Dědičné metabolické poruchy/Genetický podklad

Z WikiSkript

Úvod[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

  • vrozené poruchy metabolizmu = biochemické choroby člověka; chorobné stavy, při kterých osobitý geneticky podmíněný enzymový defekt způsobuje metabolický blok s patologickými následky
  • většina vrozených omylů metabolizmu je vázaných na X chromozom; některé jsou AD dědičné – pravděpodobně postihují regulátory metabolických pochodů (membránové receptory a enzymy, které katalyzují kroky odvislé od množství produktu); jejich porucha vede k poškození zpětné vazby, mutace a následné změny struktury bílkovin
  • mutace se mohou projevit jako enzymopatie, mohou ale ovlivnit i další mechanizmy regulace
  • většina metabolických chorob je způsobená enzymovým defektem − defektní enzym má nejčastěji sníženou enzymovou aktivitu v porovnání se svým normálním protějškem; někdy aktivita úplně chybí − snížená aktivita je případně následkem snížené afinity k substrátu nebo kofaktoru či instability molekuly enzymu; někdy může být přítomná zvýšená aktivita proteinu, prodloužený nebo zkrácený biologický poločas; jindy některé změny v sekvenci nukleotidů mohou vést k nadměrné tvorbě plně funkčního proteinu (porucha regulace genové exprese nebo translace) – poruchy proteinů jsou tedy jak kvalitativního, tak kvantitativního rázu
  • metabolizmus se uskutečňuje krok za krokem sérií reakcí, přičemž každý krok je katalyzovaný jiným enzymem; mutace jednoho enzymu metabolického procesu vede k hromadění prekurzoru a snížení množství produktu; obojí může mít patologické následky
  • příklady:
typ defektu příklady postižení
defekt enzymů PKU, galaktosémie, deficience adenosindeaminasy
defekt receptorů testikulární feminizace, hypercholesterolémie
defekt molekulárního transportu cystická fibróza, hypertenze
defekt struktury buněk Duchenneova a Beckerova muskulární dystrofie
defekt homeostázy antihemofilický globulin, imunoglobuliny
defekt regulace růstu a diferenciace determinace pohlaví, inaktivace X chromozomu, tumor supresory
defekt mezibuněčné komunikace inzulín, růstový hormon, diferenciace pohlaví
defekt mitochondrií Leberova atrofie optiku

Enzymopatie[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

  • celkem popsáno více jak 200 poruch funkce enzymů
  • fenylketonurie (PKU), hyperfenylalaninémie (HPA)
    • poruchy metabolizmu aminokyselin
    • PKU = AR dědičná porucha metabolizmu fenylalaninu s frekvencí v ČR cca 1:6000
    • projevuje se postupným rozvojem duševní zaostalosti, epilepsií a malou pigmentací
    • vysoká hladina fenylalaninu v krvi, manifestující se kyselinou fenylpyrohroznovou v moči
    • je podmíněna mutací genu pro fenylalaninhydroxylázu (PAH), která katalyzuje přeměnu fenylalaninu na tyrosin
    • fenylalanin je součástí všech bílkovin stravy a není-li pacienty s PKU metabolizován na tyrosin, hromadí se v tělních tekutinách a poškozuje myelinizaci vyvíjejících se nervových vláken
    • část fenylalaninu je fenylalaninaminotransferázou přeměněna na kyselinu fenylpyrohroznovou, která je ve zvýšené míře vylučována močí a dodává ji zápach po myšině; v tělních tekutinách je méně tyrosinu a v organizmu i méně produktů jeho metabolizmu
    • projevuje se teprve po narození
    • v těhotenství je přebytek fenylalaninu plodu odváděn placentou; s prvými vypitými dávkami mléka stoupá hladina fenylalaninu v krvi novorozence
    • dietou s velmi nízkým obsahem fenylalaninu a přídavkem tyrosinu lze ovlivnit hladinu fenylalaninu v krvi a zajistit téměř normální psychomotorický vývoj dítěte
    • základem úspěšné léčby je včasné stanovení diagnózy
    • postižené děti se rodí zdravým rodičům
    • diagnózu lze stanovit screeningovým vyšetřením: 5. den života se odebírá krev; při podezření na PKU je novorozenec neodkladně hospitalizován
    • u žen s PKU je dalším kritickým obdobím života jejich mateřství; v těhotenství placenta mnohonásobně koncentruje fenylalanin v krvi plodu – pokud žena nedodržuje přísnou dietu, hladina fenylalaninu poškodí vývoj plodu a to bez ohledu na jeho genotyp; důsledkem tzv. mateřské PKU jsou mentální retardace, mikrocephalie, vrozené srdeční vady
    • gen PAH byl pomocí sond mRNA izolovaných z jaterních buněk lokalizován na chromosomu 12q24.1; je dlouhý 90 kb a má 13 exonů
    • dosud bylo popsáno více než 170 různých mutací genu PAH; v ČR převládají 4, nejčastější je R408W (60 %); mutace zaměnila kodon 408 ve 12. exonu tak, že místo argininu (R) kóduje tryptofan (W)
      • nejvyšší četnost mutace je v Bělorusku – je proto považována za mutaci slovanskou; další nejvíce zastoupené mutace jsou R158Q (aRginin – glycin (Q)) – mutace častá ve středomoří a R261Q v 5. a 7. exonu
      • jiného typu je druhá nejčastější mutace IVS12nt1; postihuje 12. intron a mění sestřihové místo; mutace je nejčetnější v Dánsku
    • většina osob s PKU jsou složení heterozygoti; závažnosti klinického projevu souvisí na kombinaci mutagenních alel v genomu; př. mutace R408W, IVS12nt1 a R158Q podmiňují klasickou PKU s prakticky nulovou aktivitou PAH, ale mutace R261Q podmiňuje benigní hyperfenylalaninemii (HPA); aktivita PAH je zčásti zachována a hladina fenylalaninu v krvi je podstatně nižší než u klasické PKU (méně než 1mM); psychický vývoj dětí s HPA je přiměřený i bez diety, ale plod žen s HPA bez diety v těhotenství je poškozen stejně jako plod žen s klasickou PKU
    • analýza DNA umožňuje detekci heterozygotů i prenatální vyšetření plodu heterozygotních rodičů, vyšetření plodu se provádí z buněk trofoblastu nebo plodové vody; analýzou DNA lze stanovit presymptomaticky diagnózu PKU, ale i určit závažnost onemocnění a způsob léčby
    • PKU je jedním z kandidátů na genovou terapii; gen PAH byl úspěšně přenesen do myších hepatocytů
    • u některých novorozenců s vyšší hladinou fenylalaninu v krvi se stav později upraví a dietu nepotřebují = tzv. tranzitorní forma PKU s opožděnou expresí genu PAH v jaterních buňkách
    • u 1 – 3 % dětí není léčba dietou účinná; byla prokázána PKU podmíněná mutací genů pro syntézu kofaktoru PAH – tetrahydrobiopterinu (BH1) – pro dihydrobiopterin syntetázu a dihydropteridin reduktázu – komplikovanější léčba

Receptory a jejich poruchy[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

  • porucha funkce receptorů – prokázána jako jedna z příčin familiárních hyperlipidemií (hypercholesterolémie, FH) = zvýšená hladina cholesterolu, triglyceridů nebo obou těchto látek v plazmě; hyperlipidémie se výraznou měrou podílejí na vzniku aterosklerózy a následně IM
  • tuky přijímané potravou se vstřebávají v tenkém střevě; mnohem více cholesterolu se syntetizuje de novo v játrech
  • tuky nejsou rozpustné ve vodě a v krvi a proto jsou přenášeny a distribuovány v organizmu ve vazbě s proteiny
  • lipoproteiny = kulovité útvary složené z apolipoproteinů, které solubilizují tuky a váží se specificky na receptory buněk z tuků; apolipoproteinů je 9 typů: ze střeva jsou tuky přenášeny chylomikrony (CM) do jaterních buněk a tkání
  • CM obsahují především apolipoprotein B-48; v tkáních lipázy štěpí triacylglyceroly na glycerol a mastné kyseliny, které buňky využívají jako zdroj energie
  • v jaterních buňkách jsou tuky z CM metabolizovány a spolu s cholesterolem syntetizovaným de novo inkorporovány do VLDL s apolipoproteinem B-100 a E a transportovány do tkání
  • ve tkáních lipázy odštěpují z VLDL triacylglyceroly a mění je na LDL nesoucí především cholesterol
  • LDL mohou pronikat do buněk prostřednictvím LDL receptorů na povrchu buněk
  • buňky využívají cholesterol jako prekurzor dalších metabolitů; příjem LDL LDL-receptory jaterních buněk inhibuje neosyntézu cholesterolu; při nadbytku je cholesterol přenášen z tkání do jater jako HDL
  • vázán HDL receptory jaterních buněk a metabolizován


  • FH = neúplně dominantně dědičná choroba se zvýšenou hladinou cholesterolu v plazmě, heterozygoti mají 7 –15 mmol/l (norma okolo 5 mmol/l); incidence 1: 500; homozygoti mají více než 20 mmol/l a mohou být postiženy IM již v dětství a dospívání; příčinou FH jsou nejčastěji mutace receptoru LDL (LDLr)
  • gen LDLr je lokalizován na chromozomu 19q13.3 (má 45 kb, 18 exonů a 5,3 kb mRNA transkript), mutace v různých exonech se svým fenotypovým projevem liší; mutace mohou úplně blokovat LDLr, porušit sestřih mRNA, porušit vazbu receptoru v membráně nebo transport komplexu do cytoplazmy i jeho zpracování v lysozomech
  • jiný typ FH – podmíněna mutací genu APOB pro apoB-100 (chromozom 2p23, gen je 43 kb dlouhý, má 29 exonů, 14 kb mRNA – velmi dlouhý transkript vzhledem k délce genu) • změny afinity apoB-100 k LDLr v důsledku mutace
  • zvláštní exprese genu APOB je tzv. úprava (editing) mRNA • apoB-100 je produkován v játrech• v střevních buňkách je 6666 baze transkriptu APOB genu deaminována • změnou kodonu z CAA na UAA (stop kodon) vzniká apoB-48 typický pro chylomikrony
  • jiným příkladem APOB mutace je mutace kodonu 2488, podmiňující záměnu AMK způsobující nízkou hladinu cholesterolu v krvi
  • další dědičnou změnou metabolismu tuků podmiňuje např. AR dědičná deficience cholesteroltransferázy – přenáší cholesterol mezi různými nosiči (apolipoproteiny) • snížení hladiny HDL a zvýšení hladiny LDL a VLDL • větší riziko aterosklerózy

Poruchy molekulárního transportu[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

  • cystická fibróza (CF) = AR dědičné onemocnění a incidencí u novorozenců 1:1600 –1: 2500
  • CF postihuje funkci exokrinních žláz; nedostatečná sekrece trávicích enzymů pankreatu je příčinou zahuštění stolice a neprůchodnosti střev (mekoniový ileus) u novorozenců a poruchy trávení u dětí; v potu je vyšší koncentrace chloridů; hlen v dýchacích cestách je vazký, obtížně se vykašlává a to je příčinou opakovaných chronických infekcí dýchacích cest a plic; muži bývají sterilní a u žen je snížená fertilita
  • úmrtí ve 20-30 letech v důsledku změn plicní tkáně po opakovaných infekcích a srdeční selhání v důsledku většího odporu plicního krevního řečiště
  • gen CF – CFTR – byl lokalizován na chromozomu 7q31, je exprimován v epiteliálních buňkách
  • produktem je protein s 1480 AMK se všemi doménami zdvojenými; CF je reálným kandidátem na genovou terapii
  • 50–80 % mutací genu CFTR je podmíněno delecí 3 bazí v exonu 10, kódujícím 1.doménu vazby s ATP, mutace způsobuje deleci fenylalaninu = mutace deltaF508 podmiňuje těžkou formu CF
  • CFTR je degradován již v ER a do plazmatické membrány není vůbec vestavěn
  • pacienti s CF jsou často složení heterozygoti
  • symptomatická léčba je zaměřena na substituci exokrinní sekrece pankreatu, na zkapalnění sekretu žláz dýchacího traktu, na prevenci a terapii infekcí dýchacích cest

Defekt struktury buněk[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

  • Duchennova muskulární dystrofie (DMD) a Beckerova muskulární dystrofie (BMD) – X-vázaná recesivně dědičná onemocnění postihující kosterní svaly a v menší míře i sval srdeční a hladké svalstvo
  • pacienti s DMD po porodu bez obtíží, v průběhu dětství se projevuje chabost svalů dolních končetin, lýtka jsou hypertrofická (tuková pseudohypertrofie), postižení CNS se projevuje ve snížení IQ v průměru o 20 bodů, svalová slabost se postupně zhoršuje, takže v dospívání jsou pacienti upoutáni na kolečkové křeslo a umírají do 20 let věku na selhání srdce nebo dýchání; v séru postižených je zvýšena hladina sérové kreatinkinázy; ve svalové biopsii jsou prokazatelné barevné změny struktury svalů
  • u žen přenašeček je manifestace ovlivněna inaktivací X chromozomu – mohou mít mírné svalové obtíže, zvýšenou hladinu sérové kreatinkinázy a histologicky prokazatelné postižení některých svalových vláken
  • DMD u žen je vzácná, postihuje ženy s karyotypy 45,X (Turnerův syndrom) event. 46,XY (testikulární feminizace) nebo s delecí krátkých ramének X –chromozomu
  • BMD je mírnější, s pozdějším nástupem klinických projevů, pomalejší progresí a umožňuje dožití i vyššího věku; populační frekvence je okolo 1: 3500, z toho 10–15 % je udržována vysokou frekvencí nových mutací; třetina případů je podmíněna novými mutacemi
  • gen DMD je největší známý gen u člověka – lokalizován na Xp21 – má 2,3 kb, více než 75 krátkých exonů, introny tvoří 99 % délky genu
  • většina mutací je podmíněna delecemi jednoho nebo více exonů – většina těchto delecí je kumulována na 5´ konci genu a v oblasti 44-50. exonu; DMD a BMD se neliší lokalizací mutací; závažnější průběh DMD je podmíněn posunem čtecího rámce, u BMD delece postihuje celé exony nebo triplety a k posunu čtecího rámce nedochází
  • transkript genu je mRNA delší než 11kb a produktem translace je dystrofin s 3685 AMK, dystrofin je lokalizován v cytoplazmatické membráně svalových buněk, stabilizuje membránu a ukotvuje molekuly aktinu v cytoskeletu

Regulace diferenciace[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

  • mužské pohlaví je determinováno kombinací heterochromozomů XY
  • v případě přítomnosti více jak jednoho X chromozomu je druhý a další X chromozom v jádře 15–16. den po oplodnění spiralizován (vytváří sex-chromatinový znak) a většina jeho genů je inaktivována, tím je kompenzována nerovnováha v počtu X chromozomů u žen a mužů
  • u žen s translokací části X chromozomu na autozomy je inaktivována pouze jedna část z jeho částí – studie prokázaly X inaktivační centrum na X chromozomu
  • gen je lokalizován v oblasti Xq13.2 = tzv. XIST – je 17 kb dlouhý; transkript je možné prokázat v jádrech buněk s více než jedním X chromozomem; transkript nikdy nepronikne do cytoplazmy a tedy nedochází nikdy k jeho translaci
  • u determinace mužského pohlaví: gen SRY byl lokalizován do těsného sousedství pseudoautozomální části Y chromozomu, gen má 2,1kb a je vysoce konzervativní; jeho translokace na X chromozom podmiňuje nálezy 46,XX u mužů s fenotypem Klienefelterova syndromu
  • SRY je homologní s non-histonovými jadernými proteiny, váže se na promotor genu pro cytochrom-P450-aromatázu, která mění testosteron na ženský hormon estradiol
  • inaktivace SRY genu u embrya determinuje mužské pohlaví
  • SRY protein se váže i na promotor genu Mullerovy inhibiční substance, jeho inaktivace mužského embrya vyvolá diferenciaci testes a regresi ženských orgánů
  • produkt SRY genu působí jako regulátor transkripce; neobsahuje žádné introny a končí sekvenci pro polyadenilový konec mRNA

Mitochondriální choroby[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

  • mitochondrie obsahují cirkulární DNA (mtDNA) bez nukleozomů a jaderné membrány; energii získávají oxidativní fosforylací cukrů a tuků a předávají ji buněčnému metabolizmu ve formě makroergních fosfátových vazeb ATP
  • každá mitochondrie obsahuje více kopií DNA
  • jde vlastně o 24. chromozom lidského genomu
  • vznikají autoreplikací a v průběhu mitózy se rozcházejí do dceřiných buněk; zygota je vybavena pouze mateřskými mitochondriemi; spermie má sice jednu mitochondrii, ta je ale destruována po oplodnění
  • mutace mtDNA se dědí matroklinně a jejich projevy se zvýrazňují věkem
  • mutace mtDNA postihují oxidativní fosforylaci a proto se projevují především ve tkáních citlivých na nedostatek energie
  • Leberova atrofie optiku, oboustranná slepota v dospělosti
  • defekty struktury a funkce mitochondrií mohou být podmíněny i mutacemi jaderné DNA a dědit se klasickým mendelovským způsobem

Geny s dosud neznámým mechanismem působení[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

  • syndrom fragilního X (fra-X), mentální retardace různého stupně; frekvence u mužů 1:1250, charakteristický vzhled obličeje – odstávající dlouhé ušní boltce, podlouhlý hrubý obličej a velká testes, fragilní místo na chromozomu X v lokalizaci Xp27.3 – gen FMR1; dědí se recesivně ve vazbě na chromozom X, 30 % žen přenašeček je mírně mentálně retardovaných, ale bez somatických změn, 20 % mužů s cytogeneticky prokazatelným fra-X jsou přenašeči bez klinických příznaků, dcery těchto přenašečů jsou zdravé, ale synové a vnuci těchto dcer mohou být mentálně postiženi = tzv. paradox Shermanové

- u zdravých mužů – přenašečů s cytogeneticky prokazatelným fra-X je počet tripletů CGG 52 – 200 = tzv. premutace, došlo-li ke zmnožení tripletů (premutaci) je velmi pravděpodobné další zmnožení tripletů a vznik plné mutace s klinickými projevy; při přenosu mutace ženami, vznik plné mutace, zmnožení tripletů CGG až na 4000 - v blízkosti popsaného fragilního místa byla objevena další sekvence CGG tripletů s možností zmnožení a projevy fragility X chromosomu a oligofrenií = tzv. FRAXE – je vzdáleno 600 kb od FRAXA (FMR1) - v genu pro myotonickou dystrofii (19q13.2-3)byl nalezen polymorfizmus počtu tripletů GCT, u Kennedyho choroby (spinální a bulbární muskulární atrofie) a u spinocerebelární ataxie polymorfizmus CAG tripletů; počet CAG tripletů rozhoduje o tom, kdo a kdy bude postižen Huntingtonovou chorobou (HD) – AD (4p16.3), na počátku genu pro HD (IT15) nacházíme 40 i více než 100 tripletů CAG (norma 11 – 34) - pro všechny tyto choroby platí odchylky od základních pravidel monogenní dědičnosti, při přenosu z generace na generaci dochází k anticipaci – v následných generacích se znak manifestuje časněji a ke genomickému imprintingu – při přenosu od rodiče jednoho pohlaví je manifestace časnější než při přenosu od rodiče druhého pohlaví

Odkazy[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Související články[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Další kapitoly z knihy MASOPUST, J., PRŮŠA, R.: Patobiochemie metabolických drah:

Zdroj[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

  • MASOPUST, Jaroslav a Richard PRŮŠA. Patobiochemie metabolických drah. 1. vydání. Praha : Univerzita Karlova, 1999. 182 s. s. 211–212. ISBN 80-238-4589-6.