GENETICKÉ CHOROBY Z. Kolář
V DNA lidského genomu je asi 32 tisíc genů, z nich asi 1/5 má nějaký vztah k lidským chorobám. Lidský genom: 23 párů chromozomů, které se dělí podle velikosti do 7 skupin (A G) + 2 genozomy. Centromerou je chromozom rozdělen na krátká (p) a dlouhá (q) raménka. Podle lokalizace centromery rozlišujeme chromozomy metacentrické (uprostřed), akrocentrické (při konci) a telocentrické (úplně na konci).
Bylo zjištěno, že mnohé choroby jsou konstantně provázeny změnami velikosti a tvaru chromozomů, tyto změny se nazývají chromozomální aberace. Typy chromozomálních aberací Při karyologické analýze byly zjištěny 3 základní typy chromozomálního poškození: a) strukturální aberace b) genomové aberace c) sesterské chromatidové výměny
a) Strukturní chromozomální aberace se dělí na: chromatidové aberace (vznikají narušením kontinuity jedné chromatidy) chromozomové aberace (vznikají narušením obou chromatid téhož chromozomu). Kontinuita DNA může být narušena fyzikálními, chemickými nebo virovými faktory (mutageny). Aberace mají typickou morfologii: chromatidový zlom (porušení jedné chromatidy), chromozomový zlom (porušení obou chromatid), delece (ztráta odlomené části chromozomu), fragmentace (rozlámání chromozomu, odlomené části zůstávají v jádře), chromatidová výměna (vzájemná výměna a spojení zlomených částí mezi chromozomy), prstencový chromozom (spojení zlomených míst na p a q ramenech téhož chromozomu), dicentrický nebo tricentrický chromozom (2 nebo tři centromery), reciproká translokace (2 chromozomy si vzájemně vymění odlomené části ramen), Robertsova translokace (splynutí 2 akrocentrických chromozomů) atd. Aberace mohou být stabilní a nestabilní.
b) Genomové aberace = změny počtu chromozomů, které vedou k heteroploidii (buď aneuploidní např. trisomie n+1, monosomie n-1, nebo polyploidní např. triploidie 3n, nebo hypoploidní např. haploidie n). Genomové aberace vznikají často v pohlavních buňkách tzv. nondisjunkcí = nerozdělení chromozomů při dělení pohlavních buněk, nebo poruchou koordinace či reduplikací chromozomů při dělení somatických buněk.
c) Sesterské chromatidové výměny = symetrické výměny v jednom lokusu mezi 2 sesterskými chromatidami téhož chromozomu, která není provázena změnou morfologie chromozomu. SCE vznikají spontánně s frekvencí 5-10/buňku. Ke znázornění SCE se používá harlekýnská technika.
GENETICKÉ REPARAČNÍ SYSTÉMY A JEJICH VÝZNAM V PATOLOGII
Reparační systémy: a) reparace excisí b) postreplikační reparace a) Endonukleázy označí poškozené místo incisí, exonukleázy vyříznou poškozenou část DNA, polymerázy nasyntetizují poškozený úsek, ligázy navážou tento úsek na původní místo. OSOBY VE VĚKU 60-90 LET MAJÍ MINIMÁLNĚ 25 % POKLES SCHOPNOSTI REPAROVAT TÍMTO SYSTÉMEM GENOMICKÉ CHYBY VZHLEDEM K OSOBÁM MLADŠÍM!!! b) Probíhá několik hodin po poškození, molekulární podstata tohoto reparačního systému není dosud zcela jasná.
Reparace excisí U člověka existují některé geneticky podmíněné choroby, které jsou způsobeny poruchami těchto reparačních systémů a které vedou ke zvýšené citlivosti buněk organizmu na poškození zevními mutageny. Jsou to: Bloomův syndrom autosomálně recesivní onemocnění spojené s vysokou náchylností k různým typům karcinomů, hlavně kožních. Fanconiho anémie projevuje se zejména hematologickými poruchami, které nakonec mohou způsobit smrt vykrvácením, dále se objevují různé deformity kostry, hyperpigmentace kůže a výrazně zvýšené riziko vzniku různých karcinomů a leukémií. Xeroderma pigmentosum autosomálně recesivní onemocnění s kožními příznaky poruchy keratinizace a hyperpigmentace v místech vystavených slunci, zvýšený výskyt neurologických abnormit a kožních karcinomů. Ataxia teleangiectatica autosomálně recesivní onemocnění provázené atrofií kůry mozku, očními a kožními změnami = teleangiektázie spojivek a pokožky, extrémně vysokou citlivostí na radiaci, zvýšenou náchylností ke karcinomům, lymfomům a leukémiím.
Reparace excisí Pacienti trpící těmito chorobami a v menší míře též u Cockayanova, Wernerova a Downova syndromu mají ve srovnání se zdravou populací zvýšené množství klasických chromozomálních aberací. Jejich buňky reagují na mutageny vyšším stupněm chromozomálního poškození. Podkladem této zvýšené vnímavosti je geneticky podmíněná porucha a to především restrikčních endonukleáz.
Postreplikační reparace Koncem 70. let byla vyčleněna zvláštní klinická jednotka, která je spojena se zlomem na konci dlouhých ramen chromozomu X (Xq28) tzv. Fragilní chromozom X. Chorobu přenáší matky na syny. V 25 % případů jde o mentální retardaci, ve 100 % případů o hrubé rysy obličeje a makroorchismus po pubertě. Nemoc je primárně vyvolána poruchou postreplikační reparace.
Mutace Mutace je definována jako permanentní změna DNA. Mutace, která postihuje zárodečné buňky, je přenášena do všech buněk organismu a způsobuje vrozené genetické choroby. Mutace, které vznikají v somatických buňkách, způsobují nádory a některé kongenitální malformace.
Klasifikace mutací: Genomové mutace rozumí se ztráta nebo nadbytečnost celých chromosomů (vznik monosomie, trisomie apd.). Chromosomové mutace rozumí se přeskupení genetického materiálu za vzniku viditelných strukturálních změn chromosomů. Genové mutace rozumí se částečná nebo úplná ztráta (delece) celého genu, nebo častěji jen jednotlivé nukleotidové báze. Například jedna báze může být nahrazena jinou (tzv. bodová mutace).
Autosomálně dominantí choroby (neurofibromatóza, tuberosní skleróza, polycystická ledvina, familiární polypóza tračníku, hereditární sferocytóza, Marfanův syndrom, osteogenesis imperfecta, achondroplasie, familiární hypercholesterolemie). Autosomálně recesivní chroroby (cystická fibróza, fenylketonurie, homocystinurie, hemochromatóza, srpková anémie, thalasémie, alkaptonurie, neurogenní muskulární atrofie). Na chromosom X vázané choroby (deficience glukózo-6- fosfát dehydrogenázy).
Biochemická a molekulární podstata chorob s defektem jednoho genu 1) Defekty enzymů a jejich následky 2) Defekty receptorů a transportních systémů 3) Změny struktury, funkce nebo množství produktu genu (myslí se proteinu bez enzymové aktivity) 4) Geneticky podmíněné neočekávané reakce na léky
Choroby související s defekty tzv. strukturálních proteinů Marfanův syndrom Onemocnění pojivových tkání, které se projevuje zejména změnami skeletu, očí a kardiovaskulárního systému. Ehlers-Danlosův syndrom Klinicky a geneticky heterogenní skupina onemocnění vznikající na podkladě defektu syntézy nebo struktury kolagenu. Dalšími onemocněními, která vznikají na podkladě mutace ovlivňující syntézu kolagenu jsou osteogenesis imperfecta, Alportův syndrom, epidermolysis bullosa,
Choroby související s defekty receptorů Familiární hypercholesterolemie Onemocnění, které je primárně způsobeno mutací genu pro receptor lowdensity lipoproteinu (LDL), který se účastní transportu a metabolismu cholesterolu. Poznámka: Bylo popsáno více než 150 mutací (insercí, delecí, missense a nonsense mutací genu pro LDL receptor. Rozdělují se do 5 skupin: 1. skupina vzácné mutace, které vedou ke ztrátě schopnosti syntetizovat receptor pro LDL. 2. skupina časté mutace vedoucí k syntéze defektního receptoru pro LDL, který se akumuluje v endoplasmatickém retikulu, protože nemůže být transportován do Golgiho komplexu. 3. skupina mutace způsobující defekt vazebné domény pro LDL v receptoru. 4. skupina mutace, kódující receptor, který sice může být transportován k buněčnému povrchu, může vázat LDL, avšak není schopen navázaný LDL internalizovat. 5. skupina mutace, které kódují receptor schopný plnit většinu funkcí s výjimkou závěrečné disociace receptoru a navázaného LDL.
Choroby související s defekty enzymů Lysosomal storage diseases (střádavé choroby): Lysosomy obsahují různé typy hydrolytických enzymů. Jejich defekt způsobuje akumulaci nerozpustných meziproduktů v lysosomech (tzv.vrozené střádavé choroby). Lysosomy jsou zmnožené a zvětšené, cytoplasma buněk nabývá voštinovitý charakter. Poznámka: Tato onemocnění jsou způsobena výhradně mutacemi, které redukují nebo úplně znemožňují syntézu některého z lysosomálních enzymů. Dělí se na: (1) glykogenózy, (2) sfingolipidózy (lipidózy), (3) mukopolysacharidózy, (4) mukolipidózy
Střádavé choroby - příklady Tay-Sachsova choroba GM2 gangliosidóza, deficience subjednotky hexosaminidázy, GM2 gangliosid se akumuluje v srdci, játrech, slezině, vzácněji v dalších orgánech. Způsobuje destrukci neuronů, proliferaci microglie a akumulaci lipidů v mozkových fagocytech. Niemann-Pickova choroba typy A (80%) a B (20%). Jde o 2 příbuzné choroby s akumulací sfingomyelinu v lysosomech v důsledku deficience sfingomyelinázy. Typ A představuje těžkou infantilní formu s neurologickými příznaky a akumulací sfingomyelinu v různých orgánech. Vede k časné smrti během prvních 3 let života. Gaucherova choroba skupina autosomálně recesivních onemocnění (typy I-III) způsobených mutací genu pro glukocerebrosidázu. Jde o nejčastější střádavou chorobu s akumulací glukocerebrosidázy ve fagocytech (tzv. Gaucherovy bb.) uvnitř sleziny, jater, kostní dřeně, lymfatických uzlin, tonsil, thymu apd.
Střádavé choroby příklady Mukopolysacharidózy (MPS) jde o defekty lysosomálních enzymů odpovědných za degradaci mukopolysacharidů (glykosaminoglykanů). Vyskytují se v několika klinických variantách označovaných jako MPS I (Hurlerův syndrom) až MPS VII. Každá je způsobena defektem specifického enzymu, všechny s vyjímkou jedné jsou autosomálně recesivní choroby. Zmiňovanou vyjímkou je Hynterův syndrom, který je recesivní chorobou vázanou na chromosom X. Postihuje četné orgány včetně jater, sleziny, srdce, krevních cév, kloubů a způsobuje mentální retardaci. Glykogenózy jde o vrozené defekty některého z enzymů zapojených do syntézy nebo degradace glykogenu. Má 3 formy: jaterní, svalovou a smíšenou. Jde defekt -glukosidázy a glykogen větvících enzymů. Typ II (Pompeho choroba) a typ IV vedou k časnému úmrtí.
Choroby související s defekty enzymů Alkaptonurie (Ochronóza) Autosomálně recesivní choroba s defektem homogentizát-oxidázy, který způsobuje zástavu metabolismu fenylalanin-tyrosinázy na úrovni hydrochinonoctové kyseliny. Ta potom může být akumulována v organismu a selektivně se vázat na kolagen pojivových tkání a šlach i na chrupavku. Tyto tkáně pak získávají modré zbarvení (ochronózu), které je nejmarkantnější na očích, nose a tvářích. Depozita pigmentu v kloubní chrupavce způsobují poruchu její struktury a funkce, což vede k artritidě.
Choroby související s defekty proteinů regulujících buněčnou proliferaci Neurofibromatóza: typy 1 a 2 autosomálně dominantní choroby. Neurofibromatóza 1. typu se dříve nazývala Recklinghausenova nemoc (mnohočetné neurofibromy, mnohočetné kožní pigmentové léze, pigmentované hamartomy duhovky).jde o mutaci genu NF-1 jehož normálním produktem je protein neurofibromim. Mutace zvyšuje riziko vzniku neurosarkomů a gliomů. Neurofibromatóza 2. typu se dříve označovala jako akustická neurofibromatóza (bilaterální neurinomy akustiku, kožní pigmentace, vyšší riziko mozkových nádorů). Podstatou onemocnění je mutace genu NF-2 kódujícího protein merlin.
Choroby s multifaktoriální dědičností Downův syndrom (trisomie 21): Incidence 1 na 700 novorozenců, nejčastější příčinou je nesprávné rozdělení genetikého materiálu v meióze. Příznaky: mentální retardace (IQ 25-50), vrozené malformace srdce (40%), atresie jícnu a tenkého střeva, zvýšené riziko vzniku akutní leukémie (10-20x), 100% pacientů po 40 roce věku má různá postižení (Alzheimerovu chorobu, degenerativní změny mozku a abnormální imunitní odezvu). Edwardsův syndrom (trisomie 18), Patauův syndrom (trisomie 13): Malformace jsou závažnější, děti s těmito syndromy jen vzácně přežívají déle než 1 rok. DiGeorgeův syndrom (delece 22q11): Hypoplasie thymu (imunodeficience), vrozené defekty srdce abnormality stavby patra a obličeje, zpomalení vývoje, hypokalcemie. Podobné klinické i cytogenetické vlastnosti má velokardiofaciální syndrom, u kterého však nebývá výrazná imunodeficience.
Choroby s multifaktoriální dědičností Klinefelterův syndrom (2 nebo více chromosomů X a 1 nebo více chromosomů Y): mužský hypogonandismus, eunuchoidní habitus, neplodnost, kryptorchidismus, hypospadie, změny skeletu. XYY syndrom: nadměrná výška, náchylnost k těžkému akné, inteligence je normální, jen 1-2% jedinců s tímto syndromem vykazuje deviantní chování. Turnerův syndrom (úplná nebo částečná monosomie chromosomu X): ženský hypogonandismus, srdeční anomálie, neplodnost, amenorhea, pigmentové névy, periferní lymfedém novorozenců.
Choroby s neurčitou dědičností Syndrom fragilního chromosomu X: Mutace charakterizovaná výskytem dlouhých opakujících se sekvencí tří nukleotidů CGG. Jde o druhou nejčastější příčinu mentální retardace po Downově syndromu. Postižení jedinci mužského pohlaví mají IQ 20-60, protaženou tvář, velkou mandibulu, velké uši a velká varlata (makroorchidismus). 50% postižených jedinců ženského pohlaví je mentálně retardováno. Hereditární neuropatie optiku: způsobená mutacemi mitochondriální DNA.