Geneticky podmienené choroby človeka Choroby známych génov Doc. Ing. Anna Trakovická, CSc. KGPB 2012
Rozdelenie podľa genetickej etiológie 1.Chromozómové aberácie a genómové mutácie 2.Monogénne dedičné vady hlavne dedičné poruchy metabolizmu (DPM) 3.Exogénna etiológia 4.Multifaktoriálna etiológia (najčastějšia)
Monogénne dedičné vady
10 - 20 % z celkového počtu vrodených vád podmienené mutantnými alelami génov veľkého účinku prejav:
autozomálne recesívne dedičné vady:
postihnutie jednotlivých orgánov syndrómy mnohopočetných vád postihujú dieťa zdravých rodičov, riziko pre súrodencov je 25 %. narodenie ďalšieho takto postihnutého dieťaťa v rodine
závažné dominantne dedičné vady:
podmienené novou mutáciou ⇒ pravdepodobnosť postihnutia ďalšieho dieťaťa sa nezvyšuje
Autozomálna dedičnosť Aa
aa
Aa
aa
AA
Aa
Aa
aa
Aa
Aa
Aa aa
1
:
1
dominantní
3
:
1
0
:
4
recesívni
1
:
3
Gonozomálna dedičnosť X AY
XaY
XaXa
XaY
0 mužov
XaY
XAXa XAXa XAY XaXA :
2 ženy
D: chorý muž chorá žena R: manifestácia iba u mužov
X AX a
XaY
XaXa
1 muž : 1 žena
⇒ zdraví synovia, choré dcéry ⇒ 1:1 bez ohľadu na pohl.
Monogénne dedičné vady
Hlavné vrodené poruchy metabolizmu Autozomálne dominantné dedičné vady (počet na 1000 ľudí)
Autozomálne recesívne dedičné vady (počet na 1000 ľudí)
centrencefalická epilepsia 5 polycystická choroba obličiek 1-2 kongenitálne katarakta 0.15 polypóza hrubého čreva (riziko cca) 0.05 retinoblastom 0.05 cystická fibróza pankreasu 0.4 cystinúrie 0.5 fenylketonúria 0.15 albinizmus 0.1
Pohlavne viazané choroby a vady (u chlapcov) (počet na 1000 ľudí)
farbosleposť hemofília A hemofília B očný albinizmus
cca 70 0.2 0.04 0.25
Dedičné poruchy metabolizmu (DPM)
Teória jeden gén – jeden enzým (Beadle a Tatum 1959)
Všetky metabolické reakcie organizmu sú kontrolované génmi. Metabolické procesy možno rozdeliť do postupnosti jednotlivých biochemických reakcií Každá biochemická reakcia je kontrolovaná minimálne jedným génom. Mutáciia génu vedie k porušeniu jedného stupňa reakcie (= defektu jedného enzýmu)
1. Charakteristika DPM DPM sú podmienené poruchou funkcie špecifických proteínov, ktoré sa zúčastňujú transportu či metabolizmu aminokyselín, sacharidov, organických a mastných kyselín. Typickým prejavom je zmena v zložení telesných tekutín a tkanív, ktoré možno biochemicky diagnostikovať. Ich klinické príznaky sú veľmi rôznorodé.
2. Mechanizmus vzniku DPM
Látková premena človeka je zložitý systém na rôznych úrovniach vzájomne podmienených spätných väzieb, vytvárajúca v organizme dynamickú rovnováhu. Táto rovnováha je regulovaná pomocou enzýmov.
Všeobecný mechanizmus: Látka A je pôsobením jedného enzýmu premenená na látku B a pôsobením ďalšieho enzýmu na látku C a pod.
V podstate môže nastať šesť situácií.
Enzýmopatie Enzým S
P’
P Primárne dôsledky Znížená tvorba produktu Zvýšená akumulácia substrátu Zvýšená syntéza ďalších metabolitov
Normálne trávenie Enzýmy Enzýmy
Vstrebávanie
Abnormálne trávenie
Enzýmy
Nefunkčné enzýmy
Peptidy nie sú rozložené na individuálne aminokyseliny
2. Mechanizmus vzniku DPM E1
E2
E3
0. A → B → C → D 1. A → B → C - - - d 2. A → B → CCC - - - d 3. A → B → C → D ⇒K→L→M 4. A → B → CCC v krvi → c v moči 5. A → B → C - - - d ⇒ C v moči 6. A → B → C - - - d ⇒X
2. Mechanizmus vzniku DPM 0. A → B → C → D U osôb s vrodeným metabolickým onemocnením je defekt
génu príčinou chýbania alebo atypického vytvárania jedného alebo viacej enzýmov. Genetická vada sa potom prejavuje porušením niektorého úseku látkovej premeny, ktorý sa prejavuje ako metabolická porucha. Chýbanie enzýmu označujeme ako metabolický alebo enzýmový blok a toto miesto je primárnym metabolickým defektom.
2. Mechanizmus vzniku DPM 1. A → B → C - - - d ⇒ nedostatok látky D v organizme a všetkých ďalších, ktoré z nej vznikajú ⇒ napr. familiárny kretenizmus so strumou – nedostatok prekurzorov tyroxínu 2. A → B → CCC - - - d Pri neschopnosti odstraňovania produktu C alternatívnou cestou sa produkt C hromadí v organizme a dochádza k druhotným prejavom „intoxikácia“ týmto produktom napr: alkaptonúria – hromadenie kyseliny homogentisovej a ukladanie jej polymérov v spojivových tkanivách
2. Mechanizmus vzniku DPM 3. A → B → C → D ⇒ K → L → M Vzniká veľké množstvo látky, stojacej mimo hlavný reťazec metabolických reakcií, ktorá sa normálne vyskytuje iba v stopovom množstve (fenylketonuria – kys. fenylpyrohroznová) 4. A → B → CCC v krvi → c v moči Dochádza ku kumulácii metabolitu C v krvi, pretože je primárne porušená exkréčna schopnosť pre túto látku (dna – jedna forma, cistinóza)
2. Mechanizmus vzniku DPM 5 . A → B → C - - - d ⇒ C v moči Opak predchádzajúceho, látky, ktoré by sa ďalej využili odchádzajú močom z organizmu (Fanconiho syndrom) 6. A → B → C - - - d
⇒ X Vzniká tzv. mutantný enzým, ktorý katalyzuje reakciu, ktorá sa fyziologicky v organizmu nevyskytuje (imunoglobulinpatie)
3. Diagnostika DPM 1. Screening biochemických markérov 2. Screening genetických markérov Metódy: ELFO, imunochémia, enzymová kinetika, molekulárno biologické metódy
Diagnostika DPM • Genómové mapovanie • Genómové sekvenovanie • Anotácia genómu
Štruktúrna genomika
Jadro
DNA (Genóm) pre-mRNA
Cytoplazma
• DNA arraye a čípy • Real-time PCR • Northern hybridization • Transkripčná fúzia
mRNA mRNA (Transkriptóm) Proteíny (Proteóm) Metabolity (Metabolóm)
• 2D elektroforéza • Hmotnos. spektrometria • Proteinové sekvenovanie • Translačná fúzia • Immunodetekcia • Enzymové aktivity, … • Chromatografia • Hmotnos. spektrometria
Funkčná genomika
Biochemický polymorfizmus
Alelické formy funkčných bielkovín alebo enzýmov
Elektroforéza proteínov (enzýmov)
AA
AA
AB
BB AB
AA
AB
BB
AB
GENOTYPY
B Alely A 1
2
3
4
5
6
vzorka
7
8
9
Príklad izoenzýmového gélu
Imunobloting
SDS
Vzorka
Elektrobloting
Protilátky
SDS gélová elektroforéza Vizualizácia
SSCP = Single Strand Comformation Polymorphism
Nukleová kyselina Taq P33
PCR produkty
Heat Denature/Ice Jednoreťazové PCR produkty
1
2
3
4
5
6
7
Príklad SSCP gélu
SSCP polymorfizmus 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
A C B A C
B
A = A1009G = Lys312Lys B = C1126G = Thr351Thr C = pôvodný typ
Protein Truncation Test (PTT) Normálna DNA PCR produkt
Mutovaná DNA
In vitro transkripcia
M
M
mRNA
In vitro translácia proteín
napätie
Protein Truncation Test (PTT) BRCA1: WT
Exon11A M
M
Exon11C
Exon11B M
WT - Wild Type( pôvodný) M – Mutation (mutácia)
WT M
M
WT
WT M
Western analýza=imunobloting (proteíny) kDa 220 97 66
45 30 20
elektroforéza (polyakrylamidový gél)
nitrocelulózová membrána Prim. sek. protilátka chemiluminiscencia
p53 bandy
High Resolution Melting
jednoduchší spôsob hľadania nových SNP rýchlejšie genotypovanie jedincov screening mutácií identifikácia nových mutácií analýzy metylácie DNA detekcia SNP polymorfizmov detekcia heterozygotov detekcia pomeru získaných somatických mutácií ekonomicky výhodnejšia v porovnaní s klasickými metódami (PCR-RFLP, PCR-SSCP)
Diferenciačný graf AB BB
AA
Pre lepšie znázornenie sú vzorky prevedené do diferenciačného grafu a z neho vidieť porovnanie medzi jednotlivými genotypmi. Za vzor je použitý heterozygotný genotyp AB (červená čiara).
4. Prejavy DPM
asymptomatický (je možné iba predpokladať DPM) príznaky sa prejavia iba za určitých situácií
(hemofília – až pri poranení, akatalasémia – nehojace sa afty
v ústach)
úplná klinická manifestácia s ľahkým až stredne
ťažkým priebehom (väčšina, napr. diabetes mellitus, dna, hemochromatóza, cystinúria, porfýria, familiárna hyperlipoproteinémia) Klinická manifestácia je väčšinou úmerná veku, komplikácie spôsobené DPM väčšinou skracujú život.
ťažké až letálne ochorenia (hlavne homozygótni
jedinci s klinickými prejavmi od narodenia až prvných rokov života, napr. homozygóti fenylketonurie, nemoci javorového sirupu, Hartnupovej choroby, familiárneho kretenizmu so strumou). Pokiaľ sú postihnuté deti včas liečené, umierajú väčšinou do puberty.
5. Terapia DPM
1. 2. 3. 4.
Vždy sa usiluje o poznanie presných miest primárnych metabolických defektov, pretože iba presná analýza metabolického defektu umožňuje cielený zásah do metabolizmu. Cesty: Zníženie prekurzorov v diéte Náhrada chýbajúceho metabolitu Aktívny zásah do biochemických procesov v organizme Zaistenie vhodných podmienok vonkajšieho prostredia
5. Terapia DPM 1. zníženie prekurzorov v diéte nájsť či obmedziť potraviny, ktoré organizmus nedokáže spracovať, takže sa v ňom hromadia, alebo sú premieňané na nebezpečné metabolity glycidy (cukrovka), puríny (dna), nasýtené tuky a sacharóza (familiárna hypelipoproteinémia), fenylalanín (fenylketonúria), galaktóza (galaktosémia), syndróm kyseliny šťavelovej (oxalóza). ( endogénne mutagény a karcinogény).
2. Náhrada chybajúceho metabolitu = substitučná terapia, napr. hormóny štítnj žľazy (familiárny kretenizmus so strumou), gama globuliny (agamaglobulinémia), inzulín (cukrovka), albumín (analbuminémia)
5. Terapia DPM 3. Aktívny zásah do biochemických procesov v organizme znížiť tvorbu alebo zvýšiť exkréciu nežiadúcich metabolitov: ● zníženie hladiny medi (Wilsonova choroba) – zvýšenie exkrécie pomocou dimerkaptopropanolu či penicilínamínu ● zníženie hladiny železa (hemachromóza) – zvýšenie exkrécie pomocou desferrioxamínu (ie známe, že kyselina šťaveľová sťažuje vstrebávanie železa z potravy.) ● zvýšenie oxidácie galaktózy (galaktosémie) – podávanie progesterónu
4. Zaistenie vhodných podmienok vonkajšieho prostredia ● vylúčenie barbiturátov (porfýria) ● zabránenie úrazu (hemofília) ● ochrana očí a kože pred UV žiarením (albinizmus)
6. Prehľad DPM 1. Vrodené vady metabolizmu glycidov 2. Familiárne nehemolytické žltačky 3. Vrodené vady metabolizmu lipoproteínov 4. Vrodené vady metabolizmu aminokyselín 5. Vrodené vady metabolizmu bielkovín 6. Mukopolysacharidózy 7. Ostatné vrodené metabolické ochorenia
