Úvod do biochemické genetiky

Transkript

1 Úvod do biochemické genetiky Viktor Kožich Ústav dědičných metabolických poruch 1.LF UK a VFN Praha

2 Osnova Biochemická genetika Základní charakteristika DMP a frekvence v populaci Historie DMP Příklad DMP- podrobná charakteristika PKU Genetický podklad DMP Základní patogenetické mechanismy DMP malých molekul a komplexních molekul Klinické projevy DMP

3

4 Biochemická genetika = DMP genetika biochemie klinická medicína

5 Základní charakteristika DMP

6 Dědičné metabolické poruchy Vzácné nemoci (výskyt <1:2000) vzácné nemoci DMP Národní strategie pro vzácná onemocnění na léta (usnesení vlády ČR č. 466 ze dne ) DMP=cca 1/10 vzácných nemocí Cca nosologických jednotek (>1000 genů) Souhrnný výskyt nejméně 1:500 V obvodu každého praktického lékaře jsou nejméně 1-2 pacienti s DMP Cca 30% nemocí je léčitelných (100 nemocí dobře)

7 Dědičné metabolické poruchy obvykle AR, GR substrát obvykle enzym klinicky variabilní produkt

8 Klinický obraz DMP-věk

9 Klinický obraz DMP-orgány

10 Klinika DMP-(ne)specifita příznaků specifické nespecifické př. NH 3, kys.močová

11 Klinický obraz-multisystémovost

12 Diagnostika DMP substrát produkt DNA/RNA Enzymologie Metabolity Příznaky Specifické a nespecifické

13 Výskyt DMP novorozenecký screening (10-30 DMP) 1:800-1:4 000 selektivní screening (cca 800 nemocí) nejméně 1:500-1:1 000 frekvence asymptomatických heterozygotů pro DMP nejméně 1:15 populačně specifické DMP (Finsko, SR, Quebec, Aškenazská židovská populace)

14 Pacienti s prokázanou dg (ÚDMP a KDDL VFN, Praha, za rok ) 817 pacientů

15 Léčba DMP substrát produkt

16 Historie biochemické genetiky

17

18 Trophîme Bigot, století b/8/8c/bigot,_trophime_-_a_doctor_examining_urine.jpg/

19 Lancet, vol ii, 1902,

20 </< td>

21 1859 Boedeker- alkapton v moči 1891 alkapton=homogentisová kys.

22

23

24 Garrodův revoluční koncept Chemická individualita každého člověka je podmíněná geneticky Existují poruchy této individuality= dědičné metabolické nemoci (inborn errors of metabolism)

25 Garrod 1908: 4 DMP kolektiv autorů 2012: cca 800 DMP

26 Historie biochemické genetiky v ČR screening PKU vyhláškou MZ ČSR (Doc.Blehová, Prof.Hyánek, Ing.Mrskoš) rozvoj diagnostiky ostatních DMP-vůdčí osobnost Prof.Hyánek pracoviště v Praze, H.Králové, Brně, Olomouci, Ostravě rozšířený novorozenecký screening pro 10 DMP od incidence 1:4000 Stav 2013: selektivní screening ~ 100 pacientů/rok (incidence 1:1000)

27 Klasická DMP: Fenylketonurie

28

29 PAH

30 PAH Fenylketonurie

31

32

33

34 Neléčená HPA/PKU u nás výskyt cca 1:8 000 mentální retardace poruchy chování epilepsie typický zápach-myšina světlá pigmentace, ekzémy variabilita biochemické a klinické tíže: mírná HPA, PKU maternální HPA poškozuje plod

35 Cíl léčby= snížení Phe k normě

36 Příjem Phe v běžné stravě mg/den Tolerance Phe k udržení hladin Phe <360 umol/l Děti cca mg Phe/d Dospělí mg Phe/d

37 Klasická dietní léčba PKU Prof.Horst Bickel Snížený přívod Phe v přirozené stravě (cca 1/5-1/3 normálního přívodu) Suplementace směsi AMK bez Phe Dodání Tyr

38

39 Roční náklady 200 tis Kč/pacient (v ČR 660 pacientů) Navýšení nákladů pro rodinu cca 3 tis Kč/měsíc 1,3g B/100 ml 60g B/100 g 10g B/125 ml 10g B/sáček 18,2g 32 mg Phe/100 g 2,1 mg Phe/3/4 hrnku 5,6 mg Phe/56 g

40 LNAA v léčbě PKU Koncept: kompetice velkých neutrálních AMK (LNAA) a Phe o transportér na hematoencefalické bariéře Předpokládaný efekt: snížení Phe v mozku Klinická užitečnost je sporná

41 Dyfsunkce enzymu při nedostatku kofaktoru Těžké mutace PAH Lehké mutace PAH Deficit BH4 zátěžový test s BH4

42 Deficitní aktivita enzymu může být způsobena nedostatkem kofaktoru Geneticky podmíněný deficit BH4 (maligní HPA) 1-2% HPA nalezených screeningem Postižena funkce více hydroxylas (Phe, Tyr, Trp) Těžké postižení CNS i při dobré léčbě s nízkým přívodem Phe a nízkými hladinami Phe Nutná substituce prekursorů neurotransmiterů

43

44 Jen včasná léčba je účinná= důvod pro novorozenecký screening PKU

45 Pacienti s DMP Nemoc Selektivní screening (odhad/rok/čr) Pilotní studie ÚDMP ( , n=98 039) ČR X/2010- XII/2012 (n= ) PKU/HPA (15-20) MCAD deficit LCHAD deficit GA I leucinosa VLCAD Ostatní (IVA, CPTI, CACT, CPTII) Celkem

46 Maternální HPA Fetoplacentární kvocient cca 2 I mírná HPA vede k vysokým hladinám Phe u plodu Neléčená mhpa/pku: VVV, mikrocefalie, srdeční vady, PMR Velmi přísná dieta u matky v rámci plánovaného rodičovství) Koncept: interakce matka x plod

47 Genetický podklad DMP

48

49 Geny a lidské nemoci Člověk má cca genů Je známo cca nemocí s genetickou složkou Zodpovědný gen nalezen u nemocí

50 Význam mutací v evoluci Zdroj variability (i když méně významný než meiotická rekombinace a kombinace gamet) Přínosné mutace vznikají vzácně a jsou již obsaženy v genomu Genetické nemoci jsou špičkou ledovce variability genomu

51 Autosomálně recesivní dědičnost DMP Typická pro většinu DMP Pomýšlí se na ní při postižení více sourozenců nebo příbuzenském sňatku RA obvykle nepřispěje k diagose Detekce heterozygotů obtížná na úrovni metabolitů či enzymů

52 X-vázaná dědičnost DMP Méně častý typ dědičnosti u DMP (OTC, Fabry, MPS II..) Typické postižení hemizygotů Cave: heterozygotky mohou být symptomatické při inaktivaci zdravého X- chromosomu (např. 30% nosiček pro mutace v genu OTC je symptomatických, nosičky pro Fabryho nemoc jsou často symptomatické s pozdním a mírným průběhem nemoci) Poradenské dopady

53 Maternální dědičnost Přenos mtdna téměř výhradně v cytoplasmě vajíčka Náhodné rozdělení mutantní a normální mtdna (heteroplasmie) Variabilita klinické tíže u potomků Různý časový nástup, různé orgány Prenatální ani preimplantační diagnostika není možná

54 Genotyp vs.fenotyp Monogenní onemocnění jsou víceméně myšlenkový konstrukt Většina znaků má oligogenní dědičnost (modifikují genetické faktory) Efekty jako X-inaktivace, imprinting, epigenetické změny Kontinuum fenotypů dle lokalizace a efektu mutací

55 Genetika vs. prostředí klinická manifestace prostředí geny preklinický test genetický test úraz PKU nádor vyšetřovaný zdravý

56 Interakce geny x prostředí (PKU)

57 Interakce genotyp X prostředí (dieta) Irene diagnostikovaná 3 dny po porodu Irenina sestra diagnostikovaná pozdě (konec 1.roku života, křeče, PMR) Dcera Irene po úspěšně léčené mhpa

58 Patofysiologické mechanismy DMP

59 Patofyziologie metabolitů u DMP substrát <1500 Da vedl.produkt >1500 Da produkt 1 2 3

60 Patofyziologie prekursor substrát vedl.produkt enzyme transporter produkt

61 Patofyziologie prekursor substrát vedl.produkt Příklady: Phe a Phe-deriváty amoniak cystin u cystinosy cystin u cystinurie mukopolysacharidy

62 Patofyziologie Příklady: glukosa u GSD ketolátky u poruch beta.oxidace MK plasmalogeny u peroxisom.poruch cystein u deficitu CBS Glykoproteiny u CDG ATP u mitochondriálních nemocí produkt

63 Nemoci malých a velkých molekul

64 < 1500 Da > 1500 Da Akutní toxicita ano ne Chronická progrese ± ano Lokalizace cytosol, ECT membrány Strukturální dopady ne ano Diagnostika krev, moč tkáně (moč) Původ exogenní endogenní Léčba dieta, vitaminy úspěšná neúčinná

65 Malé molekuly v biochem. genetice definice: < 1500 Da plyny, anorganické ionty aminokyseliny organické kyseliny sacharidy polyoly jednoduché lipidy puriny, pyrimidiny vitaminy oligomery: peptidy do cca 5-10 AMK, oligosacharidy cytosol, stroma mitochondrií, krev, moč

66 Nemoci malých molekul obvykle závislé na exogenním přísunu manifestace (opakovanou) akutní toxicitou, často s encefalopathií/komatem častá hepatopathie časté odchylky v běžné biochemii-amoniak, ABR, ketolátky, glykemie, kys.močová... vznik symptomů závisí na specifické složce potravy, hladovění, katabolismu možný je i chronický průběh (při nízké toxicitě) obvykle relativně dobře léčitelné dietou a vitaminy

67 Isovalerová acidurie neprospívání, zvracení, Kussmaulovo dýchání porucha vědomí hodin od nástupu příznaků je kóma metabolická acidosa, ketonurie zápach zpocených nohou

68 Cystinurie

69 Velké molekuly v biochem.genetice definice: > 1500 Da glykolipidy sfingolipidy plasmalogeny neutrální polysacharidy (glykogen) mukopolysacharidy (další oligomery: proteiny, nukleové kyseliny...) obvykle asociované s membránami obvykle se nevyskytují ve větších množstvích v tělesných tekutinách ( x MS/MS technologie)

70 Nemoci velkých molekul obvykle rozvoj bez závislosti na exogenním přísunu složek potravy typicky je průběh progresivní (± různě dlouhé bezpříznakové období) možná dysmorfie při porodu časté postižení nervového systému a svalstva organomegalie v důsledku střádání u lysosomálních nemocí obvykle neléčitelné dietou ani vitaminy

71 Mukopolysacharidosa typ I

72 Poruchy glykosylace proteinů Deficit fosfomanomutasy 2 Dědičné mnohočetné exostosy

73 Kategorie DMP-příklady Malá molekula Komplexní molekula Hromadění substrátu Chybění produktu Aminoacidopatie Hyperamonemie Org.acidurie Glykogenosy Poruchy BOX MK Poruchy synthesy kreatinu Lysosomální nemoci CDG syndromy Generalisované peroxisomální nemoci

74 Lokální vs. systémové důsledky Vzdálené dopady-příklady poruchy cyklu močoviny- kóma organické acidurie-encefalopathie deficit CBS- thrombosa, porucha pojiva substrát produkt

75 Lokální vs. systémové důsledky Lokální dopady-příklady: MPS-kosti a šlachy, slezina, játra, CNS cystinurie-vývodný systém

76 Patofyziologie DMP substrát <1500 Da vedl.produkt >1500 Da produkt 1 2 3

77 Klinické projevy DMP

78 Klinický obraz DMP-věk

79 Klinické projevy DMP

80 Základní situace s dif dg. DMP Malé molekuly akutně nemocný novorozenec (opakovaná) ataka dlouhotrvajícího bezvědomí neprospívání kojence Velké molekuly progredující postižení CNS a svalstva dysmorfie obličeje organomegalie (játra, slezina, srdce)

81 Signály možnosti DMP Rodinná anamnesa: konsanguinita, podobný průběh nemoci u příbuzných, neobjasněné úmrtí příbuzných Onemocnění považované původně za běžné neodpovídá na standardní léčbu Multisystémové onemocnění Průběh nemoci ovlivněný zevními faktory/potravou katabolismus hladovění příjem proteinů nebo cukrů (galaktosa, fruktosa) Nevysvětlitelné laboratorní odchylky při běžných vyšetřeních Podklad y- Dr.D.Behulová

82 Potrava a DMP (malé molekuly) (sub) akutní toxicita mléko (laktosa)-hepatopathie sacharosa/fruktosa/sorbitol- hepatopathie a hypoglykemie bílkovinná strava- zvracení, letargie, koma (poruchy cyklu močoviny, organické acidurie) MCT oleje- porucha srdečního rytmu (poruchy beta-oxidace MK) Hladovění a DMP ketotická hypoglykemie u glykogenos hypoglykemie se sníženou tvorbou ketolátek (poruchy betaoxidace MK) metabolické koma (MAc nebo hypermamonemie) při katabolismu/hladovění

83 Abnormální zápach a barva moči zápach (malé těkavé molekuly): zbarvení zpocené nohy-isovalerát karamel/javorový sirup-oxokyseliny vařené zelí-methionin oxid rybina-trimethylamin černý rybíz- některé organické kyseliny myšina-fenylacetát červenooranžové-uráty černohnědé při oxidaci-homogentisát modré-indoxalové deriváty zelené-4-oh-butyrát

84 Běžné laboratorní nálezy u DMP Krev glykemie cholesterol TG kys.močová MAc hyperamonemie, RAlk ALT,AST CK anemie/pancytopenie Moč ketolátky kys.močová krystalurie myoglobinurie

85 in almost all things, that what they contain of useful or applicable is hardly perceived unless we are deprived of them, or they become deranged in some way... William Harvey,