Úvod do biochemické Úvod do biochemické genetiky

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
</< td>
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
</< td>
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