2. Choroby metabolizmu aminokyselín. 3. Poruchy cyklu močoviny. 4. Choroby metabolizmu mastných kyselín
Genetika človeka pre biológov 9. lekcia: Genetika metabolických chorôb/metabolických chorôb 1. Choroby metabolizmu uhľohydrátov Galaktozémia Favizmus Intolerancia laktózy Choroby ukladania glykogénu Mukopolysacharidózy 5. Poruchy sterolovej a steroidnej syntézy Syndróm Smith-Lemli-Opitzovej syndrómu ( Nedostatok) 2. Choroby metabolizmu aminokyselín Fenylketonúria Albinizmus Choroba javorového sirupu 3. Poruchy cyklu močoviny Nedostatok ornitín-transkarbamylázy (OTC) 4. Choroby metabolizmu mastných kyselín Nedostatok MCAD (acyl-CoA dehydrogenáza so stredne dlhým reťazcom)
Schaaf & Zschocke, 2008 Poruchy intermediárneho metabolizmu
Metabolické choroby: možné účinky defektu enzýmu 1. 2. 3. Tariverdian & Buselmaier, obr. 8.1
1. Choroby metabolizmu uhľohydrátov Choroby spojené s tvorbou, premenou, štiepením alebo skladovaním metabolitov obsahujúcich cukor Príklady: galaktozémia a obľúbenosť: metabolizmus jednoduchých cukrov intolerancia laktózy choroby z ukladania glykogénu a mukopolysacharidov
Galaktozémia Pozícia galaktózy v metabolizme cukrov Mliečny cukor (laktóza): disacharid kinázy z glukózy a galaktóza (v materskom mlieku: 70 g/l) kyselina galaktónová; Galactitol Gluc-6-P Glykolyse Glykogen a kol., Mukopolysacharid Karlson, s. 228; Emery, 89,2
Galaktozémia: Deficit galaktóza-1-fosfáturidyltransferázy, galaktokinázy, galaktózovej epimerázy Dedičnosť: autozomálna recesívna Frekvencia: 1: 50 000 Príznaky: Liečba: po pití mlieka: zvracanie, slabosť pri pití, žltačka, katarakta, porucha inteligencie, Zlyhanie pečene, smrť bez galaktózy
Príčiny galaktozémie: a) Reakcia deficitu galaktóza-1-fosfát-uridyltransferázy: Gal-1-P + UDP-Gluc-> UDP-Gal + Gluc-1 P nedostatok aktivity GALT: akumulácia galaktózy -> vylučovanie močom -> Akumulácia galaktitolu a kyseliny galaktónovej Klinika: zvracanie, slabosť pri pití, žltačka po mlieku, zlyhanie pečene (smrť) pri prežívaní katarakty, porucha inteligencie Liečba: strava s výnimkou laktózy Genetika: recesívna; Chr. 9p13; 1: 50 000 (medzi Aziatmi menej časté) OMIM 230400; Symbol génu: GALT obzvlášť závažný: homozygotný Q188R Tariverdian, s. 286; Emery, s. 2444
Príčiny galaktozémie: b) Nedostatok galaktokinázy-1 Reakcia: Gal + ATP -> Gal-1 P Nedostatok Gal-1-kinázy: akumulácia galaktózy a galaktitolu -> vylučovanie močom -> akumulácia galaktitolu a kyseliny galaktónovej Klinika: Šedý zákal, mozgový pseudotumor, mozgový edém, zväčšenie pečene nie také závažné ako nedostatok GALT Liečba: Diéta s výnimkou laktózy Genetika: Recesívna; GALK1: Chr. 17q24; 1: 250 000 (OMIM: 230200, 604313) Pro28Thr: akumulácia v Ríme (miera heterozygotov: 5%) GALK2: Chr. 15q21; Nejasné mutácie (OMIM 13702)
Intolerancia laktózy Účinok enzýmu laktázy v čreve: Laktóza + H20 O galaktóza + glukóza Zníženie aktivity laktázy Rozklad laktázy v hrubom čreve baktériami: kŕče a hnačka Príčina: nižší prepis; nerovnomerné rozdelenie perzistencie laktázy v populáciách: Lastovička 2003
Hypotéza intolerancie laktózy: Pijatelia mlieka si nemôžu dovoliť intoleranciu laktózy: Frekvencia pretrvávania laktázy: Lastovička 2003
Príčina intolerancie laktózy: bodová mutácia v zosilňovači génu pre laktázu (LCT) na lastovičníku Chr. 2q21 2003
Intolerancia laktózy (analýza haplotypu 9 fínskych rodín) SNP spojené s perzistenciou laktázy na Chr. 2q21 LCT: laktáza; MCM6: súčasť komplexu replikácie DNA Enattah 2008 DARS: aspartyl trna syntetáza
Intolerancia laktózy Enattah 2008: funkčné štúdie
Nedostatok glukóza-6-fosfátdehydrogenázy (G6PD) a obľúbenosť G6PD: 400 miliónov ľudí postihnutých po celom svete
8 miliárd ľudí) Cappellini & Fiorelli, 2008
Umiestnenie glukóza-6-fosfát dehydrogenázy (G6PD) na chromozóme X: G6PD: 13 exónov (2769 bp, 561 aminokyselín): Cappellini & Fiorelli, 2008
Genotypové a klinické variácie G6PD Frekvencia: kurdskí Židia 1: 2 Sardínčania 1: 7 Americkí černosi 1: 8 Taliani 1: 250 Dedičnosť: X-viazaný, recesívny Vulliamy et al., TIG 1992, 138-143
Glukóza-6-fosfátdehydrogenáza (G6PD) Najbežnejšie mutácie (známych je 140 mutácií) Otvorené symboly: Úroveň závažnosti II - IV Uzavreté symboly: Úroveň závažnosti I Cappellini & Fiorelli, 2008
Celosvetová distribúcia nedostatku G6PD 400 miliónov ľudí má mutovanú alelu G6PD alelu Cappellini & Fiorelli, 2008
Favizmus: vyvolaná akútna hemolýza v prípade nedostatku G6PD Znížená koncentrácia červenej. Citlivosť na glutatión (GSH) na oxidačné poškodenie hemolytická anémia zvýšená tvorba peroxidových aglykónov Vicia faba Karlson Obr. 9.4
Vyvolávaná hemolýza pri deficite G6PD Spoľahlivá alokácia Možná alokácia Pochybná alokácia Antimalariká Primaquin Chlorochin Mepakrin Pamaquin Chinín Sulfónamidy Sulfanilamid Sulfadimidín Aldesulfón Sulfacetamid Sulfasalazín Sulfadiazín Sulfón Dapsone. Nitrofurantoín Nitrofurantoín. Lieky na horúčku alebo lieky na tlmenie bolesti Acetanilid Aspirín Iné lieky Kyselina nalidixová Ciprofloxacín Chemikálie Paracetamol Fenacetín Kyselina aminosalicylová Niridazol Chloramfenikol Doxorubicín Metyltiónium Analógy vitamínu K probenecid Fenazopyridín Kyselina askorbová Kyselina askorbová dimercaprol,6,6
Malária a nedostatok G6PD Príčina: Výhoda výberu heterozygotných žien (heteróza) u homozygotných žien/hemizygotných mužov: 1. Chorobné príznaky nedostatku G6PD; 2. Plasmodia sa prispôsobuje nedostatku G6PD. u heterozygotov pasáž 161B nie je možná žiadna adaptácia; Vulliamy a kol., TIG 1992, 138-143
(Podľa Buselmaier, s. 289) Ochorenia na ukladanie glykogénu Príčina: Inhibícia rozkladu glykogénu -> hromadenie v srdci, svaloch, pečeni, obličkách -> hypoglykémia v krvi, poruchy funkcie pečene, neurologické abnormality
Ochorenia na ukladanie glykogénu Inkorporácia vetiev Rozklad vetiev Glukagón a epinefrín: regulácia cez kampabh. Kaskádová glukózagluc-6-fosfatáza Gluc-6-P (Karlson, obr. 10.4) Spustenie hydrolýzy Fruc-6-P: amylo-1,4- alebo -1,6-glukozidázou
(Karlson, tabuľka 10.1) Ochorenia na ukladanie glykogénu
Ochorenia na ukladanie glykogénu Príklad: Deficit glukc-6-fosfatázy (von Gierke, typ Ia) Biochémia: Časť transportného komplexu cez membránu ER žiadna voľná glukóza v krvi -> únik v glykolýze -> akumulácia laktátu -> inhibícia Inzulín, stimulácia glukagónu -> ďalší rozklad glykogénu Klinika: v prvých mesiacoch života: zväčšenie pečene a obličiek, sleziny zrýchlené dýchanie, zvýšená tendencia ku krvácaniu, vysoký bazálny metabolizmus. Genetika: Frekvencia 1: 150 000; recesívny, Chr. 17q21 (génový symbol: G6PC)
Bodové mutácie v transmembránových doménach G6PC 9 Foster & Nordlie, 2002, zatiaľ bolo identifikovaných 84 mutácií u 550 pacientov; nejasná korelácia genotyp-fenotyp (Chou & Mansfield 2008)
Partner G6PC v membráne: transportér glukózy-6-fosfátu (G6PT; s bodovými mutáciami) 10 transmembránových domén; Mutácie: von Gierke, Type Ib Foster & Nordlie, 2002
Glykogénové skladovacie choroby (GSD), typ I Glukóza-6-fosfatáza chr. 17q21 1: 150 000 Gluc-6-fosfátový transportér typu Ib, chr. 11q23? Gluc-6-fosfát-transportér typu Ic, 2 Chr. 11q23 Ib a Ic pravdepodobne alternatívne výrobky na spájanie (OMIM 602671) Terapia: Udržiavanie vysokej koncentrácie glukózy (často konzumácia občerstvenia; problém v noci) konečné: Transplantácia pečene Emery, s. 2451 Génová terapia stále v plienkach (Chou & Mansfield 2007)
Ochorenia na ukladanie mukopolysacharidov Passarge 244 Chromozóm 4p16 Xq28 17q25 17q21 8p11 12q14 16q24 3p21 5q11-13 7q21 3p21
Ochorenia na ukladanie mukopolysacharidov: Poruchy odbúravania heparánsulfátu: MPS: Mukopolysacharidóza I. Hurler II. Hunter IIIa. Sanfilippo (pokračovanie až po monomér) Recesívne dedičstvo Vklad 296b1
Ochorenia na ukladanie mukopolysacharidov: Hurler typu I Progresívne ochorenie: spočiatku nenápadné, potom zhrubne črty tváre, poruchy duševného vývoja, problémy s kĺbmi 297a
Ochorenia na ukladanie mupopolysacharidov: Pacient typu I s Hurlerom s typickými príznakmi: zakalenie rohovky, drsné črty tváre skrčené držanie tela, zhrubnuté prsty vyčnievajúce brušné knockoutované myši: α-l-iduronidáza vek 8 - 52 týždňov -> črty tváre! MedGenet Obr. 7.6; Očná genetika Obr. 32.8
Hurler typu I Klinický obraz: Progresívny priebeh: drsné črty tváre, zakalenie rohovky (s glaukómom a degeneráciou sietnice), mentálna retardácia, pupočná kýla, zväčšenie sleziny a pečene; Srdcové zlyhanie (srdcové chlopne; slabosť srdcového svalu) Rôzne stupne závažnosti: Hurler (závažný) Hurler/Scheie (stredný) - Scheie (ľahký) Liečba: Transplantácia kostnej drene; Aplikácia rekombinantnej iduronidázy (úspešná!) Frekvencia populačnej genetiky: približne 1: 110 000; Symbol génu: IDUA Najčastejšie mutácie u severných belochov: Q70X, W402X (spolu asi 80%), nie v japončine! V južnom Taliansku (Sicília): P533R obzvlášť častý (11%) (podľa OMIM)
Gen IDUA Gen: Prepis: Bielkoviny:
18 kb, 14 exónov, 2185 bp, 653 aminokyselín; 70 kda (podľa ENSEMBL)
Ochorenia na ukladanie mukopolysacharidov: Hunter typu II Príznaky podobné tým, ktoré má Hurler typu I. Progresívny priebeh spomaľuje recesívny gén: IDS (iduronát-2-sulfatáza) Chr. Xq28, OMIM 309900 Passarge 297b
Hunter typu II Klinický obraz: nízky vzrast, groteskné črty tváre, zväčšená pečeň a slezina, problémy so srdcom, hluchota Závažnosť: celkovo ľahší ako MPS I Hurler, ale ťažká forma smrteľná
15-ročná terapia: transplantácia kostnej drene zlá prognóza frekvencia populácie: 1: 110 000 - 165 000 mužov; v Izraeli: 1: 34 000 mužov Mutácie: gr./kl. Delécie, bodové mutácie tiež: inverzia (rekombinácia s pseudogénom vonku, pozri F8) (podľa OMIM)
Gén IDS Gén: Prepis: Bielkoviny:
26 kb, 9 exónov 5742 bp 550 aminokyselín, približne 62 kda Alternatívne zostrih: 2 ďalšie prepisy (podľa ENSEMBL)
2. Choroby metabolizmu aminokyselín Choroby spojené s tvorbou, konverziou, degradáciou alebo skladovaním aminokyselín; tu konkrétne tyrozín/fenylalanín príklady: fenylketonúria albinizmus choroba javorového sirupu
Metabolizmus Phe/Tyr Fenylketonúria Albinizmus Dopamín Noradrenalin Adrenalin Homogentisat Homogentisat-oxidáza (Seyffert-1, obr. 16.21)
Emery poruchy metabolizmu fenylalanínu
Fenylketonúria Príznaky: Ťažká mentálna retardácia Epileptické záchvaty Hyperexcitabilita Mikrocefália Pigmentové poruchy kože Genetika: Fenylalanínhydroxyláza (PAH) Chr. 12q22-24 Recesívna dedičnosť (Schaaf & Zschocke, 2008)
(Tariverdian-2, tab. 12.4) Rozdielny výskyt fenylketonúrie
Gén PAH a gén najbežnejších mutácií (ENSEMBL):
80 kb, 13 exónov Prepis: 2681 bp Proteín: 452 aminokyselín, približne 52 kda Zoznam všetkých mutácií: http://www.pahdb.mcgill.ca/information/mutationmap/mutationmap.pdf Passarge 2008
Mutácie PAH Populačná genetika: 5 bežných mutácií PAH v Európe (každá izolovaná zakladateľská mutácia): IVS12nt1 Arg408Trp Arg261Gln Arg158Gln IVS10nt546 v Dánsku v Československu (ale najvyššia frekvencia v západnom Írsku a Litve rôzneho pôvodu = 2 zakladatelia) vo Švajčiarsku a Turecku bez zakladateľov známe v Taliansku údaje použiteľné pre migračné pohyby a iný antropologický výskum (OMIM)
Skríning fenylketonúrie na novorodencov: Guthrieov test Pozitívna vzorka: diéta bez fenylalanínu (do 14 rokov = koniec rastu mozgu) -> bez poškodenia Gravidita: je nevyhnutná diéta bez fenylalanínu: fenylalanín prekračuje bariéru placenty -> možné poškodenie embrya (BioMed 4.13 )
(MedGenet Tab. 7.3) Fenylalanín v potravinách
(MedGenet.7.4) Diéta pre pacientov s PKU
Emery tab. 88.2 2. Poruchy metabolizmu tyrozínu
Degradácia tyrozínu Tyrozínaminotransferáza TAT (typ II) H 3 N + 4-hydroxyfenylpyruvát dioxigenáza HPD (typ III) - OOC fumarylacetoacetáza FAH (typ I) (Karlson, obr. 7.8)
Tyrozinémia: Klinické obrázky typu I (fumarylacetoacetáza, génový symbol: FAH): Frekvencia: 1: 100 000 (Med. Genet), ale: 1: 1846 v oblasti Québecu (efekt zakladateľa) Klinika: Cirhóza pečene a rakovina, zväčšenie obličiek a pankreasu Laboratórium: Aminokyseliny v moči, zvýšená hladina metionínu v sére Liečba: Transplantácia pečene čo najskôr Typ II (tyrozínaminotransferáza, génový symbol: TAT): Frekvencia: zriedka Klinické: Vred na rohovke, keratóza na prstoch, dlaniach a chodidlách; laboratórium na mentálnu retardáciu: zvýšená hladina tyrozínu v krvi; Liečba: Vyvarovanie sa tyrozínu a fenylalanínu v potravinách typu III (4-hydroxyfenylpyruvát dioxigenáza, génový symbol: HPD): Frekvencia: zriedka Klinické: poruchy koordinácie, ospalosť, mierna mentálna retardácia Laboratórium: nedostatok 4-hydroxyfenylpyruvát dioxigenázy Liečba: vyhýbanie sa tyrozínu v potravín Podľa OMIM
Alternatíva: od tyrozínu po melaníntyrozinázu (TYR) Spontánne uzavretie kruhu Spontánna polymerizácia (Karlson, obr. 7.9; Ocular Genetics 34.1) Poruchy: Albinizmus
Fenotyp: Okulokutánny albinizmus (typ I: OCA1) svetlé vlasy, ľahká pokožka, silná citlivosť očí na oči Žiadne pigmenty od narodenia: Hypopigmentácia v oku: Hypoplázia fovea Melanosomes s malým alebo žiadnym obsahom melanínu Frekvencia: 1: 35 000 (recesívna) MedGenet-Color2
Iné formy okulokutánneho albinizmu Príčina nie je priamo v metabolizme tyrozínu: 1. OCA2: p-gén (riedenie ružovými očami; Chr. 15q11) Frekvencia: 1:36 000 (recesívna) hypopigmentácia, účasť na Prader-Willi alebo Angelmann Syndrómová porucha: Transport Tyra cez membránu melanozómov 2. OA1: OA1 (X-chromozomálny) kóduje receptor spojený s G-proteínom. Podľa OMIM
Frekvencia: 1: 185 000 (zriedkavo), ale: 1: 84 000 v Gruzínsku 1,51 000 Askenazi 1: 176 Mennoniti v Pensylvánii Dedenie: autozomálne recesívne Príčina: Metabolická porucha komplexu aminokyselín BCKDH s rozvetveným reťazcom v postihnutých mitochondriách (s rozvetveným reťazcom - ketokyselina dehydrogenáza) Príznaky: slabosť pri pití, letargia (až kóma!), záchvaty rôznej závažnosti; charakteristická vôňa pre mentálnu retardáciu (Maggi) pri liečbe močom: genetika: choroba moču z javorového sirupu (MSUD; OMIM 248600) strava (ale často neskoro) ovplyvnené 4 gény: BCKDHA, BCKDHB, DBT, DLD Skvorak 2009; OMIM 248600
Ochorenie javorovým sirupom Biochémia aminokyselín s rozvetveným reťazcom Transaminázová reakcia v cytoplazme a/alebo mitochondriách Poruchy mitochondriálneho komplexu BCKD (dekarboxylácia) vedú k ochoreniu javorovým sirupom Chuang a kol., 2006
Ovplyvnené gény chorôb javorového sirupu BCKDHA (E1): dekarboxyláza-1-ketokyselina s rozvetveným reťazcom; Chr. 19q13 BCKDHB (E1): dekarboxyláza-1-ketokyselina s rozvetveným reťazcom; Chr. 6q14 DBT (E2): dihydrolipoyl-transacyláza; Chr. 1p31 DLD (E3): dihydrolipoamid dehydrogenáza; Chr. 7q31 OMIM 248600
Príklady mutácií a úrovní závažnosti chorôb z javorového sirupu Mitsubuchi a kol., 2005
3. Choroby močovinového cyklu neurotoxické, zvýšené koncentrácie amoniaku Kumulatívna frekvencia 1: 8000 (Passarge, 2008)
Choroby močovinového cyklu: nedostatok ornitín-transkarbamylázy (OTC) Najbežnejšia a najťažšia forma chorôb močovinového cyklu Frekvencia 1: 14 000 X-viazaný (neúplný) dominantný (Xp21) Klinika: i.d.r. fatálne u novorodencov, variabilná a ľahšia forma u heterozygotných dievčat, progresívna letargia, rýchla kóma hyperamonémia (> 150 µmol/l u novorodencov;> 100 µmol/l u starších detí) Liečba: okamžité zastavenie prísunu bielkovín, detoxikácia (až po dialýzu) ( Passarge, 2008)
Deficit ornitín-transkarbamylázy (OTC) 10 exónov mrna: 1 585 bp proteín: 354 aminokyselín ->
39 kda> 240 mutácií, 13 SNP 42% -> novorodení chlapci 21% -> neskorý nástup ochorenia 37% -> heterozygotné ženy Žiadne zakladajúce mutácie; Mutácie rovnomerne rozložené po géne 20% prípadov sa v OTC géne nenašla žiadna mutácia. Tuchman a kol., 2002
4. Choroby metabolizmu mastných kyselín celkovo
Zahrnutých 13 génov Dôležitý zdroj energie pri pôste Ak ste chorí: vyhýbajte sa pôstu! (Med.Genet., 1999 Schaaf & Zschocke, 2008)
Gregersen a kol., 2004 Choroby metabolizmu mastných kyselín ACAD: acyl-coa dehydrogenáza; vl: veľmi dlhé; m: stredná; s: krátky Chr. 17p11 80% všetkých mutácií v MCAD (K304E) Chr. 1p31 Klinické účinky veľmi variabilné! (Epizodické záchvaty hypoglykémie, letargie, zvracanie; kóma) Frekvencia: 1: 6000 Chr. 12q22
5. Poruchy syntézy cholesterolu Cholesterol sa vyrába z AcCoA vo viacstupňovom procese Príklad: Smith-Lemli-Opitzov syndróm Mikrocefália s výrazným čelom, malým nosom, nosnými dierkami smerovaná Malformácie v mozgu s poruchami správania a učenia Variabilita fenotypu Syndaktylia prstov na nohách 2 a 3 Frekvencia: 1: 20 000 70 000 Príčina: Mutácia v géne DHCR7 (7-dehydrochelesterol reduktáza) (Chr. 11q13; OMIM 270400) (Schaaf & Zschocke, 2008 Porter, 2008)
Poruchy syntézy sterolov: Smith-Lemli-Opitzov syndróm (Porter, 2008) Možnosť liečby: príjem cholesterolu potravou
Smith-Lemli-Opitzov syndróm: mutácie v géne DHCR7 10%; Med 5% 5% FR 6% OEu 27%; UK (Yu & Patel 2005) 5 dierovaných mutácií: spolu 50-60% všetkých prípadov, regionálne odlišná frekvencia Zakladateľské účinky: Výhoda heterozygotov v kompenzačnej zvýšenej syntéze vitamínu D?
Poruchy syntézy steroidných hormónov: Klinika Adrenogenitales Syndrome (AGS): Zvýšená tvorba androgénnych hormónov od 6. týždňa tehotenstva Virilizácia ženských embryí intersexuálne vonkajšie pohlavné orgány (vnútorné pohlavné orgány nie sú ovplyvnené) po narodení: Možnosť straty solí v dôsledku nesprávneho pitia, hnačiek, zvracania (Vysychanie; obe pohlavia) Genetika: hlavne mutácie CYP21 (21-hydroxylázy) Chr. 6p21, OMIM 201910 Frekvencia: 1:10 000 1:15 000 90% z toho konverzia génov so susedným pseudogénom CYP21P (Schaaf & Zschocke, 2008)
Poruchy syntézy steroidných hormónov: adrenogenitálny syndróm (AGS)