Úvod do biochemické genetiky Viktor Kožich Ústav dědičných metabolických poruch 1.LF UK a VFN Praha Osnova Cíl kursu o biochemické genetice Základní charakteristika DMP a frekvence v populaci Historie DMP Genetický podklad DMP Základní patogenetické mechanismy DMP malých aýc molekul oe a komplexních pe molekul Klinické projevy DMP
Cíl kursu o DMP Biochemická genetika = DMP genetika biochemie klinická medicína
Kazuistika 1-isovalerová acidurie neprospívání, zvracení opakované poruchy vědomí ketoacidosa zápach zpocených nohou Kazuistika 2-adultní cystinosa http://www.ncbi.nlm.nih.gov/bookshelf/br.fcgi?book=gene&part=ctns
Kazuistika 3- MPS I http://eyepathologist.com/images/kl1771.jpg http://deti.msk.ru/plaxin_egor.jpg http://myweb.lsbu.ac.uk/dirt/museum/margaret/438-1811-2640151.jpg Kazuistika 4-cystinurie http://www.nature.com/ki/journal/v73/n8/images/5002790f1.jpg http://graphics8.nytimes.com/images/2007/08/01/health/adam/17046.jpg
Základní charakteristika DMP Dědičné metabolické poruchy obvykle AR, GR substrát obvykle enzym klinicky variabilní produkt
Klinický obraz DMP-věk http://www.hrr.co.uk/acatalog/crocodile_toddler.jpg http://www.co.shasta.ca.us/html/dss/images/fosterparentingadopt/infant.jpg http://markandrich.googlepages.com/old-woman.jpg/old-woman-full.jpg Klinický obraz DMP-orgány http://universe-review.ca/i10-82-organs.jpg
Klinika ik DMP-(ne)specifita příznaků specifické nespecifické př. NH 3, kys.močová http://gatsome.com/images/iq.gif http://www.saratogaschools.org/academicservices/middleschool http://img.medscape.com/pi/emed/ckb/pediatrics_genetics/941088-943343-507.jpg Klinický obraz-multisystémovost http://www.istockphoto.com/file_thumbview_approve/5982111/2/istockphoto_5982111-human-internal-organs.jpg
Diagnostika DMP substrát produkt DNA/RNA Enzymologie Metabolity Příznaky specifické-např. zápach barva moči nespecifické-např. koma PMR dysmorfie hepato/myopathie další Výskyt DMP novorozenecký screening 1:1000-1:4000 selektivní screening nejméně 1:500-1:1000 frekvence heterozygotů pro DMP nejméně 1:15 zastoupení se liší podle populací vyšší výskyt v imbredních populacích (PKU Turecko, organické acidurie Blízký Východ) tyrosinemie I.typu Quebec aspartylglykosaminurie Finsko lysosomální nemoci Izrael
Výskyt DMP v ČR beta-oxidace a OAU 14% sacharidy 12% puriny/pyrimidiny 3% AMK bez HPA 18% mitochondriální 20% HPA a PKU 13% peroxisomální 4% lysosomální 16% ČR,, 2005, n=127 incidence pro ČR ~ 1:1000 dosud d ~150 různých ů nosologických jednotek Léčba DMP substrát produkt
Historie biochemické genetiky 1857-1936 http://www.historiadelamedicina.org/imagenes/garrod.jpg
Trophîme Bigot, 16.-17.století http://www.thetoque.com/010605/pics/urine.jpg http://images.google.com/imgres?imgurl=http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thum b/8/8c/bigot,_trophime_-_a_doctor_examining_urine.jpg/ 1857 vynalezena pneumatická vrtačka; LP L.Pasteur prokazuje mikrobiální původ ů dkvašení, R.Wirchow popisuje mitózu 1867 dynamit 1874 džíny 1886 automobil 1890 podzemní elektrická dráha= metro 1895 kinematograf 1902 periskop, el.psací stroj; Nobelova cena za přenos malárie 1908 celofán, lampa s wolframovým vláknem; Nobelova cena za imunitu 1936 cívkový magnetofon; Nobelova cena za výzkum neurotransmiterů
Lancet, vol ii, 1902, 1616-1620
Vývoj poznatků o DMP 1908 5 nemocí (alkaptonurie, cystinurie, porfyrie, pentosurie, kongenitální steatorhea) 1909 první učebnice incidence neznámá diagnostika: 4 metabolity v moči léčba žádná cca 1960 cca 40-50 nemocí rozvoj analytických metod incidence id pro PKU PKU první screeningový program (R.Guthrie) PKU je první léčitelná DMP (H.Bickel) 2009 nejméně 500 nemocí Medline 122.797 článků (28/9/2009) učebnice-webováč b incidence nejméně 1:1.000 diagnostika: metabolity, enzymy, DNA screening MS-MS léčba dostupná pro cca 1/3 nemocí Historie biochemické genetiky v ČR screening PKU uzákoněn ě 1975-Doc.Blehová, Prof.Hyánek, Ing.Mrskoš rozvoj oj diagnostiky ostatních DMP-vůdčí osobnost Prof.Hyánek pracoviště v Praze, H.Králové, Brně, Olomouci, Ostravě rok 2009: selektivní screening ~ 100 pacientů/rok (incidence 1:1000) novorozenecký screening 10 DMP od 1.10.2009, předpokládaná p incidence 1:4000
První DMP: Alkaptonurie </< td> http://bjo.bmj.com/content/vol83/issue6/images/large/98532.f1.jpeg http://www.scielo.br/img/revistas/rbr/v46n5/a14fig02.jpg http://www.mja.com.au/public/issues/184_12_190606/sha20286_fm-1b.jpg
1859 Boedeker- alkapton v moči 1891 alkapton=homogentisová kys.
http://www.bioinformatics.nl/webportal/background/images/mendelexperiment.gif Garrodův revoluční koncept Chemická individualita je podmíněná geny Existují poruchy této individuality= dědičné metabolické nemoci (inborn errors of metabolism)
Alkaptonurie v roce 2009 mumie HARWA 1500 př.n.l. pacienti známí již před Garrodem 1902 Garrod 1909 popis odbourávání á tyrosinu 1958 prokázán enzymatický defekt 1996 popis p genu 2003 léčba nitisonem </< td> Artróza kyčelního kloubu Postižení chlopní Močové kameny http://bjo.bmj.com/content/vol83/issue6/images/large/98532.f1.jpeg http://www.scielo.br/img/revistas/rbr/v46n5/a14fig02.jpg http://www.mja.com.au/public/issues/184_12_190606/sha20286_fm-1b.jpg
http://www.natuurlijkerwijs.com/english/b4f4ca00.gif Deficit jaterní HGO Výskyt 1:250 000 až 1:1 000 000 Vysoký výskyt Slovensko Pozdní komplikace běžné Dosavadní léčba neúčinná http://ourworld.compuserve.com/homepages/sbrillanti/liver2.jpg
http://en.wikipedia.org/wiki/ Léčba alkaptonurie nitison (NTBC) http://www.natuurlijkerwijs.com/english/b4f4ca00.gif
Genetický podklad DMP
Genetický podklad DMP Monogenní mendelovská dědičnost dědičnost AR dědičnost GR/GD vzácně AD X Mitochondriální dědičnost Epigenetické změny X-inaktivace Epsistase Interakce mutace x prostředí další Typy běžných mutací v DNA
Molekulové dopady mutací Množství proteinu snížené stejné zvýšené Kvalita proteinu změna izolované funkce globální změna všech funkcí misfolding Neproteinové genové produkty sirna 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
Mutace postihují různé domény příklad PAH cytosolový enzym homotetramer BH4 jako kofaktor komplikovaný katalytický mechanismus Erlandsen H and Stevens RC, The Structural Basis of Phenylketonuria. Mol Genet Metab. 1999 Oct; 68(2):103-125. Buněčné dopady mutací (př.cftr) http://student.biology.arizona.edu/honors97/group7/hallick1.gif
Genotyp-fenotyp (M.Gaucher) Fenotyp těžký splenomegalie anemie kostní projevy CNS lehký splenomegalie anemie nejasný http://www.nature.com/embor/journal/v4/n7/thumbs/embor873-f4.gif Hranice zdraví a nemoci klinická manifestace prostředí geny preklinický test genetický test
Léčba DMP- modifikace prostředí klinická manifestace prostředí geny preklinický test genetický test Interakce geny x prostředí (PKU) http://www.pkunews.org/adults/image005.gif
Modifikace nemoci prostředím Současné č genetika není mendelovská klasická genetika 1 gen=1 nemoc 1 gen = více nemocí 1 gen = nemoci s různým ů typem dědičnosti více genů =1 nemoc nutné mutace ve více než 1 genu transgenerační přenos epigenetických značek další a další
genetika je a bude plná překvapení Patofysiologické mechanismy DMP
Patofyziologie prekursor substrát vedl.produkt enzyme transporter produkt Patofyziologie prekursor substrát vedl.produkt Příklady: Phe a Phe-deriváty amoniak cystin u cystinosy cystin u cystinurie mukopolysacharidy
Patofyziologie Příklady: glukosa u GSD ketolátky u poruch beta.oxidace MK plasmalogeny u peroxisom.poruch cystein u deficitu CBS AdoMet u RM ATP u mitochondriálních nemocí produkt Lokální vs. systémové důsledky Lokální dopady-příklady: MPS-kosti a šlachy, slezina, játra, CNS cystinurie-vývodný ý systém
Lokální vs. systémové důsledky Vzdálené dopady-příkladyp poruchy cyklu močoviny- kóma organické acidurie-encefalopathie deficit CBS- thrombosa, porucha pojiva substrát produkt Nemoci malých a velkých molekul
Malé molekuly v biochem. genetice definice: < 1500 Da plyny, anorganické ionty aminokyseliny organické kyseliny sacharidy polyoly jednoduché lipidy puriny, pyrimidiny vitaminy i oligomery: peptidy do cca 5-10 AMK, oligosacharidy cytosol, stroma mitochondrií, krev, moč 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, gy 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 i
Isovalerová acidurie neprospívání, zvracení, Kussmaulovo dýchání porucha vědomí 24-48 hodin od nástupu příznaků je kóma metabolická acidosa, ketonurie zápach zpocených nohou http://images.google.com/imgres?imgurl=http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8b/isovaleric_acid_structure.png Cystinurie http://www.nature.com/ki/journal/v73/n8/images/5002790f1.jpg http://graphics8.nytimes.com/images/2007/08/01/health/adam/17046.jpg
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) 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
Mukopolysacharidosa typ I http://eyepathologist.com/images/kl1771.jpg http://deti.msk.ru/plaxin_egor.jpg http://myweb.lsbu.ac.uk/dirt/museum/margaret/438-1811-2640151.jpg < 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
Patofyziologie DMP substrát <1500 Da vedl.produkt >1500 Da produkt 1 2 3 Klinické projevy DMP
Klinický obraz DMP-věk http://www.hrr.co.uk/acatalog/crocodile_toddler.jpg http://www.co.shasta.ca.us/html/dss/images/fosterparentingadopt/infant.jpg http://markandrich.googlepages.com/old-woman.jpg/old-woman-full.jpg Klinické projevy DMP http://universe-review.ca/i10-82-organs.jpg
Základní situace s dif dg. DMP Malé molekuly akutně ě nemocný novorozenec (opakovaná) ataka dlouhotrvajícího bezvědomí neprospívání kojence Velké molekuly progredující postižení CNS a svalstva dysmorfie obličeje organomegalie (játra, slezina, srdce) 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 hypoglykemie u glykogenos hypoglykemie se sníženou tvorbou ketolátek (poruchy beta-oxidace MK) acidosa, ketonurie a metabolická encefalopathie při hladovění (organické acidurie) respirační alkalosa a encefalopathie (poruchy cyklu močoviny) 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 y červenooranžové-uráty černohnědé při oxidaci-homogentisát modré-indoxalové deriváty zelené-4-oh-butyrát
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 1857-1936 http://www.historiadelamedicina.org/imagenes/garrod.jpg