Geenit hammaspuutosten taustalla

Synnynnäiset hammaspuutokset

Yhden tai useamman hampaan synnynnäinen puuttuminen on ihmisen yleisin kehityshäiriö. Kolmansien poskihampaiden (viisaudenhampaiden) puuttumista esiintyy yli viidenneksellä väestöstä ja yhden tai useamman muun pysyvän hampaan puuttumista (hypodontiaa) noin 6-8 prosentilla väestöstä «Grahnen H. Hypodontia in the permanent dentition. Odont Revy 1956; 7 (Suppl 3):1-100. »1, «Haavikko K. Hypodontia of permanent teeth. Proc Finn Dent Soc 1971; 67: 219-225. »2, «Arte S. Phenotypic and genotypic features of familial hypodontia. Väitöskirja. Hammaslääketieteen laitos, Helsingin yliopisto. Helsinki 2001. »3. Puutosten laajetessa ne muuttuvat harvinaisemmiksi: kolmen tai useamman hampaan puuttumista esiintyy noin yhdellä prosentilla ja kuuden tai useamman hampaan puutoksia (oligodontiaa) enää 1-2 promillella «Grahnen H. Hypodontia in the permanent dentition. Odont Revy 1956; 7 (Suppl 3):1-100. »1, «Haavikko K. Hypodontia of permanent teeth. Proc Finn Dent Soc 1971; 67: 219-225. »2, «Schalk-van der Weide Y. Oligodontia. A clinical, radiographic and genetic evaluation. Väitöskirja. Rijksuniversiteit. Utrecht 1992. »4. Suurin osa puutoksista esiintyy erillisinä muutoin terveissä ihmisissä, mutta toisaalta eriasteisia hammaspuutoksia liittyy myös kymmeniin useita kehonosia koskettaviin oireyhtymiin. Ennen kaikkea laaja-alaisimmat puutokset, joissa lähes koko hampaisto saattaa puuttua, esiintyvät lähes yksinomaan harvinaisten oireyhtymien yhteydessä.

Yleisimmin puuttuvat hampaat sekä hypodontiassa että oligodontiassa ovat viisaudenhampaiden ohella toisia välihampaita tai toisia yläetuhampaita. Kaikkein harvinaisinta on keskimmäisten yläetuhampaiden, alakulmahampaiden ja ensimmäisten poskihampaiden puuttuminen «Grahnen H. Hypodontia in the permanent dentition. Odont Revy 1956; 7 (Suppl 3):1-100. »1, «Arte S. Phenotypic and genotypic features of familial hypodontia. Väitöskirja. Hammaslääketieteen laitos, Helsingin yliopisto. Helsinki 2001. »3 , «Arte S. Phenotypic and genotypic features of familial hypodontia. Väitöskirja. Hammaslääketieteen laitos, Helsingin yliopisto. Helsinki 2001. »3, «Schalk-van der Weide Y. Oligodontia. A clinical, radiographic and genetic evaluation. Väitöskirja. Rijksuniversiteit. Utrecht 1992. »4. Maitohampaiden synnynnäinen puuttuminen on myös harvinaista «Arte S. Phenotypic and genotypic features of familial hypodontia. Väitöskirja. Hammaslääketieteen laitos, Helsingin yliopisto. Helsinki 2001. »3. Siten puutokset kohdistuvat useimmin niihin hampaisiin, jotka kehittyvät viimeisinä, mikä viittaa määrällisten tekijöiden merkitykseen hammaspuutosten aiheuttajina. Nämä määrälliset tekijät voivat liittyä kehitykseen osallistuvien solujen määrään tai niiden väliseen viestitykseen.

Hampaiden puuttumiseen liittyy myös monia muita hampaiston kehityksen häiriöitä, joita voi esiintyä joko potilailla itsellään tai heidän sukulaisillaan. Useissa tutkimuksissa on todettu etenkin oligodontiaan liittyvän hampaiden koon pienenemistä ja muotojen yksinkertaistumista «Schalk-van der Weide Y. Oligodontia. A clinical, radiographic and genetic evaluation. Väitöskirja. Rijksuniversiteit. Utrecht 1992. »4, «Garn SM, Lewis AB. The gradient and the pattern of crown-size reduction in simple hypodontia. Angle Orthod 1970; 40: 51-58. »5. Väestössä noin 1-2 prosentilla esiintyviä tappimaisia toisia yläetuhampaita pidetään hypodontiaan kiinteästi liittyvänä piirteenä «Alvesalo L, Portin P. The inheritance pattern of missing, peg-shaped and strongly mesio-distally reduced upper lateral incisors. Acta Odontol Scand 1969; 27: 563-573. »6, «Arte S, Nieminen P, Apajalahti S, Haavikko K, Thesleff I, Pirinen S. Characteristics of incisor-premolar hypodontia in families. J Dent Res 2001; 80: 1445-1450. »7. Taurodontia ja lyhytjuurisuus on huomattavasti muuta väestöä yleisempää hypodontiapotilailla «Arte S. Phenotypic and genotypic features of familial hypodontia. Väitöskirja. Hammaslääketieteen laitos, Helsingin yliopisto. Helsinki 2001. »3, «Arte S, Nieminen P, Apajalahti S, Haavikko K, Thesleff I, Pirinen S. Characteristics of incisor-premolar hypodontia in families. J Dent Res 2001; 80: 1445-1450. »7. Hampaiden kiertymistä ja ektooppisia kulmahampaita esiintyy myös tavallista enemmän hypodontiapotilailla ja heidän suvuissaan «Bjerklin K, Kurol J, Valentin J. Ectopic eruption of maxillary first permanent molars and association with other tooth and developmental disturbances. Eur J Orthod 1992; 14: 369-375. »8, «Baccetti T. A controlled study of associated dental anomalies. Angle Orthod 1998; 68: 267-274. »9.

Hammaspuutosten etiologia

Hampaiden kehitys alkaa varhain sikiöaikana ja jatkuu varhaisaikuisuuteen saakka. Siten on mahdollista, että erilaiset sikiö- ja lapsuusaikaiset ulkoiset tekijät voivat vaikuttaa haitallisesti hampaiden kehitykseen. Lapsuusaikaiset syöpähoidot (sädetys ja kemoterapia) voivat johtaa hampaiden puuttumiseen tai pienentymiseen «Näsman M, Forsberg CM, Dahllöf G. Long-term dental development in children after treatment for malignant disease. Eur J Orthod 1997; 19: 151-159. »10, «Hölttä P, Alaluusua S, Saarinen-Pihkala UM, Peltola J, Hovi L. Agenesis and microdontia of permanent teeth as late adverse effects after stem cell transplantation in young children. Cancer 2005; 103: »11. Seveson onnettomuudessa dioksiineille altistuneilla esiintyy keskimääräistä enemmän hammaspuutoksia ja dioksiinien hammaspuutoksia aiheuttava vaikutus on osoitettu myös eläinkokeissa «Alaluusua S, Calderara P, Gerthoux PM, Lukinmaa PL, Kovero O, Needham L, Patterson DGJ, Tuomisto J, Mocarelli P. Developmental dental aberrations after the dioxin accident in Seveso. Environ Health Pe»12, «Yasuda I, Yasuda M, Sumida H, Tsusaki H, Arima A, Ihara T, Kubota S, Asaoka K, Tsuga K, Akagawa Y. In utero and lactational exposure to 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD) affects tooth develop»13. Vaikka sekä Sevesossa että eläinkokeissa käytetyt annokset ovat suuria, dioksiineilla ja muilla ympäristömyrkyillä voi olla väestötasolla vaikutusta yhdistyneenä muihin ulkoisiin ja perinnöllisiin tekijöihin.

Vallitsevan käsityksen mukaan synnynnäiset hammaspuutokset johtuvat pääosin perinnöllisistä tekijöistä. Lukuisten tapausselostusten ohella järjestelmälliset perhetutkimukset ovat osoittaneet, että hammaspuutokset ovat huomattavasti yleisempiä hammaspuutospotilaiden sukulaisten keskuudessa kuin väestössä yleensä «Grahnen H. Hypodontia in the permanent dentition. Odont Revy 1956; 7 (Suppl 3):1-100. »1, «Chosack A, Eidelman E, Cohen T. Hypodontia: A polygenic trait - a family study among Israeli jews. J Dent Res 1975; 54: 16-19. »14, «Brook AH. A unifying aetiological explanation for anomalies of human tooth number and size. Arch Oral Biol 1984; 29: 373-378. »15. Identtisillä kaksosilla on useammin molemmilla hammaspuutos kuin ei-identtisillä kaksosilla «Markovic M. Hypodontia in twins. Swed Dent J Suppl 1982; 15: 153-162. »16, «Townsend G, Rogers J, Richards L, Brown T. Agenesis of permanent maxillary lateral incisors in South Australian twins. Aust Dent J 1995; 40: 186-192. »17, «Kotsomitis N, Dunne MP, Freer TJ. A genetic aetiology for some common dental anomalies: a pilot twin study. Aust Orthod J 1996; 14: 172-178. »18. Kaksostutkimuksista saatujen arvioiden mukaan perinnölliset tekijät määräävät noin 75-90 % hampaiden koon vaihtelusta ja niiden puuttumisesta «Dempsey PJ, Townsend GC. Genetic and environmental contributions to variation in human tooth size. Heredity 2001; 86 (Pt 6): 685-693. »19. Perhetutkimusten perusteella toiset tutkijat katsovat, että hammaspuutokset periytyvät pääosin vallitsevasti mutta pienemmällä ilmenemisyleisyydellä (penetranssilla) «Grahnen H. Hypodontia in the permanent dentition. Odont Revy 1956; 7 (Suppl 3):1-100. »1, «Schalk-van der Weide Y. Oligodontia. A clinical, radiographic and genetic evaluation. Väitöskirja. Rijksuniversiteit. Utrecht 1992. »4, «Burzynski N, Escobar V. Classification and genetics of numeric anomalies of dentition. Birth Defects 1983; 13: 95-106. »20. Toiset taas ovat esittäneet, että niiden etiologia on polygeeninen tai monitekijäinen «Chosack A, Eidelman E, Cohen T. Hypodontia: A polygenic trait - a family study among Israeli jews. J Dent Res 1975; 54: 16-19. »14, «Brook AH. A unifying aetiological explanation for anomalies of human tooth number and size. Arch Oral Biol 1984; 29: 373-378. »15, «Suarez BK, Spence A. The genetics of hypodontia. J Dent Res 1974; 53: 781-785. »21. On kuvattu myös peittyviä ja X-kromosomaalisia periytymistapoja «Schalk-van der Weide Y. Oligodontia. A clinical, radiographic and genetic evaluation. Väitöskirja. Rijksuniversiteit. Utrecht 1992. »4, «Pirinen S, Kentala A, Nieminen P, Varilo T, Thesleff I, Arte S. Recessively inherited lower incisor hypodontia. J Med Genet 2001; 38: 551-556. »22. On myös esitetty monitekijäiseen etiologiaan pohjaava malli, jossa hampaiden puuttuminen, koon vaihtelu ja ylilukuiset hampaat sijoittuvat ns. kvasijatkuvalle akselille «Brook AH. A unifying aetiological explanation for anomalies of human tooth number and size. Arch Oral Biol 1984; 29: 373-378. »15.

Hammaspuutosten perinnöllisten syiden tunnistaminen

Etsittäessä hammaspuutoksen taustalla olevaa geenivirhettä, on käytettävissä tilanteesta riippuen erilaisia lähestymistapoja «»1. Tutkimus voi kohdistua suoraan ns. kandidaattigeeneihin tai voidaan suorittaa koko perimän kattava etsintä ("perimän kartoitus"). Tutkimuksessa voidaan käyttää geneettistä analyysiä tai kohdegeenin emäsjärjestyksen selvittämistä eli sekvensointia.

Kandidaattigeenit ovat niitä, joissa jo tunnetaan hammaspuutoksia aiheuttavia geenivirheitä, tai sellaisia, jotka tiedetään kiinnostaviksi eläinmallien, esimerkiksi poistogeenisten hiirten, ilmiasujen perusteella. Nykyisin tunnetaan jo kymmeniä hiirimutantteja, joiden hampaiden kehityksessä esiintyy eriasteisia poikkeamia (Gene expression in tooth, http://bite-it.helsinki.fi). Tutkittaessa kandidaattigeeniä geneettisellä analyysillä pyritään selvittämään, voiko ilmiasun aiheuttava geenivirhe sijaita tutkittavassa kandidaattigeenissä tai sen läheisyydessä. Väestötasolla voidaan käyttää ns. assosiaatioanalyysiä, jossa tutkitaan esiintyykö jokin tietyn geenin alleeli, haplotyyppi (kromosomin tietty muoto) tai näiden muodostama genotyyppi useammin potilailla kuin terveillä verrokeilla. Suvussa esiintyvää puutosta tutkittaessa on kytkentäanalyysi tehokas menetelmä kandidaattigeenien osuuden selvittämiseksi. Sairaille sukulaisille on periydyttävä sama kromosomimuoto ao. geenin sisältävältä perimän alueelta. Kromosomien eri muodot tunnistetaan selvittämällä eri polymorfismien alleelit tutkittavien ihmisten DNA:sta. Usein käytettävissä on kuitenkin suppeampi aineisto, usein vain yhden potilaan näyte, jolloin joudutaan tyytymään emäsjärjestykseen kohdistuvaan tutkimukseen. Käytännön syistä se kohdistuu usein vain eksoneihin, joissa sijaitsevat proteiinia koodaavat alueet. Ilmiasun aiheuttava geenivirhe voi kuitenkin sijaita myös näiden alueiden ulkopuolella, jolloin se vaikuttaa geenin luennan häiriytymisen kautta. Nykytiedon mukaan geenien luentaa säätelevät alueet voivat sijaita hyvinkin kaukana itse proteiinia koodaavasta alueesta.

Mikäli käytettävissä on kohtuullisen laaja perheaineisto, yleensä yli kymmenen samaan sukuun kuuluvan sairaan henkilön näytteet, voidaan geenivirhettä etsiä koko perimän kattavalla kytkentäanalyysillä. Tällöin etsitään perimän alueita, joiden jokin kromosomimuoto periytyy yhdessä ilmiasun kanssa. Esimerkiksi oligodontiaa aiheuttavan AXIN2-geenin mutaation tunnistaminen suomalaisessa suvussa tapahtui perimänlaajuisen kytkentäanalyysin avulla «Lammi L, Arte S, Somer M, Jarvinen H, Lahermo P, Thesleff I, Pirinen S, Nieminen P. Mutations in AXIN2 Cause Familial Tooth Agenesis and Predispose to Colorectal Cancer. Am J Hum Genet 2004; 74: 1043-»23. Sukua tutkittaessa käytettiin ensin kytkentäanalyysiä sulkemaan pois otollisimmat kandidaattigeenit. Sen jälkeen suoritettiin perimän kartoitus yhdessä Suomen genomikeskuksen kanssa ja tämän perusteella tarkempi kartoitus tulosten osoittamalla kromosomi 17:n alueella. Kartoituksen rajaamalla alueella sijaitsevan AXIN2-geenin emäsjärjestyksen selvittäminen sekvensoimalla johti kaikilla suvun sairailla jäsenillä olevan yhden emäsparin muutoksen tunnistamiseen.

Perimänlaajuinen etsintä voidaan tehdä myös assosiaatiomenetelmää käyttäen. Siinä tutkitaan verrokkeja ja potilasjoukkoa, joiden ei tarvitse olla keskenään sukulaisia. Pyrkimyksenä on löytää sellaisia perimän alueita, joilla tietyt kromosomimuodot esiintyvät tavallista useammin sairailla, tai jos sukulaisia on käytettävissä, selvittää, periytyvätkö tietyt muodot useammin sairaille kuin terveille. Assosiaatioanalyysiä on käytetty lukuisten monitekijäisten tautien tutkimuksessa, mutta hammaspuutosten kohdalla sitä on toistaiseksi käytetty vain kandidaattigeenien osuuden selvittelyyn. Perimänlaajuinen assosiaatioanalyysi on tullut mahdolliseksi DNA-siru -teknologian avulla.

Hammaspuutoksia aiheuttavat geenivirheet

Hammaspuutoksia esiintyy useissa oireyhtymissä, joita aiheuttavat geenivirheet tunnetaan. Näitä ovat mm. useat ektodermaaliset dysplasiat, suun ja suulaen halkioita aiheuttava van der Wouden oireyhtymä ja Riegerin oireyhtymä (3). Oireyhtymiin liittyvät hammaspuutokset voivat olla kullekin oireyhtymälle tunnusomaisia tai ne voivat muistuttaa väestössä erillisinä esiintyviä hammaspuutoksia. Esimerkiksi anhidroottisille ektodermaalisille dysplasioille on tyypillistä laaja-alainen puutos, joka kohdistuu sekä maito- että pysyviin hampaisiin ja aiheuttaa myös hampaiden muodon pelkistymisen. Ilmiasujen samankaltaisuus johtuu sitä, että niiden taustalla ovat samaan solujen väliseen ns. EDA-viestintäreittiin osallistuvien geenien virheet. Riegerin oireyhtymässä puuttuvat yleensä erityisesti yläleuan etuhampaat ja myös maitohampaat. Toisaalta esimerkiksi van der Wouden oireyhtymässä tai diastrofisessa dysplasiassa useimmin puuttuvia ovat toiset välihampaat ja yläleuan toiset etuhampaat kuten väestössä yleisemminkin.

Ensimmäinen ainoastaan hampaisiin kohdistuva geenivirhe kuvattiin vuonna 1996 MSX1-geenissä «Vastardis H, Karimbux N, Guthua SW, Seidman JG, Seidman CE. A human MSX1 homeodomain missense mutation causes selective tooth agenesis. Nat Genet 1996; 13: 417-421. »24. Tämä yhden aminohapon muutokseen johtava geenivirhe aiheutti vallitsevasti periytyvän oligodontian, jossa sairailta suvun jäseniltä puuttuivat kaikki toiset välihampaat ja viisaudenhampaat sekä vaihtelevasti muita hampaita. Vuonna 2000 kuvattiin yhden emäsparin insertio PAX9-geenissä perheessä, jossa erityisesti pysyvien poskihampaiden laaja-alainen puutos periytyi vallitsevasti «Stockton DW, Das P, Goldenberg M, D'Souza RN, Patel PI. Mutation of PAX9 is associated with oligodontia. Nat Genet 2000; 24: 18-19. »25. Sittemmin on kummassakin geenissä kuvattu useita geenivirheitä «Nieminen P, Kotilainen J, Aalto Y, Knuutila S, Pirinen S, Thesleff I. MSX1 Gene is Deleted in Wolf-Hirschhorn Syndrome Patients with Oligodontia. J Dent Res 2003; 82: 1013-1017. »26, «Lammi L, Halonen K, Pirinen S, Thesleff I, Arte S, Nieminen P. A missense mutation in PAX9 in a family with distinct phenotype of oligodontia. Eur J Hum Genet 2003; 11: 866-871. »27, «Jumlongras D, Lin JY, Chapra A, Seidman CE, Seidman JG, Maas RL, Olsen BR. A novel missense mutation in the paired domain of PAX9 causes non-syndromic oligodontia. Hum Genet 2004; 114: 242-249. »28, jotka aiheuttavat vallitsevasti periytyviä oligodontioita ja olennaisesti muistuttavat ensimmäisten tunnistettujen mutaatioiden aiheuttamia ilmiasuja «»2, «MSX1, PAX9 ja AXIN2-mutaatioihin liittyvät hammaspuutokset. »1. Kaikissa tapauksissa geenivirhe ilmeisesti estää toisen geenikopion toiminnan, jolloin ilmiasu syntyy toimivan proteiinin määrän pienentyessä puoleen normaalista (ns. haploinsuffisienssi).

MSX1 ja PAX9 ovat kumpikin transkriptiotekijöitä, joiden ajatellaan säätelevän kohdegeenien luentaa eli transkriptiota sitoutumalla DNA:ssa oleviin sitoutumiskohtiin. MSX1 kuuluu ns. homeoboksi-geeneihin, joissa DNA:han sitoutumisesta vastaa evoluutiossa säilynyt proteiinijakso, ns. homeoboksi. On mahdollista, että homeoboksi välittää myös proteiinien välistä sitoutumista. PAX9:ssä DNA:han sitoutuu puolestaan ns. paired-alue, joka myös on evoluutiossa säilynyt proteiinijakso. Muutamia poikkeuksia lukuun ottamatta löydetyt mutaatiot kohdistuvat eri tavoin homeoboksiin tai paired-alueeseen «»2. Molemmat geenit ilmentyvät hammasta muodostavassa mesenkyymissä ja niiden otaksutaan olevan tärkeitä mesenkyymin omaksuessa kyvyn ohjata hampaan kehitystä. Hiiressä Msx1:n tai Pax9:n poistaminen aiheuttaa kaikkien hampaiden puuttumisen ja suulakihalkion sekä eräitä muita kehityshäiriöitä. Hampaiden kehitys pysähtyy silmuvaiheeseen, ja tähän liittyy hermostopienasta peräisin olevien mesenkyymisolujen tiivistymisen estyminen hampaan epiteelisilmun läheisyydessä sekä mesenkyymisolujen kyvyttömyys vastaanottaa tai toteuttaa epiteelin lähettämiä BMP- ja/tai FGF-viestejä.

Hiiressä vain toisen geenikopion poistaminen ei aiheuta lainkaan kehityshäiriöitä, joten ne eivät suoraan tarjoa selitystä ihmisellä esiintyvien heterotsygoottisten tilojen patogeneesille. Vastaava tilanne on Riegerin ja EEC-oireyhtymiä aiheuttavien PITX2- ja TP63-geenivirheiden kohdalla: kehityshäiriöiden syntyminen hiirelle edellyttää näiden transkriptiotekijägeenien poistamista kokonaan. Voidaan kuitenkin olettaa, että ihmisillä vain toisen geenikopion tuottaessa normaalia proteiinia ilmiasut syntyvät tiettyjen määrällisten puutteiden seurauksena. Todennäköisesti puutokset syntyvät, koska hammaskehitykseen ohjataan liian vähän soluja tai siihen osallistuvat solut jakautuvat tavallista heikommin. Monissa tapauksissa tähän johtanee solujen välisen viestityksen vaimentuminen.

MSX1-mutaatioihin liittyy yhteisenä piirteenä toisten välihampaiden ja kolmansien poskihampaiden puuttuminen, ja yleensä myös joidenkin etuhampaiden puutos «MSX1, PAX9 ja AXIN2-mutaatioihin liittyvät hammaspuutokset. »1, «»3A. Siten voidaan tulkita, että MSX1-mutaatiot vaikuttavat kaikkiin hammasryhmiin ja aiheuttavat häiriöitä viimeisenä muodostuvien hampaiden kehityksessä. Etualueen hampaiden kehitys saattaa kuitenkin olla vähemmän herkkä MSX1-annoksen pienentymiselle, jolloin etuhampaiden puuttuminen on satunnaista. PAX9-mutaatiot poikkeavat edellisistä siten, että erityisesti poskihampaat ovat alttiit puutoksille «MSX1, PAX9 ja AXIN2-mutaatioihin liittyvät hammaspuutokset. »1, «»3B. Koska PAX9 on olennainen MSX1:n ilmentymisen ylläpidolle hiiren hammasmesenkyymissä «Peters H, Neubuser A, Kratochwil K, Balling R. Pax9-deficient mice lack pharyngeal pouch derivatives and teeth and exhibit craniofacial and limb abnormalities. Genes Dev 1998; 12: 2735-2747. »29, on mahdollista, että osa PAX9-mutaatioiden aiheuttamista hammaspuutoksista johtuu MSX1:n vajauksesta. Yhden aminohapon vaihtumisen aiheuttavat mutaatiot PAX9:ssä näyttävät yleensä aiheuttavan lähes MSX1-mutaatioiden kaltaisen ilmiasun, mutta voimakkaampien mutaatioiden yhteydessä (koko geenin deleetiot ja proteiinin lukukehyksen katkaisevat mutaatiot) lähes poikkeuksetta toisten välihampaiden ja ensimmäisten poskihampaiden puuttumiseen liittyy myös näitä taaempana olevien hampaiden puuttuminen «Lammi L, Halonen K, Pirinen S, Thesleff I, Arte S, Nieminen P. A missense mutation in PAX9 in a family with distinct phenotype of oligodontia. Eur J Hum Genet 2003; 11: 866-871. »27.

Kolmas tunnettu geeni, jossa esiintyvät geenivirheet aiheuttavat erillisenä esiintyvän hammaspuutoksen, on AXIN2, Wnt-viestireitin solunsisäinen säätelijä. Kuten edellä kuvattiin, AXIN2:n geenivirhe löydettiin suomalaisessa suvussa, jossa yhdellätoista suvun jäsenellä on laaja-alainen hammaspuutos «Lammi L, Arte S, Somer M, Jarvinen H, Lahermo P, Thesleff I, Pirinen S, Nieminen P. Mutations in AXIN2 Cause Familial Tooth Agenesis and Predispose to Colorectal Cancer. Am J Hum Genet 2004; 74: 1043-»23 «»3C. Kahdella sairaalla oli kehittynyt vain kolme pysyvää hammasta, keskimmäiset yläetuhampaat ja joko toinen alaleuan ensimmäisistä välihampaista tai ulommista etuhampaista. Lievimmässä puutoksessa potilaalta puuttui viisaudenhampaiden ohella neljä muuta pysyvää hammasta. Pysyvien hampaiden laaja-alaisista puutoksista huolimatta vain yhdellä sairaista voitiin todeta maitohampaiden puutoksia. Muiden DNA-näytteiden tutkimus paljasti toisen AXIN2-geenivirheen potilaalla, jolla myös oli laaja-alainen pysyvien hampaiden puutos «»4A. Erityisen kiinnostavaksi AXIN2-geenivirheiden löytämisen teki se, että useimmilla hammaspuutospotilailla todettiin myös paksusuolisyöpä tai sen esiaste.

Edellä kuvatut MSX1:n, PAX9:n ja AXIN2:n geenivirheet, jotka kahta de novo -mutaatiota lukuun ottamatta ovat aiheuttaneet vallitsevasti periytyvän ilmiasun, edustavat vain pientä osaa kaikista tutkituista oligodontiatapauksista. Suurimmalla osalla tutkituista tapauksista - osa näistä vallitsevasti periytyviä - ei näistä geeneistä ole löydetty mutaatioita. Koska mutaatiohaut ovat pääasiassa kohdistuneet geenien proteiinia koodaaviin alueisiin, on mahdollista, että mutaatioita löydetään tulevaisuudessa ao. geenien toimintaa säätelevistä kohdista. Todennäköisesti oligodontiaa aiheuttavia geenivirheitä on etsittävä myös muista geeneistä. Siten oligodontian geneettinen tausta on osoittautunut erittäin heterogeeniseksi sisältäen sekä geeniheterogeenisyyttä että alleelista heterogeenisyyttä.

Oligodontiasuvuissa samaan geenivirheeseen liittyvät ilmiasut vaihtelevat potilaasta toiseen. Joissakin raporteissa on myös kuvattu muodostuneiden hampaiden olevan keskimääräistä pienempiä. Tämä ilmiasun vaihtelu, joka on ominaista myös monille muille yhden geenivirheen aiheuttamille kehityshäiriöille esimerkkinä vaikkapa kraniosynostoosioireyhtymät, voi johtua joko muista geneettisistä tekijöistä, epigeneettisistä syistä tai ulkoisista tekijöistä.

Yhteistä toistaiseksi tunnistetuille hammaspuutoksia aiheuttaville geenivirheille on se, että ne kohdistuvat kehitystä sääteleviin geeneihin, usein transkriptiotekijöihin, mutta myös solujen väliseen viestintään osallistuviin geeneihin. Hammasluun tai kiilteen rakenneproteiinien geenivirheet eivät yleensä johda hampaiden synnynnäiseen puuttumiseen.

Wnt-viestireitti kehityksessä ja syövän synnyssä

Wnt-viestintä perustuu pääasiassa solunsisäisen ß-kateniini-proteiinin määrän ja sijainnin säätelyyn «Reya T, Clevers H. Wnt signalling in stem cells and cancer. Nature 2005; 434: 843-850. »30. ß-kateniini osallistuu soluadheesion välittämiseen solun tukirankaan ja toisaalta toimii tumassa geenien luennan säätelijänä «»4B, C. ß-kateniinin pääsyä tumaan rajoittaa sen sitoutuminen solulimassa proteiinikompleksiin, jonka vaikutuksesta se fosforyloidaan ja ohjataan hajotusprosessiin. Tämän proteiinikompleksin tärkeimpiä osia ovat AXIN1 ja AXIN2, APC (adenomatosis polyposis coli) sekä fosforylaatioentsyymi GSK3 ß (glykogeenisyntaasikinaasi-3 ß). Solunulkoisen Wnt-viestimolekyylin sitoutuminen solukalvolla reseptoriinsa estää ß-kateniinia hajottavan kompleksin toimintaa, jolloin ß-kateniinin pitoisuus solussa ja tumassa kasvaa. Tumassa ß-kateniini muodostaa yhdessä DNA:han sitoutumaan kykenevien TCF-proteiinien kanssa aktiivisen geenien luentaa edistävän transkriptiotekijän.

Hammaspuutosten ja syöpäalttiuden yllättävä yhteys on mahdollinen, koska yksilönkehityksessä käytetään samoja solujen kasvun säätelyn ja niiden vuorovaikutuksen mekanismeja kuin kudosten uusiutumisessa myöhemmällä iällä. Wnt-viestintä on keskeinen molemmille. ß-kateniinin pitoisuuden säätelyyn kohdistuvat mutaatiot ovat tunnettuja syövän aiheuttajia. Kasvurajoitegeeni APC:n perinnölliset mutaatiot aiheuttavat niin sanotun polypoottisen paksusuolisyövän (familiaalinen adenomatoottinen polypoosi, FAP), ja valtaosassa ei-perinnöllisiäkin paksusuolikasvaimia APC-geeni on vahingoittunut. APC:n, ß-kateniinin ja muiden Wnt-viestireitin geenien mutaatioita havaitaan myös suuressa osassa muita syöpäkasvaimia ja oletetaan, että kontrolloimaton ß-kateniinin yliannos on olennainen osatekijä karsinogeneesissä «Reya T, Clevers H. Wnt signalling in stem cells and cancer. Nature 2005; 434: 843-850. »30. Myös AXIN2:n mutaatioita on havaittu syöpäkasvaimista. AXIN2:ta pidetäänkin kasvurajoitegeeninä.

Wnt-viestintä on välttämätöntä hampaiden kehitykselle, sillä hiirillä, joilta on poistettu viestiä välittävä TCF-perheen geeni Lef1 tai joilla Wnt-viesti pysäytetään solun ulkopuolella antagonisti DKK1:n avulla, hampaiden kehitys pysähtyy silmuvaiheessa tai aiemmin «van Genderen C, Okamura RM, Farinas I, Quo RG, Parslow TG, Bruhn L, Grosschedl R. Development of several organs that require inductive epithelial-mesenchymal interactions is impaired in LEF-1-deficien»31, «Andl T, Reddy ST, Gaddapara T, Millar SE. WNT signals are required for the initiation of hair follicle development. Dev Cell 2002; 2: 643-653. »32. AXIN2:n mutaatiot oletettavasti johtavat liian voimakkaaseen Wnt-viestintään. Tämä osoittaa, että myös liian voimakas viesti voi olla kehitykselle haitallinen. AXIN2:n ilmentymistä säädellään Wnt-viestin avulla, ja sillä voi olla erityinen tehtävä toimia solujen vastaanottaman Wnt-viestin vaimentajana, ts. negatiivisen säätelysilmukan toteuttajana «»4C. Koska AXIN2-puutoksen vaikutus näyttää kohdistuvan pääasiassa pysyviin hampaisiin, on mahdollista, että liian voimakas tai kauan jatkuva viesti hampaiden kehityksen tietyssä vaiheessa vahingoittaa pysyvien hampaiden alkukehitystä. On esimerkiksi mahdollista, että viestintää täytyy rajoittaa riittävän suuren solukon varaamiseksi pysyvien hampaiden aiheita varten. Karvojen ja suolinukan uusiutumiseen osallistuvien kantasolujen toiminnan säätelyssä Wnt-viestintä on olennainen. Myös hampaiden uusiutuminen, so. pysyvien hampaiden kehitys, saattaa perustua kantasolujen käyttöön «Huysseune A, Thesleff I. Continuous tooth replacement: the possible involvement of epithelial stem cells. Bioessays 2004; 26: 665-671. »33.

AXIN2-geenin poistaminen hiiressä aiheuttaa hyvin lievän ilmiasun «Yu HM, Jerchow B, Sheu TJ, Liu B, Costantini F, Puzas JE, Birchmeier W, Hsu W. The role of Axin2 in calvarial morphogenesis and craniosynostosis. Development 2005; 132: 1995-2005. »34. Poistogeenisessä hiiressä otsasauma sulkeutuu liian aikaisin. Tämä johtunee hermostopienasta lähtöisin olevien luuta muodostavien solujen nopeammasta jakautumisesta ja suuremmasta kyvystä erilaistua osteoblasteiksi. Samanlainen taipumus saattaa olla ihmisen alveoliluuta muodostavilla soluilla, jolloin pysyvien hampaiden puutos voisi johtua hampaiden ja luun kehityksen vuorovaikutuksen häiriöstä.

APC-geenin mutaatioiden aiheuttamaan perinnölliseen paksusuolisyöpään liittyy usein leukojen osteoomia ja viidenneksellä potilaita havaitaan myös ylimääräisiä hampaita «Wolf J, Järvinen HJ, Hietanen J. Gardner's dento-maxillary stigmas in patients with familial adenomatosis coli. Br J Oral Maxillofac Surg 1986; 24: 410-416. »35. Ylilukuisten hampaiden syntytavasta ei ole olemassa tietoa. APC- ja AXIN2-geenien mutaatioiden aiheuttamat päinvastaiset ilmiasut johtunevat siitä, että mutaatiot vaikuttavat eri aikoihin ja eri prosesseihin. ß-kateniinin pitoisuuden säätelyssä AXIN:ien määrän vaihtelu on huomattavasti kriittisempi kuin APC:n «Lee E, Salic A, Kruger R, Heinrich R, Kirschner MW. The Roles of APC and Axin Derived from Experimental and Theoretical Analysis of the Wnt Pathway. PLoS Biology 2003; 1: E10. »36. Oletetaan, että paksusuolisyövän synty edellyttää myös toisen APC-geenikopion vioittumista. Siten voidaan olettaa, että myös muiden FAP:iin liittyvien oireiden, kuten osteoomien ja ylilukuisten hampaiden, synty edellyttää varhaiskehityksen jälkeen tapahtuvia lisämutaatioita.

Hammaspuutokset ja syöpä

Missä määrin syöpäalttius voidaan yleistää koskemaan hammaspuutoksia yleensä? Voidaanko hammaspuutoksen esiintymistä pitää syöpäalttiuden osoittajana? Hammaspuutokset voivat tämänhetkisen tiedon perusteella johtua varsin monista ulkoisista tai perinnöllisistä syistä, jolloin puutokset syntyvät erilaisten hampaiston kehityksessä vaikuttavien mekanismien kautta. Siten on epätodennäköistä, että suurimpaan osaan hammaspuutostapauksista liittyisi lisääntynyttä syöpäaltistusta, ja tällöinkin alttiusepäily kohdistuu pääasiassa laaja-alaisiin hammaspuutoksiin.

Toisaalta toistaiseksi vain pieni osa hammaspuutosten syistä tunnetaan. Tutkimistamme oligodontiapotilaista alle 10 prosentissa olemme tunnistaneet geenivirheen. Siten on mahdollista, että hammaspuutoksen aiheuttajiksi paljastuu uusia geenejä, joiden aiheuttama patogeneesi perustuu samanlaiseen mekanismiin kuin AXIN2:lla tai jotka osallistuvat Wnt-viestireitin säätelyyn. On myös huomattava, että merkittävä osa syövän perinnöllisyydestä saattaa perustua ns. pienen ilmenemisyleisyyden (penetranssin) alleeleihin. Monet hampaiden kehitykseen vaikuttavat geenit, kuten MSX1 ja MSX2, ovat Wnt-viestinnän kohdegeenejä syöpäsoluissa. Toisaalta homeoboksi-geenien, kuten MSX1, osuuteen syövän etiologiassa on kiinnitetty kasvavaa huomiota «Abate-Shen C. Deregulated homeobox gene expression in cancer: cause or consequence? Nat Rev Cancer 2002; 2: 777-785. »37.

Haasteena hypodontian perinnöllisen taustan selvittäminen

Eräitä oireyhtymiä lukuun ottamatta toistaiseksi on tunnistettu vain laaja-alaisia hammaspuutoksia aiheuttavia geenivirheitä. Väestössä yleisten, lievien hammaspuutosten taustalla olevat geneettiset tekijät ovat vielä tuntemattomia. Pyrkimykset hypodontiaa aiheuttavien geenien tunnistamiseksi ovat johtaneet lähinnä tunnettujen geenien osuuden poissulkemiseen tai heikkojen assosiaatioiden havaitsemiseen «Nieminen P, Arte S, Pirinen S, Peltonen L, Thesleff I. Gene defect in hypodontia - exclusion of MSX1 and MSX2 as candidate genes. Hum Genet 1995; 96: 305-308. »38, «Arte S, Nieminen P, Pirinen S, Thesleff I, Peltonen L. Gene defect in hypodontia: exclusion of EGF, EGFR, and FGF-3 as candidate genes. J Dent Res 1996; 75: 1346-1352. »39, «Vieira AR, Meira R, Modesto A, Murray JC. MSX1, PAX9, and TGFA contribute to tooth agenesis in humans. J Dent Res 2004; 83: 723-727. »40. Ilmeisenä vaikeutena hypodontian kohdalla on sitä aiheuttavien perinnöllisten tekijöiden ilmeisen suuri määrä ja toisaalta tietyn geenivirheen aiheuttamien ilmiasujen suuri vaihtelu.

Oligodontiaa aiheuttavien mutaatioiden patogeneesi, ilmiasun syntyminen tietyn geenituotteen pienentyneen määrän seurauksena, tukee ajatusta, että samat geenit voisivat olla myös lievien puutosten taustalla. Oligodontiaa tai oireyhtymiä aiheuttavat mutaatiot (tai oikeammin näiden tuloksena syntyneet alleelit) ovat "voimakkaita" ja tuhoavat toisen geenikopion toiminnan lähes kokonaan. Hypodontian taustalla voisivat olla samojen geenien sellaiset sekvenssimuutokset, jotka aiheuttavat lievemmän vähennyksen geenituotteen määrässä tai toiminnassa. Tällaiset "heikot" mutaatiot tai alleelit voivat olla väestössä kohtuullisen yleisiä. Kymmenien erilaisten - heikkojen tai voimakkaiden - alleelien olemassaolo selittäisi sekä monet tapaukset, joissa hypodontia periytyy vallitsevasti, sen pienentyneen ilmenemisyleisyyden ja ilmiasun vaihtelun «Grahnen H. Hypodontia in the permanent dentition. Odont Revy 1956; 7 (Suppl 3):1-100. »1, «Arte S, Nieminen P, Apajalahti S, Haavikko K, Thesleff I, Pirinen S. Characteristics of incisor-premolar hypodontia in families. J Dent Res 2001; 80: 1445-1450. »7 että tapaukset, joissa hypodontia tai oligodontia näyttää olevan satunnainen tai periytyvän väistyvästi tai joissa oligodontiapotilaiden sukulaisilla esiintyy vain lieviä ilmiasuja «Schalk-van der Weide Y. Oligodontia. A clinical, radiographic and genetic evaluation. Väitöskirja. Rijksuniversiteit. Utrecht 1992. »4, «Pirinen S, Kentala A, Nieminen P, Varilo T, Thesleff I, Arte S. Recessively inherited lower incisor hypodontia. J Med Genet 2001; 38: 551-556. »22.

Millaisia vaatimuksia hammaspuutosten etiologian ja geenitaustan heterogeenisyys asettaa lieviä ja ei-vallitsevasti periytyviä hammaspuutoksia aiheuttavien geenivirheiden tunnistamiselle? Geneettisiä, so. kytkentään tai assosiaatioon perustuvia menetelmiä käytettäessä se vaatii suurempien aineistojen käyttöä tilastollisen merkitsevyyden saavuttamiseksi. Aineistojen valitseminen tiukkojen ilmiasuun kohdistuvien kriteerien mukaan voi auttaa rajallisesti, mutta toisaalta tekee niiden kokoamisen hankalammaksi. Eräs suoraviivainen tapa on etsiä sukuja, joissa kohtuullisen yhtenäinen ilmiasu (esim. samojen hampaiden puutoksia) uskottavasti periytyy vallitsevasti ja yleisesti ilmeten (penetrantisti) «»1B. Runsaan kymmenen potilaan DNA-näytteiden avulla voidaan perimän kartoitukselta odottaa merkitseviä tuloksia. Mitä useampia sairaita suvussa on, sitä merkitsevämpi tulos saadaan. Toisaalta se myös auttaa pienentämään kartoituksen rajaamaa perimän aluetta siten, että sen sisältämien geenien mutaatioanalyysi tulee mielekkääksi. Toisaalta kompastuskivenä voi olla se, että mitä suurempi suku on, sitä todennäköisemmin puutosten taustalla on useampia geenivirheitä. Assosiaatiomenetelmissä sekä alleelinen että geneettinen heterogeenisyys useimmiten ratkaisevasti pienentävät tulosten tilastollista merkitsevyyttä. Merkitsevien tulosten saamiseksi aineistojen tulisi koostua useista sadoista potilaista ja verrokeista tai vaihtoehtoisesti samanlainen tulos pitäisi saada useissa eri tutkimuksissa. Heterogeenisyyden aiheuttamaa hankaluutta voi vähentää tutkimus väestöissä, joiden oletetaan olevan geneettisesti keskimääräistä homogeenisempia.

Lopuksi

Hampaistopuutosten geenitaustan selvittäminen on osin perustutkimusta, joka antaa tietoa hampaiston ja leukojen biologiasta. Siten se luo perustaa potilastyön, so. diagnostiikan ja uusien hoitomuotojen, kehittämiselle. Hampaistossa esiintyvän vaihtelun molekyyligenetiikan ymmärtäminen voi tulevaisuudessa olla merkittävä tekijä ihmisen ja muiden selkärenkaisten evoluution tutkimuksessa ja se tulee edelleen tuomaan uutta tietoa yksilön kehityksen yleisistä mekanismeista. Toisaalta AXIN2-geenivirheiden tunnistaminen osoittaa, kuinka joskus alun perin perustutkimuksena aloitettu tutkimus johtaa kliiniseltä kannalta tärkeisiin havaintoihin. Erityisesti laaja-alaisten ja perinnöllisten tapausten kohdalla geenitaustan selvittäminen kuuluukin hyvään potilastyöhön, koska siten saadaan tieto puutosten etiologiasta ja mahdollisesta periytyvyydestä.

Hammaspuutosten perinnöllisen taustan tutkimus on toistaiseksi johtanut lähinnä laaja-alaisia hammaspuutoksia aiheuttavien geenivirheiden tunnistamiseen. Tulokset osoittavat, että hammaspuutoksia voivat aiheuttaa virheet kymmenissä eri geeneissä, jotka osallistuvat hampaiden kehityksen molekulaariseen säätelyyn. Geenivirheiden aiheuttamat ilmiasut voivat olla kullekin geenille tai virheelle tyypillisiä. Toisaalta ilmiasujen vaihtelu osoittaa, että yksittäisen potilaan hammaspuutoksen muodostumiseen vaikuttavat aina myös muu perinnöllinen tausta sekä epigeneettiset ja ulkoiset tekijät.

Havainto hammaspuutosten ja syöpäalttiuden syntymisestä saman geenivirheen seurauksena avaa kysymyksen, onko hammaspuutoksilla ja syöpäalttiudella laajempi yhteys. Tämän yhteyden perustana voi olla samojen mekanismien käyttö kehityksessä ja kudosten uusiutumisessa. Havainto kannustaa selvittämään syöpäalttiuden ja hammaspuutosten yhteyttä väestötasolla ja toisaalta kannustaa kaventamaan aukkoa, jonka toistaiseksi tuntemattomat hammaspuutoksia aiheuttavat geenit muodostavat. Erityisen haasteen tässä suhteessa muodostaa lieviä hammaspuutoksia aiheuttavien tekijöiden tunnistaminen.

Fakta: