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 Historie DMP Příklad DMP- podrobná charakteristika PKU Genetický podklad DMP Základní patogenetické mechanismy DMP malých molekul a komplexních molekul Klinické projevy DMP
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-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 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 a nespecifické
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 dg (ÚDMP a KDDL VFN, Praha, za rok 2006-2012) 817 pacientů
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/
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)
Garrod 1908: 4 DMP kolektiv autorů 2012: cca 800 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 2013: 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
Pacienti s DMP Nemoc Selektivní screening (odhad/rok/čr) Pilotní studie ÚDMP (2001-2008, n=98 039) ČR X/2010- XII/2012 (n= 117 705) PKU/HPA (15-20) 15 57 MCAD deficit 0-1 2 21 LCHAD deficit 0-1 3 7 GA I 0-1 0 3 leucinosa 0-1 0 2 VLCAD 0-1 0 4 Ostatní (IVA, CPTI, CACT, CPTII) 0-1 0 2 Celkem 15-25 20 96
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 23 000 genů Je známo cca 7 500 nemocí s genetickou složkou Zodpovědný gen nalezen u 3 900 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 geny x prostředí (PKU) http://www.pkunews.org/adults/image005.gif
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
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 Glykoproteiny u CDG ATP u mitochondriálních nemocí produkt
Nemoci malých a velkých molekul
< 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
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
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
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
Poruchy glykosylace proteinů Deficit fosfomanomutasy 2 Dědičné mnohočetné exostosy
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
Lokální vs. systémové důsledky Vzdálené dopady-příklady poruchy cyklu močoviny- kóma organické acidurie-encefalopathie deficit CBS- thrombosa, porucha pojiva substrát produkt
Lokální vs. systémové důsledky Lokální dopady-příklady: MPS-kosti a šlachy, slezina, játra, CNS cystinurie-vývodný systém
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 nemocný novorozenec (opakovaná) ataka dlouhotrvajícího bezvědomí neprospívání kojence Velké molekuly progredující postižení CNS a svalstva dysmorfie obličeje organomegalie (játra, slezina, srdce)
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
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