Úvod do biochemické genetiky

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 substrát obvykle AR, GR

klinicky variabilní

obvykle enzym

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. 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

Klinický obraz-multisystémovost

http://www.istockphoto.com/file_thumbview_approve/5982111/2/istockphoto_5982111-human-internal-organs.jpg

Diagnostika DMP substrát

produkt Příznaky

DNA/RNA

Enzymologie

Metabolity

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



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

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

Pacienti s DMP Nemoc

PKU/HPA

Selektivní screening (odhad/rok/ČR)

Pilotní studie ÚDMP (20012008, n=98 039)

ČR X/2010XII/2012 (n= 117 705)

(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,

0-1

0

2

15-25

20

96

CACT, CPTII)

Celkem

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 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 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 enzyme transporter

produkt

vedl.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

Akutní toxicita Chronická progrese Lokalizace Strukturální dopady

< 1500 Da

> 1500 Da

ano

ne

±

ano

cytosol, ECT membrány 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

•Aminoacidopatie •Hyperamonemie •Org.acidurie

•Lysosomální nemoci

Chybění produktu

•Glykogenosy •Poruchy BOX MK •Poruchy synthesy kreatinu

•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):    

 



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

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