Úvod do biochemické genetiky - Ústav dědičných metabolických

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
substrát
obvykle AR, GR
klinicky
variabilní
obvykle enzym
produkt
Klinický obraz DMP-orgány
http://universe-review.ca/I10-82-organs.jpg
Klinika DMP-(ne)specifita příznaků
specifické
nespecifické
př. NH3, 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)
Lysosomální střádává
onemocnění
32
Aminoacidopatie,
organické acidurie
53
Peroxisomální poruchy
15
Mitochondriální nemoci
Poruchy glykosylace
11
6
16
Celkem 133 nově diagnostikovaných pacientů v roce 2012
Ostatní
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
1:1000)
screening ~ 100 pacientů/rok (incidence
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
Snížený přívod Phe v
přirozené stravě (cca
1/5-1/3 normálního
přívodu)
 Suplementace směsi
AMK bez Phe
 Dodání Tyr

Prof.Horst Bickel
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
10g B/sáček 18,2g
1,3g B/100 ml
32 mg Phe/100 g
60g B/100 g
10g B/125 ml
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
PKU/HPA
Deficit MCAD
Deficit LCHAD/MTP
Deficit VLCAD
Hydroxyprolinemie
Leucinosa
IVA
GA I
Deficit CPT I
Celkem
Počet
pacientů
Incidence
110
29
10
1:5 200
1:19 900
1:57 800
4
3
3
3
3
2
1:144 400
1:192 600
1:192 600
1:192 600
1:192 600
1:289 000
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 Xchromosomu (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





http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22019/bin/ch21fb1.jpg
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
Genotyp vs.fenotyp




http://web.pdx.edu/~newmanl/ContinuousDiscont.GIF
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
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
•Aminoacidopatie
•Hyperamonemie
•Org.acidurie
•Lysosomální
nemoci
Chybění
produktu
•Glykogenosy
•Poruchy BOX MK
•Mitochondriální
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
akutní i chronický průběh
DMP
s komplexními
molekulami
(vysokomolekulární
látky)
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):







zpocené nohy-isovalerát
karamel/javorový sirup-oxokyseliny
vařené zelí-methionin oxid
rybina-trimethylamin
černý rybíz- některé organické kyseliny
myšina-fenylacetát
zbarvení




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