Viktor Kožich. Cíl kursu o biochemické genetice Základní charakteristika DMP a frekvence v populaci

Úvod do biochemické genetiky Viktor Kožich Ústav dědičných metabolických poruch 1.LF UK a VFN Praha

Osnova Cíl kursu o biochemické genetice Základní charakteristika DMP a frekvence v populaci Historie DMP Genetický podklad DMP Základní patogenetické mechanismy DMP malých a ýc molekul o e u a komplexních o pe c molekul Klinické projevy DMP

Cíl kursu o DMP

Biochemická genetika = DMP

genetika

biochemie

klinická medicína

Kazuistika 1-isovalerová acidurie neprospívání, zvracení „ opakované poruchy vědomí „ ketoacidosa k t id „ zápach zpocených nohou „

Kazuistika 2-adultní cystinosa

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/bookshelf/br.fcgi?book=gene&part=ctns

Kazuistika 3- MPS 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

Kazuistika 4-cystinurie

http://www.nature.com/ki/journal/v73/n8/images/5002790f1.jpg http://graphics8.nytimes.com/images/2007/08/01/health/adam/17046.jpg

Základní charakteristika DMP

Dědičné metabolické poruchy substrát obvykle AR, GR

klinicky variabilní

obvykle enzym

produkt d kt

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

Kli ik DMP-(ne)specifita Klinika DMP ( ) ifit příznaků ří ků 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 obraz multisystémovost

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

Diagnostika DMP substrát

produkt d kt

DNA/RNA

Enzymologie

Metabolity

Příznaky specifické-např. zápach barva moči nespecifické-např. koma PMR dysmorfie hepato/myopathie další

Výskyt DMP „ „ „ „

novorozenecký screening 1:1000-1:4000 selektivní screening nejméně 1:500-1:1000 frekvence heterozygotů yg p pro DMP nejméně j 1:15 zastoupení se liší podle populací „

„ „ „

vyšší výskyt v imbredních populacích (PKU Turecko, organické acidurie Blízký Východ) tyrosinemie I.typu Quebec aspartylglykosaminurie Finsko lysosomální nemoci Izrael

Výskyt DMP v ČR Č beta-oxidace a OAU 14%

sacharidy 12% puriny/pyrimidiny 3% %

mitochondriální 20%

AMK bez HPA 18%

HPA a PKU 13%

peroxisomální 4%

lysosomální 16%

ČR,, 2005,, n=127

incidence pro ČR ~ 1:1000 d dosud d ~150 150 různých ů ý h nosologických l i ký h jednotek j d t k

Léčb DMP Léčba 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/

1857 vynalezena pneumatická vrtačka; LP t L.Pasteur prokazuje k j mikrobiální ik biál í původ ů d kkvašení, š í R.Wirchow popisuje mitózu 1867 dynamit 1874 džíny 1886 automobil 1890 podzemní elektrická dráha= metro 1895 kinematograf 1902 periskop, el.psací stroj; Nobelova cena za přenos malárie 1908 celofán, lampa s wolframovým vláknem; Nobelova cena za imunitu 1936 cívkový magnetofon; Nobelova cena za výzkum neurotransmiterů

Lancet, vol ii, 1902, 1616-1620

Vývoj poznatků o DMP 1908

cca 1960

2009

• 5 nemocí (alkaptonurie, cystinurie, porfyrie, pentosurie, t i kongenitální steatorhea) •1909 první učebnice •incidence neznámá •diagnostika: 4 metabolity v moči léčba žádná •léčba

• cca 40 40-50 50 nemocí •rozvoj analytických metod •incidence i id pro PKU •PKU první screeningový program (R.Guthrie) •PKU je první léčitelná DMP (H.Bickel)

•nejméně 500 nemocí •Medline 122.797 článků (28/9/2009) •učebnice-webová č b i b á •incidence nejméně 1:1.000 •diagnostika: metabolity, enzymy, DNA •screening g MS-MS •léčba dostupná pro cca 1/3 nemocí

Historie biochemické genetiky v ČR „ „ „ „

screening i PKU uzákoněn ák ě 1975-Doc.Blehová, 1975 D Bl h á Prof.Hyánek, Ing.Mrskoš ro oj diagnostik rozvoj diagnostiky ostatních DMP DMP-vůdčí ůdčí osobnost Prof.Hyánek pracoviště v Praze Praze, H H.Králové, Králové Brně Brně, Olomouci Olomouci, Ostravě rok 2009: … selektivní

screening ~ 100 pacientů/rok (incidence

1:1000) … novorozenecký screening 10 DMP od 1.10.2009, předpokládaná p p incidence 1:4000

První DMP: Alkaptonurie



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 je podmíněná geny

„

Existují poruchy této individuality= dědičné metabolické nemoci (inborn errors of metabolism)

Alkaptonurie v roce 2009 „ „ „ „ „ „ „

mumie HARWA 1500 př.n.l. pacienti známí již před Garrodem 1902 Garrod 1909 popis i odbourávání db á á í ttyrosinu i 1958 prokázán enzymatický defekt 1996 p popis p g genu 2003 léčba nitisonem



Artróza kyčelního kloubu Postižení chlopní Močové kameny 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

http://www.natuurlijkerwijs.com/english/b4f4ca00.gif

„ „ „ „ „

http://ourworld.compuserve.com/homepages/sbrillanti/liver2.jpg

Deficit jaterní HGO Vý k t 1:250 Výskyt 1 250 000 až 1:1 000 000 Vysoký výskyt Slovensko Pozdní komplikace běžné Dosavadní léčba neúčinná

http://en.wikipedia.org/wiki/

Léčba alkaptonurie nitison (NTBC)

http://www.natuurlijkerwijs.com/english/b4f4ca00.gif

Genetický podklad DMP

Genetický podklad DMP „

Monogenní mendelovská dědičnost … … …

dědičnost AR dědičnost GR/GD vzácně AD

X „ „ „ „ „ „

Mitochondriální dědičnost Epigenetické změny X-inaktivace X inaktivace Epsistase Interakce mutace x prostředí další

Typy běžných mutací v DNA

Molekulové dopady mutací „

Množství proteinu … snížené … stejné … zvýšené

„

Kvalita proteinu … změna

izolované funkce … globální změna všech funkcí … misfolding „

Neproteinové genové produkty … siRNA

Význam mutací v evoluci „

Zdroj variability (i když méně významný než meiotická rekombinace a kombinace k bi gamet) t)

„

Přínosné mutace vznikají vzácně a jsou již obsaženy v genomu

„

Genetické nemoci jsou špičkou ledovce variability genomu

Mutace postihují různé domény „ „ „ „ „

příklad PAH cytosolový enzym homotetramer BH4 jako kofaktor komplikovaný katalytický mechanismus

Erlandsen H and Stevens RC, The Structural Basis of Phenylketonuria. Mol Genet Metab. 1999 Oct; 68(2):103-125.

Buněčné dopady mutací (př.CFTR)

http://student.biology.arizona.edu/honors97/group7/Hallick1.gif

Genotyp-fenotyp (M.Gaucher) Fenotyp těžký splenomegalie anemie kostní projevy CNS lehký splenomegalie anemie nejasný http://www.nature.com/embor/journal/v4/n7/thumbs/embor873-f4.gif

Hranice zdraví a nemoci klinická manifestace

prostředí tř dí geny

preklinický test

genetický test

Léčba DMP- modifikace prostředí klinická manifestace

prostředí geny

preklinický test

genetický test

Interakce geny x prostředí (PKU)

http://www.pkunews.org/adults/image005.gif

Modifikace nemoci prostředím

Současné S č é genetika tik neníí mendelovská „ „ „ „

klasická genetika gen=1 nemoc 1g

„ „

1 gen = více nemocí 1 gen = nemocii s různým ů ý typem dědičnosti více genů =1 nemoc nutné mutace ve více než 1 genu transgenerační přenos epigenetických značek další a další ……

genetika je a bude plná překvapení

Patofysiologické mechanismy DMP

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 k t látk u poruch h beta.oxidace MK „ plasmalogeny u peroxisom.poruch „ cystein u deficitu CBS „ AdoMet u RM „ ATP u mitochondriálních nemocíí produkt

Lokální vs. systémové důsledky

Lokální dopady-příklady: „ MPS-kosti a šlachy, slezina, játra, CNS „ cystinurie-vývodný y ý ý systém y

Lokální vs. systémové důsledky Vzdálené dá e é dopady dopady-příklady p ady „ poruchy cyklu močoviny- kóma „ organické acidurie-encefalopathie „ deficit CBS- thrombosa, porucha pojiva

substrát

produkt

Nemoci malých a velkých molekul

Malé molekuly v biochem. genetice „

definice: < 1500 Da „ „ „ „ „ „ „ „ „

„

plyny, anorganické ionty aminokyseliny organické kyseliny sacharidy polyoly jednoduché lipidy puriny, pyrimidiny vitaminy i i oligomery: peptidy do cca 5-10 AMK, oligosacharidy

cytosol stroma mitochondrií cytosol, mitochondrií, krev krev, moč

Nemoci malých molekul „ „ „ „ „ „ „

obvykle závislé na exogenním přísunu manifestace (opakovanou) akutní toxicitou toxicitou, často s encefalopathií/komatem častá hepatopathie časté odchylky v běžné biochemii-amoniak, ABR,, ketolátky, y, glykemie, gy , kys.močová... y vznik symptomů závisí na specifické složce potravy, hladovění, katabolismu možný je i chronický průběh (při nízké toxicitě) obvykle relativně dobře léčitelné dietou a vitaminy it i

Isovalerová acidurie „ „

„ „

neprospívání, zvracení, Kussmaulovo dýchání porucha vědomí 24-48 hodin od nástupu příznaků je kóma metabolická acidosa 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 y 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

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 dieta, vitaminy

úspěšná

neúčinná

Patofyziologie DMP substrát <1500 Da

vedl.produkt >1500 Da produkt

1

2

Klinické projevy DMP

3

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 k t ě

nemocnýý novorozenec … (opakovaná) ataka dlouhotrvajícího bezvědomí … neprospívání kojence „

Velké molekuly … progredující

postižení CNS a svalstva … dysmorfie obličeje … organomegalie (játra, slezina, srdce)

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 „ „ „ „

hypoglykemie u glykogenos hypoglykemie se sníženou tvorbou ketolátek (poruchy beta-oxidace MK) acidosa, ketonurie a metabolická encefalopathie při hladovění (organické p ( g acidurie)) respirační alkalosa a encefalopathie (poruchy cyklu močoviny)

Abnormální zápach a barva moči „

zápach (malé těkavé molekuly): „ „ „ „ „ „

„

zpocené nohy-isovalerát karamel/javorový sirup-oxokyseliny vařené zelí-methionin oxid rybina trimethylamin rybina-trimethylamin černý rybíz- některé organické kyseliny myšina-fenylacetát y y

zbarvení „ „ „ „

červenooranžové-urátyy černohnědé při oxidaci-homogentisát modré-indoxalové deriváty zelené-4-OH-butyrát

Běžné laboratorní nálezy u DMP Krev „ glykemie l k i „ cholesterol „ TG „ kys.močová „ MAc „ hyperamonemie, RAlk „ ALT,AST „ CK „ anemie/pancytopenie

Moč „ ketolátky k t látk „ kys.močová „ krystalurie k t l i „ myoglobinurie

1857-1936

http://www.historiadelamedicina.org/imagenes/garrod.jpg