Eukaryotní buňka
Alberts et al : Molecular biology of the cell 6th edition
Lysosomální onemocnění Dědičná onemocnění vedoucí ke střádání v lysosomech 1. Poruchy odbourávání glykanů 2. Poruchy odbourávání lipidů 3. Poruchy odbourávání proteinů 4. Poruchy lysosomálních transportních proteinů 5. Poruchy transportu proteinů do lysosomů
Lysosomy
Lysosomy Organely s kyselým obsahem ohraničené jednoduchou membránou Odbourávání makromolekul
Alberts et al : Molecular biology of the cell 6th edition
Lysosomální („střádavá“) onemocnění Deficity lysosomálních proteinů vedou ke střádání materiálu v lysosomech
Lysosomy Vesikuly ohraničené jednoduchou membránou Kyselý obsah (pH 4.5-5.5) Účastní se vesikulárního transportu v buňce interaguje s endosomy, Golgiho aparátem, plasmatickou membránou, endoplasmatickým retikulem „Klasické“ lysosomy jsou hlavním buněčným degradativním kompartmentem
Lysosomy Lysosomy obsahují solubilní hydrolasy s kyselým pH optimem V lysosomální membráně se nachází glykosylované membránové proteiny (receptory, vakuolární protonová pumpa, transportní proteiny a další) Lysosomální membrána je bohatá na kyselinu lysobisfosfatidovou Kyselé prostředí uvnitř lysosomu udržuje ATPdependentní protonová pumpa (vakuolární ATPasa)
LYSOSOMY, které
ZABÍJÍ !!!
… a jejich příbuzní
Sekreční lysosomy /Lysosomům příbuzné organely V některých buňkách hematopoetického původu jsou organely, které mají vlastnosti jak lysosomů, tak i sekrečních granul - kyselé pH - lysosomální membránové a lumenální proteiny - v odpovědi na stimul jsou schopny exocytosy Lysosomům příbuzné organely (LRO) -lytická granula (NK buňky and cytotoxické Tlymfocyty) -azurofilní granula -melanosomy -“external“ lysosomy of osteoklastů - delta-granula krevních destiček
Poruchy biogenese a funkce lysosomům příbuzných organel Skupina nemocí obvykle spojená s těmito příznaky: - albinismus (v důsledku dysfunkce melanosomu) - visual impairment - zvýšená krvácivost (dysfunkce krevních destiček) - zánětlivé střední onemocnění - pliční fibrosa - imunodeficit - v tkáních “obrovské” lysosomy Syndromy Heřmanského-Pudláka, Griscelliho, Chediak-Higashiho aj. heatherkirkwood.blogspot.cz
Lysosmům příbuzné organely osteoklast
„zvrásněná“ membrána „těsnící“ zóna
H+ H
+
kost
H+
„těsnící“ zóna
Transport substrátů pro degradaci
Alberts et al : Molecular biology of the cell 6th edition
Autofagie Makroautofagie Mikroautofagie Chaperony zprostředkovaná autofagie proteiny obsahující specifickou signální sekvenci translokace proteinů přes lysosomální membránu se účastní chaperony internalizace pomocí receptoru LAMP2a v lysosomální membráně
Lysosomální membránový protein LAMP2 je receptorem, který se účastní fůze autofagických vakuol s lysosomy
Import lysosomálních proteinů do lysosomu Luminální lysosomální proteiny: – mannosa-6 fosfátový receptor Lysosomální membránové proteiny: - signály v C-terminnálním konci proteinu - signály jsou rozpoznávány adaptorovými proteiny (AP3..) Jiné - glukocerebrosidasa, lysosomální kyselá fosfatáza - prosaposin - sortilin, LIMPII
Transport solubilních lysosomálních proteinů pomocí manosa-6fosfátových receptorů
Třídění lysosomálních proteinů obsahujících M6P protein-M6P-M6PR
lysosom
protein-M6P protein protein
trans-Golgi
Sekreční cesta
Třídění proteinů obsahujících M6P
Většina solubilních (luminálních) proteinů, tj. naprostá většina lysosomálních hydrolas, je transportována do lysosomu prostřednictvím mannosa-6-fosfátového receptoru
Mutace v genu pro N-acetylglukosamin-1-fosfotransferázu lysosom
protein-M6P-M6PR protein
Proteiny normálně transportované M6PR nejsou směřovány do lysosomu protein
sekrece
... ale jsou sekretovány mimo buňku. cis-Golgi
I-cell disease (mukolipidosa II) Porucha transportu proteinů obsahujících M6P signál způsobená mutacemi v N-acetylglukosamin 1fosfotransferáze Zvýšené aktivity lysosomálních proteinů v extracelulární tekutině (a v plasmě) Snížené aktivity mnoha lysosomálních enzymů ve tkáních Zvětšené lysosomy díky lysosomálnímu střádání : I-cell = Inclusion cell disease
|Mukolipidosa II (I-cell disease) Hrubé obličejové rysy, Ztluštělé dásně Malá hepatomegalie a splenomegalie Kosní onemocnění – dysostosis multiplex Psychomototická retardsace Zvýšené aktivity lysosomálních hydrolas v plasmě, nízké aktivity ve tkáních Vakuolizace lymfocytů („inkluzní buňky“) = střádající lysosomy Velmi vzácná choroba
Figure 1 A lymphocyte with many vacuole-like inclusions (original magnification, x900).
van der Meer, W et al. J Clin Pathol 2001;54:724-726
Copyright ©2001 BMJ Publishing Group Ltd.
Figure 3 Electron microscopic image of lymphocytic vacuoles containing round osmiophilic structures (original magnification, x15 000).
van der Meer, W et al. J Clin Pathol 2001;54:724-726
Copyright ©2001 BMJ Publishing Group Ltd.
Kostní změny u I-cell disease
Lysosomální hydrolasy a jejich aktivátory
Lysosomální enzymy 30 enzymů, jejichž dědičné deficity způsobují lidská onemocnění Střádáné substráty/nemoci: lipidy – lipidosy, včetně sphingolipidos glykosaminoglycany – mukopolysacharidosy N-glykany, oligosacharidy – glycoproteinosy glykogen – glykogensa typu II (Pompeho choroba) proteiny – proteinosy
Jaterní biopsie(HE): Deficit kyselé sningomyelinázy
Niemann-Pickova choroba - střádající neuron (HE)
ter a osi se das e acid lip ase -glukosylceram idase
,4-g luc
LIPIDOSES n=9
2006
lysosome
expanded by storage
NA cbgl uk os NA c-b am -gl in uk id os as am e ini B da -g se alak A tosi das eA a-neu ramin idase
e ceramidas e das*e i m a as lcer y n s i el acto l y a g om A g n hi se a t sp lfa u yls r a
* a-Fukosidase
a-1
th ioe s
mutant enzyme protein (n=30)
lysosomal storage disorders Ia
se MPS a e t a s f l a id at su se n=10 a n d ini ro sulf m u a o k nsf. a kos r bg- lu uron t u l -g NAc id d D i n i a am cNA a-glukos : atase f l CoA u s t 6-sulfa c A N Glc GalNAc-6-sulfat sulfa tase GalNA c-4s u l f a *hy tsulfatas * N-aacluronid e * asp etyl- ase (hy a-g alur ar onic a lac ty acid tos lg ) am lu ini ko da sa se m in id as e
sidase -galacto idase s o n n b-Ma ase d i s no n a a-M
ito yl
D I in e p ase th ka ptid e lp
aci d
alm
y tid
GSD II
p pe tri
pr ot ein p
hep a- aran LN-s id ulf ur ata on se id as e
enzymopathies
NCL1,2,kong.
GLYKOPROTEINOSES n=7
hydrolases 29 transferase 1
Lipidosy – 9 typů Gaucherova choroba – deficit glukocerebrosidasy Fabryho choroba – deficit alfa-galaktosidasy A Niemann-Pickova choroba typu A/B – deficit kyselé sfingomyelinasy Krabbeho choroba – deficit beta-galactosylceramidasy Metachromatická leukodystrofie – deficit arylsulfatasy A etc.
Oligosacharidová část glykosfingolipidů je postupně odbourávána sadou vysoce specifických lysosomálních exoglykosidas.
Fabryho choroba – deficit alfagalaktosidasy A X-vázané onemocnění Lysosomální střádání glykolipidů s terminální alfa-galaktosou, hlavním střádaným substrátem je globotriaosylceramide Střádání v endotelu cév, hladkém svalu cév, kardiomyocytech, glomerulech a tubulech ledvin a dalších buněčných typech
Fabryho choroba – klinický obraz Hypertrofická kardiomyopatie, arytmie Chronické progredující ledvinné onemocnění vedoucí k ledvinnému selhání TIA, parestesie Angiokeratomy, cornea verticilata X-vázané onemocnění U heterozygoních žen je onemocnění většinou mírnější než u mužů stejného věku, fenotyp zřejmě závisí na X-inaktivaci
Mukopolysacharidy Mukopolysacharidy (glykosaminoglykany )jsou polysacharidy s lineárními řetězci, ve který se opakuje disacharidová jednotka (složená z glukosaminu a uronové kyseliny). Glykosaminoglykany jsou často hojně acetylované a sulfatované.
běžné typy glykosaminoglykanů:
Heparan sulfát Dermatan sulfát Keratan sulfát Chondroitin sulfát Heparin má strukturu podobnou heparan sulfátu
Glykosaminoglykany jsou součástí proteoglykanů
Glykosaminoglykany jsou postupně odbourávány lysosomálními glykosidasami v sériii na sebe navazujících kroků
Mukopolysacharidosy 11 onemocnění Nejběžnější: MPS I – morbus Hurler – deficit alfa-iduronidasy, AR dědičnost MPS II- morbus Hunter - deficit iduronátsulfát sulfatasy. X-vázané onemocnění. Běžné příznaky: Progredující psychomotorická regrese, hepatosplenomegalie, faciální dysmorfie (“obličej chrliče”), kostní onemocnění (dysostosis multiplex), zákaly rohovky, srdeční onemocnění
Mukopolysacharidosa III, MPS III Sanfilippova choroba Zprvu normální vývoj V cca 2 – 6 letech se objevuje nápadný psychomotorický neklid, poruchy spánku, vývojové opoždění Hrubé obličejové rysy drsné vlasy, malé zvětšení jater a sleziny, Spasticita, demence, smrt mezi 15 - 25 lety
Glykoproteinosy jsou způsobeny deficity enzymů, které se podílí na odbourávání sacharidové části N-vázaných glykoproteinů. Klinické symptomy jsou podobné mukopolysacharidosám.
Aktivátory lysosomálních hydrolas
Glykosidasy, které odbourávají glykosfingolipidy s kratšími oligosacharidovou částí (méně než 3 cukerné zbytky), vyžadují aktivátorové proteiny. Aktivátory umožňují katalytickým proteinů přístup ke glykolipidu, který je svou lipidovou částí zanořen v membráně.
Aktivátory lysosomálních hydrolas Saposiny A,B,C,D
Vznikají proteolytickým štěpením prekursorového proteinu prosaposinu. Deficity saposinů vedou k variantním formám deficitů hydrolas, které aktivují
(např. : metachromatická leukodystrofie je způsobena deficitem arylsulfatasy A. Arylsulfatasa A je aktivována saposinem B. Deficit saposinu B způsobuje variantní metachromatická leukodystrofie
GM2 ativátor aktivuje hexosaminidasu A
Proteolytické procesován prosaposinu
Předpokládaný mechanismus účinku GM2 aktivátoru
Lysosomální membránové proteiny
Danonova choroba – deficit LAMP2 Lamp 2 se podílí na fůzi lysosomů s autofagosomy Kardiomyopatie – obvykle hypertrofická , ale může být i dilatační. Arrytmie – typicky syndrom preexcitace - Wolf-Parkinson-White U mužů někdy intelektový deficit Další symptomy X-vázané onemocnění U žen obvykle mírnější průběh
Akumulace autofagických vakuol zejména v srdečním a kosterním svalu
X-vázaná dědičnost u Danonovy choroby
Deficity transportních proteinů v lysosomání membráně Cystinosisa – deficit cystinosinu ledvinné onemocnění s Fanconiho syndromem renální selhání – transplantace ledvin krystaly v rohovce, fotofobie Porucha růstu hypothyreosa normální inteligence Isolovaná oční forma Sialurie – deficit sialinu
Cystinosa
Léčba a diagnostika lysosomálních onemocnění
Transplantace kostní dřeně Transfer hematopoetických kmenových buněk Pro: Na rozdíl od náhrady enzymu může ovlivnit postižení CNS Proti: Vysoká morbidita a mortalita Lysosomální onemocnění Mukopolysacharidosa I Transplantace mění průběh onemocnění Časná léčba může předejít postižení CNS Residuální nemoc Jiné mukopolysacharidosy MPS III – žádná změna v prgresi neurologického onemocnění - od transplantací bylo pro proto u MPS III upuštěno Jiná lysosomální onemocnění Peroxisomální onemocnění X-ALD
http://www.bmtinfonet.org/bmt/bmt. book/chapter.1.html#p13
Gaucherova choroba Lysosomální střádavé onemocnění Deficit glukocerebrosidasy (kyselé betaglukosidasy) Akumulace glukosylceramidu přednostně v lysosomech buněk makrofágového původu (Gaucherovy buňky) Multisystémové onemocnění Hepatomegalie, splenomegalie, kostní onemocnění, trombocytopenie, anemie, infiltrace plic U 2. a 3. typu onemocnění postižení CNS Značná klinická variabilita, chronicky progredující onemocnění Typ 1: chronický non-neuropatický Typ 2: akutní neuronopatický Typ 3: chronický neuronopatický
genzyme
Třídění proteinů nesoucích M6P protein-M6P-M6PR
lysosom
protein-M6P protein protein
cis-Golgi
Sekreční cesta
Léčba náhradou enzymu u Gaucherovy choroby Receptorem zprostředkovaná endocytosa Glukocerebrosidasa modifikovaná působením exoglycosidas Vychytávána mannosovým receptorem (makrofágy, endotel, hepatocyty)
Původně glukocerebrosidas izolovaná z lidských placent (Ceredase, Genzyme) Nyní rekombinantní enzym Cerezyme (Genzyme) – produkce v Cho cells Nepřekračuje hematoencefalickou bariéru Vysoké náklady (miliony Kč/rok)
Léčba náhradou enzymu Náhrada deficitního enzymu v pravidelných infusích Gaucherova choroba (glucocerebrosidasa) Fabryho choroba (alfa-galactosidasa A) Pompeho choroba (kyselá alfa-glukosidasa) MPS I (alfa-iduronidasa) MPS II (alfa-iduronát sulfatasa) MPS VI, Maroteaux-Lamy (arylsulfatasa B) Niemann-Pick disease B (kyselá sfingomyelinasa) MPS IVA, Morquio A, ...
Produkce rekombinantních enzymů
Genzyme, TKT, Biomarin, Shire, Inotech, Protalix ...
Léčba omezením substrátu (Substrate reduction therapy) pro Gaucherovu chorobu Inhibice syntézy glykosfingolipidů Miglustat (OGT 918, SC-48334, N-butyldeoxynojirimycin, Zavesca(Actelion)): iminocukr, orální podávání Inhibuje glukosyceramid synthasu Mutantní enzymy mají často zbytkovou aktivitu
J. Clin. Invest. 103(4): 497505 (1999).
Diagnostika Stanovení metabolitů Měření enzymové aktivity Analýza mutací Morfologická diagnostika
