T)
tweede
DNA-fout
(A+B)
DNA-fout
derde
(A+B+C)
eerste
DNA-fout
(A)
vierde
DNA-fout
(A+B+C+D)
(A+B+J)
(A+B+J+K)
(A+B+J+L)
(A+R)
(A+R+S)
(A+R+S+T)
Deel 5
de evolutie van onderzoeksmethoden
Walter Gilbert & Frederick Sanger Nobel Prijs Scheikunde 1980
Het bepalen van de DNA sequentie
Het ‘lezen’ van de DNA sequentie – sinds 1977
Sanger sequencing
•
radioactieve methode, met film
•
arbeidsintensief maar accuraat
•
korte sequentie: enkele honderden letters
•
beperkte doorvoer: tiental DNA fragmenten
•
gebruikt om de eerste genen te bepalen
Het ‘lezen’ van de DNA sequentie – sinds 1990
Automatisering van Sanger sequencing
•
fluorescente methode
•
arbeidsintensief maar accuraat
•
langere sequentie: tot 800 letters
•
beperkte doorvoer: tot 384 DNA fragmenten
•
gebruikt om menselijk genoom te bepalen
Het ‘lezen’ van de DNA sequentie – sinds 2005
Next-generation sequencing
•
fluorescente methode
•
heel beperkte werktijd voor onderzoeker
•
korte sequentie: tot 150 letters
•
massale doorvoer: miljarden DNA fragmenten
•
gebruikt om volledige genomen te bepalen
Het ‘lezen’ van de volledige DNA sequentie
van een leukemie cel
•
enkele weken tijd
•
kan alle kleine spellingsfouten detecteren
•
kan alle chromosoomfouten detecteren
Visualisatie van de volledige DNA sequentie
van een leukemie cel
Circos plot
spellingsfouten
in genen
chromosomale
veranderingen
Deel 6
de evolutie van therapie
Optimalisatie van
combinatie
chemotherapie
voor de
behandeling van acute lymfatische leukemie (ALL)
leidt tot betere overleving bij kinderen met ALL
Bron: CCG ALL study reports 1996-2002 1989-1995 1983-1988 1978-1983 1975-1977 1972-1975 1970-1973 1968-1970
Niet alle patiënten met acute lymfatische leukemie
(ALL) vertonen een goede respons op chemotherapie
ALL paOënten met het BCR-ABL kankergen of het MLL-AF4 kankergen hebben een
Problemen met klassieke therapie
•
optimalisatie over de jaren heen heeft de overleving van
patiënten met leukemie en lymfoom sterk verbeterd, maar
de limieten zijn stilaan bereikt
•
nevenwerkingen van de therapie hebben negatief effect
op levenskwaliteit
•
gevaren voor infecties, en andere levensbedreigende
complicaties van de therapie
Betere kennis van de eigenschappen van de
leukemiecellen maakt doelgerichte therapie mogelijk
DNA
kankergen
cellen blijven
conOnu delen
DNA
kankergen
cellen
sterven af
Doelgericht
uitschakelen van
signalen die
leukemiecellen
aanzetten tot groei
en overleving
Betere kennis van de eigenschappen van de
Voor- en nadelen van doelgerichte therapie
VOORDELEN
•
doeltreffender, meer effectief
•
minder nevenwerkingen dan chemotherapie
•
betere levenskwaliteit
NADELEN
•
dure geneesmiddelen
•
lange behandeling (vaak levenslang),
maar eenvoudig (orale inname)
•
leukemiecellen kunnen relatief gemakkelijk
Doelgerichte therapie voor de behandeling van
chronische myeloïde leukemie (CML)
sinds 1991
sinds 1983
sinds 1975
voor 1975
Kantarjian H, et al. Blood 2012;119:1981-1987.
Optimalisatie van combinatie chemotherapie voor de
behandeling van acute lymfatische leukemie (ALL)
ALL paOënten met het BCR-ABL kankergen of het MLL-AF4 kankergen hebben een
Doelgerichte therapie voor de behandeling van
acute lymfatische leukemie
Yanada M, et al. JCO 2006;24:3460-3466 chemotherapie + imaOnib
