Úvod do biochemické genetiky Viktor Kožich Ústav dědičných metabolických poruch 1.LF UK a VFN Praha
Osnova Biochemická genetika Základní charakteristika DMP a frekvence v populaci Příklad DMP- podrobná charakteristika PKU Genetický podklad DMP Základní patogenetické mechanismy Klinické projevy DMP a léčba
http://www.iubmb-nicholson.org/gif/images/inbornerrors.gif
Biochemická genetika = DMP genetika biochemie klinická medicína
Základní charakteristika DMP
Dědičné metabolické poruchy Vzácné nemoci (výskyt <1:2000) vzácné nemoci DMP Národní strategie pro vzácná onemocnění na léta 2010-2020 (usnesení vlády ČR č. 466 ze dne 14.6.2010) DMP=cca 1/10 vzácných nemocí Cca 700-800 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)
Dědičné metabolické poruchy obvykle AR, GR substrát obvykle enzym klinicky variabilní produkt
Klinický obraz DMP-orgány http://universe-review.ca/i10-82-organs.jpg
Klinika 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
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)
Pacienti s prokázanou diagnózou 2012 (selektivní screening ÚDMP a KDDL VFN) 32 Lysosomální střádává onemocnění 53 Aminoacidopatie, organické acidurie Peroxisomální poruchy 15 Mitochondriální nemoci Poruchy glykosylace 6 16 11 Ostatní Celkem 133 nově diagnostikovaných pacientů v roce 2012
Léčba DMP substrát produkt
Historie biochemické genetiky
1857-1936 http://www.historiadelamedicina.org/imagenes/garrod.jpg
Lancet, vol ii, 1902, 1616-1620
</< 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 každého člověka je podmíněná geneticky Existují poruchy této individuality= dědičné metabolické nemoci (inborn errors of metabolism)
1908: 4 DMP 2015: cca 1000 DMP
Historie biochemické genetiky v ČR 1975- 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 2009- rozšířený novorozenecký screening pro 10 DMP od incidence 1:4000 Stav 2015: selektivní screening ~ 100 pacientů/rok (incidence 1:1000)
Klasická DMP: Fenylketonurie
http://www.pahdb.mcgill.ca/
PAH http://www.chemie.fu-berlin.de/chemistry/bio/aminoacid/gif/phe.gif
PAH Fenylketonurie http://www.chemie.fu-berlin.de/chemistry/bio/aminoacid/gif/phe.gif
http://www.pahdb.mcgill.ca/
http://www.pahdb.mcgill.ca/
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 http://www.dshs.state.tx.us/newborn/images/pku_untreated.jpg
Cíl léčby= snížení Phe k normě http://www.pahdb.mcgill.ca/
Příjem Phe v běžné stravě 3000-4000 mg/den Tolerance Phe k udržení hladin Phe <360 umol/l Děti cca 300-400 mg Phe/d Dospělí 800-1200 mg Phe/d
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 http://www.pkux.co.uk/wp-content/uploads/2009/05/horst-bickel-pku-diet.jpg
http://newenglandconsortium.org/for-families/phenylketonuria-pku/pku-primer-for-adolescents-and-adults/
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
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 http://www.funpecrp.com.br/gmr/year2006/vol1-5/gmr0182_full_text.htm
Dyfsunkce enzymu při nedostatku kofaktoru Těžké mutace PAH Lehké mutace PAH Deficit BH4 zátěžový test s BH4 http://www.rxlist.com/kuvan-drug/clinical-pharmacology.htm
Deficitní aktivita enzymu může být způsobena nedostatkem kofaktoru http://phenylketonuria.site90.com/clinical.png 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
Jen včasná léčba je účinná= důvod pro novorozenecký screening PKU http://www.yupedia.com/wp-content/uploads/2011/12/pku-causes-newborn-mental-retardation.jpg
Diagnostická efektivita DMP 576,000 novorozenců (IX/2009-XII/2014) DMP Počet pacientů Incidence PKU/HPA 110 1:5 200 Deficit MCAD 29 1:19 900 Deficit LCHAD/MTP 10 1:57 800 Deficit VLCAD 4 1:144 400 Hydroxyprolinemie 3 1:192 600 Leucinosa 3 1:192 600 IVA 3 1:192 600 GA I 3 1:192 600 Deficit CPT I 2 1:289 000 Celkem 167 1:3 460
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 https://23andme.https.internapcdn.net/res/img/phenotype/pku/iytmpqxx7bdvycwqvuegyg_pregbelly.jpg
Genetický podklad DMP
Geny a lidské nemoci Člověk má cca 20 000 genů Je známo cca 8 000 nemocí s genetickou složkou Gen zodpovědný za nemoc nalezen u 4 500 nemocí
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
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
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) http://jmg.bmj.com/content/48/5/327/f1.large.jpg Poradenské dopady
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 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk22019/bin/ch21fb1.jpg
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 http://web.pdx.edu/~newmanl/continuousdiscont.gif
Genetika vs. prostředí klinická manifestace prostředí geny preklinický test genetický test úraz PKU nádor vyšetřovaný zdravý
Interakce genotyp X prostředí (dieta) Irene diagnostikovaná 3 dny po porodu http://www.pahdb.mcgill.ca/ Irenina sestra diagnostikovaná pozdě (konec 1.roku života, křeče, PMR) Dcera Irene po úspěšně léčené mhpa
Patofysiologické mechanismy DMP
Patofyziologie metabolitů u DMP substrát <1500 Da vedl.produkt >1500 Da produkt 1 2 3
1000 DMP v kostce-příklady Malá molekula Komplexní molekula Hromadění substrátu Chybění produktu Aminoacidopatie Hyperamonemie Org.acidurie Glykogenosy Poruchy BOX MK Mitochondriální nemoci Lysosomální nemoci CDG syndromy Generalisované peroxisomální nemoci
Hromadění substrátů prekursor substrát vedl.produkt Příklady: amoniak a organické acidurie homocystein cystin u cystinurie mukopolysacharidy
Akutní nemoc novorozence s bezvědomím/ataky poruch vědomí v dospělosti http://www.metagene.de/program/d.prg?id_d=18
Abnormální zápach- isovalerová acidurie http://images.google.com/imgres?imgurl=http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8b/isovaleric_acid_structure.png
Chronické onemocnění s TEN a myopií
Urolithiasa http://www.nature.com/ki/journal/v73/n8/images/5002790f1.jpg http://graphics8.nytimes.com/images/2007/08/01/health/adam/17046.jpg
Multisystémové onemocnění pojiva 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
Chybění produktu Příklady: glukosa u GSD ketolátky u poruch beta.oxidace MK glykoproteiny u CDG nebo galaktosemie cystein u homocystinurie ATP u mitochondriálních nemocí produkt
Intolerance hladovění- GSDI
Hypoglykémie při hladovění-deficit MCAD
Poruchy glykosylace proteinů Deficit fosfomanomutasy 2 Dědičné mnohočetné exostosy
Patofyziologie DMP substrát <1500 Da vedl.produkt >1500 Da produkt 1 2 3
DMP-skupiny dle patofyziologie DMP intoxikačního typu (nízkomolekulární látky) Poruchy energetického metabolismu DMP s komplexními molekulami (vysokomolekulární látky) akutní i chronický průběh symptomy trvalé, progresivní
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
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
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
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
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
Léčba a prevence DMP substrát produkt Léčba možná u cca 1/3 nemocí (dobře léčitelných nemocí cca 100) Efektivita a náklady variabilní Genetické poradenství obvykle možné
1857-1936.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, 1657 http://www.historiadelamedicina.org/imagenes/garrod.jpg