Úvod do biochemickéÚvod do biochemické genetikygenetiky

Viktor Kožich

Ústav dědičných metabolických poruch1.LF UK a VFN Praha

OsnovaCíl kursu o biochemické geneticeZákladní charakteristika DMP a frekvence v

populaciHistorie DMPHistorie DMPGenetický podklad DMPZákladní patogenetické mechanismyDMP malých molekul a komplexních a ýc o e u a o p e c

molekulKlinické projevy DMPKlinické projevy DMP

Cíl kursu o DMP

Biochemická genetika = DMP

genetika biochemie

klinická medicína

Kazuistika 1-isovalerová acidurie

neprospívání, zvracení

opakované poruchyopakované poruchy vědomí

k t idketoacidosa

zápach zpocenýchzápach 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://graphics8.nytimes.com/images/2007/08/01/health/adam/17046.jpg

http://www.nature.com/ki/journal/v73/n8/images/5002790f1.jpg

Základní charakteristika DMP

Dědičné metabolické poruchy

substrátobvykle AR, GR

d kt

klinicky variabilní

obvykle enzym

produkt

Klinický obraz DMP-věk

http://markandrich.googlepages.com/Old-woman.jpg/Old-woman-full.jpg

http://www.hrr.co.uk/acatalog/crocodile_toddler.jpghttp://www.co.shasta.ca.us/html/DSS/images/FosterParentingAdopt/infant.jpg

Klinický obraz DMP-orgány

http://universe-review.ca/I10-82-organs.jpg

Kli ik DMP ( ) ifit ří kůKlinika DMP-(ne)specifita příznaků

specifické nespecifickéspecifické nespecifické

př. NH3, kys.močová

http://img.medscape.com/pi/emed/ckb/pediatrics_genetics/941088-943343-507.jpg

http://gatsome.com/images/iq.gifhttp://www.saratogaschools.org/AcademicServices/MiddleSchool

Klinický obraz multisystémovostKlinický obraz-multisystémovost

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

Diagnostika DMPDiagnostika DMPsubstrátsubstrát

d ktproduktPříznakyspecifické-např.

zápach

DNA/RNA Enzymologie Metabolity

barva močinespecifické-např.

komaPMRdysmorfiehepato/myopathiedalší

Výskyt DMP

novorozenecký screening 1:1000-1:4000

selektivní screening nejméně 1:500-1:1000

frekvence heterozygotů pro DMP nejméně 1:15yg p j

zastoupení se liší podle populacívyšší výskyt v imbredních populacích (PKU Turecko,vyšší výskyt v imbredních populacích (PKU Turecko, organické acidurie Blízký Východ)

tyrosinemie I.typu Quebec

aspartylglykosaminurie Finsko

lysosomální nemoci Izrael

ČVýskyt DMP v ČRsacharidy

12%beta-oxidace a OAU14%

puriny/pyrimidiny3%

AMK bez HPA

mitochondriální20%

%

AMK bez HPA18%

peroxisomální4%

HPA a PKU13%

lysosomální16%

ČR, 2005, n=127

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

, ,

dosud ~150 různých nosologických jednotek

Léčb DMPLéčba 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.jpghttp://images.google.com/imgres?imgurl=http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/8c/Bigot,_Trophime_-_A_Doctor_Examining_Urine.jpg/

1857 vynalezena pneumatická vrtačka; L P t k j ik biál í ů d k š íL.Pasteur prokazuje mikrobiální původ kvašení, R.Wirchow popisuje mitózu1867 dynamit1867 dynamit1874 džíny1886 automobil1886 automobil1890 podzemní elektrická dráha= metro1895 kinematograf1895 kinematograf1902 periskop, el.psací stroj; Nobelova cena za přenos maláriepřenos malárie1908 celofán, lampa s wolframovým vláknem; Nobelova cena za imunitu1936 cívkový magnetofon; Nobelova cena za výzkum neurotransmiterů

Lancet, vol ii, 1902, 1616-1620

Vývoj poznatků o DMP

1908 • 5 nemocí

2009•nejméně 500 nemocí

cca 1960 • cca 40 50 nemocí• 5 nemocí

(alkaptonurie, cystinurie, porfyrie,

t i

•nejméně 500 nemocí •Medline 122.797 článků (28/9/2009)č b i b á

• cca 40-50 nemocí•rozvoj analytických metodi id PKUpentosurie,

kongenitální steatorhea)

•učebnice-webová•incidence nejméně 1:1.000

•incidence pro PKU•PKU první screeningový

•1909 první učebnice•incidence neznámá

•diagnostika: metabolity, enzymy, DNA•screening MS-MS

program (R.Guthrie)•PKU je první léčitelná DMP

•diagnostika: 4 metabolity v moči•léčba žádná

g•léčba dostupná pro cca 1/3 nemocí

(H.Bickel)

léčba žádná

Historie biochemické genetiky v ČRi PKU ák ě 1975 D Bl h áscreening PKU uzákoněn 1975-Doc.Blehová,

Prof.Hyánek, Ing.Mrskošro oj diagnostik ostatních DMP ůdčí osobnostrozvoj diagnostiky ostatních DMP-vůdčí osobnost Prof.Hyánekpracoviště v Praze H Králové Brně Olomoucipracoviště v Praze, H.Králové, Brně, Olomouci, Ostravěrok 2009:rok 2009:

selektivní screening ~ 100 pacientů/rok (incidence 1:1000)1:1000)novorozenecký screening 10 DMP od 1.10.2009, předpokládaná incidence 1:4000p p

První DMP:

AlkaptonurieAlkaptonurie

</< td>

http://www.mja.com.au/public/issues/184_12_190606/sha20286_fm-1b.jpghttp://www.scielo.br/img/revistas/rbr/v46n5/a14fig02.jpghttp://bjo.bmj.com/content/vol83/issue6/images/large/98532.f1.jpeg

1859 Boedeker- alkapton v moči1891 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)metabolism)

Alkaptonurie v roce 2009mumie HARWA 1500 př.n.l.

pacienti známí již před Garrodempacienti známí již před Garrodem

1902 Garrod

1909 i db á á í t i1909 popis odbourávání tyrosinu

1958 prokázán enzymatický defekt

1996 popis genup p g

2003 léčba nitisonem

</< td>

Artróza kyčelníhoArtróza kyčelního kloubuPostižení chlopníMočové kameny

http://www.mja.com.au/public/issues/184_12_190606/sha20286_fm-1b.jpghttp://www.scielo.br/img/revistas/rbr/v46n5/a14fig02.jpghttp://bjo.bmj.com/content/vol83/issue6/images/large/98532.f1.jpeg

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

Deficit jaterní HGO

Vý k t 1 250 000Výskyt 1:250 000 až 1:1 000 000

Vysoký výskyt Slovensko

Pozdní komplikace běžné

Dosavadní léčba neúčinnáneúčinná

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

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

Léčba alkaptonurie

nitison (NTBC)

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

Genetický podklad DMP

Genetický podklad DMP

Monogenní mendelovská dědičnostdědičnost ARdědičnost GR/GDvzácně AD

X

Mitochondriální dědičnostMitochondriální dědičnostEpigenetické změnyX-inaktivaceX inaktivaceEpsistaseInterakce mutace x prostředídalší

Typy běžných mutací v DNATypy běžných mutací v DNA

Molekulové dopady mutacíMolekulové dopady mutací

Množství proteinuMnožství proteinu sníženéstejnéstejnézvýšené

Kvalita proteinuzměna izolované funkceglobální změna všech funkcímisfolding

Neproteinové genové produktysiRNAsiRNA

Význam mutací v evoluciVýznam mutací v evoluci

Zdroj variability (i kdyžZdroj variability (i když méně významný než meiotická rekombinace

k bi t)a kombinace gamet)

Přínosné mutacePřínosné mutace vznikají vzácně a jsou již obsaženy v genomu

Genetické nemoci jsou špičkou ledovcešpičkou ledovcevariability genomu

Mutace postihují různé domény

příklad PAH

cytosolový enzym

homotetramer

BH4 jako kofaktor

komplikovanýkomplikovaný katalytický mechanismusmechanismus

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

těžkýsplenomegalieanemieanemiekostní projevyCNS

lehkýsplenomegalieanemie

nejasný

http://www.nature.com/embor/journal/v4/n7/thumbs/embor873-f4.gif

nejasný

Hranice zdraví a nemoci

klinická manifestace

tř dí

klinická manifestace

prostředí

geny

preklinický test

genetický test

Léčba DMP- modifikace prostředí

klinická manifestace

prostředí

klinická manifestace

prostředí

geny

preklinický test

genetický test

Interakce geny x prostředí (PKU)

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

Modifikace nemoci prostředím

S č é tik íSoučasné genetika není mendelovskámendelovská

1 gen = více nemocí

1 i ů ý1 gen = nemoci s různým typem dědičnosti

více genů =1 nemoc

nutné mutace ve více než 1 genu

transgenerační přenosklasická genetika1 gen=1 nemoc

transgenerační přenos epigenetických značek

další a dalšíg další a další ……

genetika je a bude plná překvapení

Patofysiologické mechanismy DMP

Patofyziologie

prekursor

vedl.produktsubstrát vedl.produktsubstrát

enzyme transporter

produktprodukt

Patofyziologie

prekursor

vedl.produktsubstrát vedl.produktsubstrát

Příklady:Příklady:Phe a Phe-derivátyamoniakcystin u cystinosycystin u cystinuriemukopolysacharidy

PatofyziologiePříklady:

glukosa u GSDk t látk hketolátky u poruch beta.oxidace MKplasmalogeny uplasmalogeny u peroxisom.poruchcystein u deficitu CBSAdoMet u RMATP u mitochondriálních

í

produkt

nemocí

produkt

Lokální vs. systémové důsledky

Lokální dopady-příklady:

MPS-kosti a šlachy, slezina, játra, CNS

cystinurie-vývodný systémy ý ý y

Lokální vs. systémové důsledky

Vzdálené dopady-příkladydá e é dopady 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 Daplyny, anorganické ionty

aminokyseliny

organické kyselinyorganické kyseliny

sacharidy

polyoly

jednoduché lipidy

puriny, pyrimidiny

i ivitaminy

oligomery: peptidy do cca 5-10 AMK, oligosacharidy

cytosol stroma mitochondrií krev močcytosol, stroma mitochondrií, krev, moč

Nemoci malých molekul

obvykle závislé na exogenním přísunumanifestace (opakovanou) akutní toxicitoumanifestace (opakovanou) akutní toxicitou, často s encefalopathií/komatemčastá hepatopathiečastá hepatopathiečasté odchylky v běžné biochemii-amoniak, ABR, ketolátky, glykemie, kys.močová..., y, g y , yvznik symptomů závisí na specifické složce potravy, hladovění, katabolismumožný je i chronický průběh (při nízké toxicitě)obvykle relativně dobře léčitelné dietou a it ivitaminy

Isovalerová acidurie

neprospívání, zvracení, Kussmaulovo dýcháníKussmaulovo dýcháníporucha vědomí 24-48 hodin od nástupuhodin od nástupu příznaků je kómametabolická acidosametabolická acidosa, ketonuriezápach zpocenýchzápach zpocených nohou

http://images.google.com/imgres?imgurl=http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8b/Isovaleric_acid_structure.png

Cystinurie

http://graphics8.nytimes.com/images/2007/08/01/health/adam/17046.jpg

http://www.nature.com/ki/journal/v73/n8/images/5002790f1.jpg

Velké molekuly v biochem.genetice

definice: > 1500 Daglykolipidy

sfingolipidy

plasmalogenyplasmalogeny

neutrální polysacharidy (glykogen)

mukopolysacharidy

(další oligomery: proteiny, nukleové kyseliny...)

obvykle asociované s membránamiy

obvykle se nevyskytují ve větších množstvích v tělesných tekutinách ( x MS/MS technologie)tělesných tekutinách ( x MS/MS technologie)

Nemoci velkých molekul

obvykle rozvoj bez závislosti na exogenním přísunu složek potravypřísunu složek potravy

typicky je průběh progresivní (± různě dlouhé bezpříznakové období)bezpříznakové období)

možná dysmorfie při porodu

časté postižení nervového systému a svalstva

organomegalie v důsledku střádání u lysosomálních nemocí

obvykle neléčitelné dietou ani vitaminyobvykle 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

< 1500 Da > 1500 Da< 1500 Da > 1500 Da

Akutní toxicita ano neAkutní toxicita ano ne

Chronická progrese ± ano

Lokalizace cytosol, ECT membrány

Strukturální dopady ne ano

Diagnostika krev, moč tkáně (moč)

Původ exogenní endogenní

Léčba dieta vitaminy úspěšná neúčinnáLéčba dieta, vitaminy úspěšná neúčinná

Patofyziologie DMP

substrát

vedl.produkt<1500 Da

vedl.produkt

>1500 Da

produkt

1 32

Klinické projevy DMP

Klinický obraz DMP-věk

http://markandrich.googlepages.com/Old-woman.jpg/Old-woman-full.jpg

http://www.hrr.co.uk/acatalog/crocodile_toddler.jpghttp://www.co.shasta.ca.us/html/DSS/images/FosterParentingAdopt/infant.jpg

Klinické projevy DMP

http://universe-review.ca/I10-82-organs.jpg

Základní situace s dif dg. DMP

Malé molekulyk t ě ýakutně nemocný novorozenec

(opakovaná) ataka dlouhotrvajícího bezvědomíneprospívání kojenceneprospívání kojence

Velké molekulyVelké molekulyprogredující postižení CNS a svalstvadysmorfie obličejedysmorfie obličejeorganomegalie (játra, slezina, srdce)

Potrava a DMP (malé molekuly)

(sub)akutní toxicitamléko (laktosa)-hepatopathiesacharosa/fruktosa/sorbitol- hepatopathie a hypoglykemiebílkovinná 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 acidurie)p ( g )

respirační alkalosa a encefalopathie (poruchy cyklu močoviny)cyklu močoviny)

Abnormální zápach a barva močizápach (malé těkavé molekuly):

zpocené nohy-isovalerát

karamel/javorový sirup-oxokyseliny

vařené zelí-methionin oxid

rybina trimethylaminrybina-trimethylamin

černý rybíz- některé organické kyseliny

myšina-fenylacetáty y

zbarveníčervenooranžové-urátyy

černohnědé při oxidaci-homogentisát

modré-indoxalové deriváty

zelené-4-OH-butyrát

Běžné laboratorní nálezy u DMP

Krev

l k i

Moč

k t látkglykemie

cholesterol

TG

ketolátky

kys.močová

k t l iTG

kys.močová

krystalurie

myoglobinurie

MAc

hyperamonemie, RAlk

ALT,AST

CK

anemie/pancytopenie

1857-1936

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