6. CHOROBY O PODŁOŻU GENETYCZNYM
Ew. ME tezauryzmoz
MUTACJE
CHOROBY DZIEDZICZĄCE SIĘ ZGODNIE Z PRAWAMI MENDLA
Choroby dziedziczące się autosomalnie dominująco
Choroby dziedziczące się autosomalnie recesywnie
Choroby dziedziczne sprzężone z chromosomem X.
Podłoże molekularne chorób dziedziczących się zgodnie z prawami Mendla
Konsekwencje zaburzeń enzymatycznych
Konsekwencje zaburzeń strukturalnych, czynnościowych i ilościowych białek nieenzymatycznych
Zdeterminowane genetycznie zaburzenia reakcji na leki
CHOROBY ZWIĄZANE Z ZABURZENIAMI BUDOWY BIAŁEK STRUKTURALNYCH
Zespół Marfana
Zespół Ehlersa-Danlosa
CHOROBY ZWIĄZANE Z ZABURZENIAMI BUDOWY RECEPTORÓW
Hipercholesterolemia rodzinna
CHOROBY ZWIĄZANE Z ZABURZENIAMI DOTYCZĄCYMI BIAŁEK ENZYMATYCZNYCH
Spichrzeniowe choroby lizosomalne
Choroba Taya-Sachsa
Choroba Niemanna-Picka
Choroba Gauchera
Mukopolisacharydozy
Glikogenozy
Alkaptonuria
CHOROBY ZWIĄZANE Z ZABURZENIAMI BIAŁEK UCZESTNICZĄCYCH W REGULACJI WZROSTU KOMÓRKI
Neurofibromatozy
CHOROBY DZIEDZICZĄCE SIĘ WIELOCZYNNIKOWO
CHOROBY CYTOGENETYCZNE
Zaburzenia dotyczące chromosomów autosomalnyc
Trisomia 21 (zespół Downa)
Rzadsze trisomie
Zespół delecji chromosomu 22q11
zaburzenia dotyczące chromosomów płciowych
Zespół Klinefeltera
Zespół XYY
Zespół Turnera
Zespół wielu chromosomów X
Hermafrodytyzm i pseudohermafrodytyzm
CHOROBY JEDNOGENOWE DZIEDZICZĄCE SIĘ NIEKLASYCZNIE
Zespół łamliwego chromosomu X.
Inne choroby z niestabilnymi powtórzeniami sekwencji nukleotydowych
Mutacje w genach mitochondrialnych
Wdrukowanie genetyczne
Zespół Pradera-Williego i zespół Angelmana
Mozaikowatość gonad
DIAGNOSTYKA MOLEKULARNA
Diagnostyka chorób genetycznych
Bezpośrednia diagnostyka genetyczna
Fluorescencyjna hybrydyzacja in situ
Metody wykorzystujące PCR
MUTACJE
Mutacją nazywamy trwałe uszkodzenie DNA. Jeśli mutacje dotyczą komórek germinalnych, (zarodkowych), wówczas są przenoszone do potomstwa i mogą stanowić przyczynę choroby dziedzicznej. Mutacje dotyczące komórek somatycznych odgrywają zasadniczą rolę w karcynogenezie i w powstawaniu malformacji wrodzonych.
Wyróżniamy następujące rodzaje mutacji:
♦Mutacje genowe
Biorąc pod uwagę znaczenie biologiczne tego rodzaju aberracji, czyli ich wpływ na fenotyp, można je podzielić na mutacje:
◄Ciche
Mutację nazywamy cichą, jeśli dochodzi do niej w obrębie niekodujących lub nieregulatorowych części genu lub w przypadku niektórych mutacji punktowych - w trzeciej, najmniej „znaczącej” pozycji kodonu; ich rezultaty nie wywołują zmian fenotypowych.
◄Zmieniające znaczenie (sens) kodonu
To takie mutacje genów, których efektem jest zmiana aminokwasu w produkcie białkowym. Biologiczne znaczenie tych mutacji waha się od żadnego (jeśli nowy aminokwas nie zmieni funkcji białka) nawet do letalnego (jeśli nowy aminokwas całkowicie zaburzy jego funkcję).
◄Nonsensowne
To mutacje, w wyniku których powstają kodony „stop”, czyli sekwencje terminacyjne, prowadzące do zakończenia transkrypcji i do skrócenia mRNA, a w rezultacie produktu jego translacji - białka.
W zależności od rozległości aberracji wyróżniamy mutacje:
▪Punktowe
Charakteryzują się tym, że dotyczą zamiany jednego nukleotydu na inny i nie przesuwają trójnukleotydowej „ramki” odczytu.
*Tranzycja
Polega na zamianie puryny na purynę lub pirymidyny na pirymidynę.
*Transwersja
Polega na zamianie puryny na pirymidynę lub pirymidyny na purynę.
▪Wielonukleotydowe
Cechą szczególną tego typu mutacji jest zmiana „ramki” odczytu, jeżeli długość DNA kodującego produkt białkowy ulegnie zmianie o liczbę nukleotydów niepodzielną przez 3. Jeśli liczba nukleotydów zmieni się o wielokrotność 3, wówczas w produkcie białkowym zazwyczaj przybędzie lub ubędzie odpowiednia liczba aminokwasów, co może - ale nie musi - być przyczyną zmiany jego funkcji.
*Insercja
Polega na trwałym wstawieniu do nici DNA przynajmniej jednego nukleotydu. Pewnym wariantem tego typu mutacji jest aberracja polegająca na pomnożeniu liczby naturalnie występujących w jądrowym DNA sekwencji trójnukleotydowych. Odkrycie i badania schorzeń będących rezultatem tego typu mutacji są zasługą ostatniego dziesięciolecia (więcej w podrozdziale „Zespół łamliwego chromosomu X”).
*Delecja
Polega na trwałym usunięciu z nici DNA przynajmniej jednego nukleotydu.
♦Aberracje chromosomalne
W prawidłowym jądrze komórkowym znajdują się dwa zestawy homologicznych chromosomów. Pojedynczy zestaw, czyli 23 chromosomy, to haploidalna liczba chromosomów, inaczej określamy ten stan jako euploidię. Jądro komórkowe zawierające dwa homologiczne zestawy (46 chromosomów) to jądro diploidalne. Stosując odpowiednie metody barwień (patrz podrozdział „Diagnostyka genetyczna”) można uzyskać na chromosomach charakterystyczny, prążkowy wzór. Prążki te numerowane są od centromeru ku obwodowi ramion chromosomu: krótkiego - p (od fr. petit) i długiego - q (kolejna litera alfabetu). Cały kariogram opisuje się podając najpierw cyframi arabskimi całkowitą liczbę chromosomów, następnie tyle symboli X i Y, ile uwidoczniono chromosomów płciowych i wreszcie ewentualne położenie obserwowanej i oznaczonej odpowiednim symbolem aberracji chromosomalnej.
Zaburzenia strukturalne
*Inwersja
Inwersja oznacza aberrację, w której dochodzi do dwóch pęknięć chromatyny i odwrócenia o 180º wyłamanego fragmentu. Stosunkowo rzadko prowadzi to do poważnych zaburzeń rozwojowych. Oznacza się ją literą i (ang. inversion).
*Inwersja paracentryczna oznacza, że obydwa pęknięcia znajdują się na jednym ramieniu, po jednej stronie centromeru.
*Inwersja pericentryczna oznacza, że każde z pęknięć znajduje się po przeciwnej stronie centromeru, a zatem centromer znajduje się wewnątrz wyłamanego fragmentu chromatyny.
*Delecja
Delecja oznacza utratę fragmentu chromosomu. Symbolicznie oznaczamy ją skrótem del (ang. deletion).
*Delecja terminalna to utrata obwodowej części chromosomu - jest ona rezultatem pojedynczego pęknięcia. Odłamany fragment nie posiada centromeru i w trakcie podziału nie przechodzi do komórek potomnych tylko ulega utracie. Przykładowo, w przypadku utraty obwodowej części chromosomu 14, od prążka 6 w rejonie 1 ramienia krótkiego, stwierdzonej u mężczyzny zapiszemy to jako 46,XY,del(14)(p16).
*Delecja wewnętrzna oznacza podwójne przełamanie chromatyny i utratę wewnętrznego odcinka chromosomu. Istotnym z klinicznego punktu widzenia przykładem takiej aberracji jest np. utrata prążka 11 z ramienia długiego chromosomu 22 [del(22q11)] omówiona w dalszej części tego rozdziału.
*Chromosom kolisty
Chromosom kolisty jest właściwie szczególnym rodzajem delecji. Zaburzenie to jest skutkiem dwóch delecji terminalnych, do których dochodzi na przeciwległych końcach chromosomu, a następnie połączeniu jego uszkodzonych końców. Symbolicznie aberrację tą oznaczamy literą r (ang. ring chromosome), np. w przypadku kolistego chromosomu 14: 46,XY,r(14). Odcięte obwodowe fragmenty ramion chromosomu nie posiadają centromeru i zostają zgubione w czasie podziału komórkowego; sam chromosom kolisty posiada wprawdzie centromer, ale - być może ze względu na kształt - nie zachowuje się normalnie ani w trakcie mejozy, ani mitozy. Zaburzenie to wiąże się zatem ze znacznymi zaburzeniami fenotypowymi, uzależnionymi nie tylko od ilości utraconego materiału genetycznego.
*Translokacja
W przypadku translokacji aberracja polega na przeniesieniu fragmentu chromosomu w inne miejsce. Zaburzenie to oznaczamy literką t (ang. translocation). W zależności od miejsca docelowego wyróżniamy:
*Translokację wewnątrzchromosomalną (intrachromosomalną)
W tym przypadku fragment chromosomu jest przenoszony z jednego miejsca chromosomu w inne miejsce tego samego chromosomu. O translokacji takiej można powiedzieć, że jest zrównoważona, ponieważ nie ma utraty materiału genetycznego i bardzo rzadko aberracja tego typu doprowadza do poważnych następstw.
*Translokację międzychromosomalną (interchromosomalną)
Polega na przeniesieniu odcinka chromatyny pomiędzy dwoma chromosomami. Jeśli są to chromosomy homologiczne to mówimy o translokacji siostrzanej, jeśli nie - jest to translokacja zewnętrzna. Można tą aberrację podzielić na:
*Transpozycję
Termin ten oznacza przeniesienie fragmentu chromosomu na inny chromosom.
*Translokację wzajemną
Ta aberracja polega na „wymianie” fragmentów chromosomów pomiędzy sobą. W uczonych podręcznikach wymienia się wiele tego typu zaburzeń, z punktu widzenia patologii istotne są dwa:
*Zrównoważona translokacja wzajemna
Aberracja ta jest skutkiem wzajemnej wymiany obwodowych fragmentów ramion dwóch chromosomów. W przypadku, gdy są to chromosomy homologiczne, zjawisko to może nie mieć żadnych następstw (jeśli wymieniane odcinki są równej długości) lub być przyczyną duplikacji krótkiego odcinka na jednym chromosomie z równoczesną jego delecją na drugim (kiedy wymieniane odcinki nie są równe). W obydwu tych sytuacjach translokacja jest zrównoważona, jednak w drugim może prowadzić do powstania niezrównoważonej mutacji u potomstwa.
Jeśli nie są to chromosomy homologiczne, co nota bene zachodzi częściej, przykładowo: jeśli dochodzi do translokacji ramienia długiego chromosomu 2 i krótkiego ramienia chromosomu 5 u kobiety, zapisujemy to 46,XX,t(2;5)(q31;p14). Nosicielka tej mutacji jest zazwyczaj fenotypowo prawidłowa (bo jej genom - niezależnie od tego gdzie - zawiera wszystkie potrzebne geny). Istnieje jednak zagrożenie, że u jej potomstwa dojdzie do translokacji niezrównoważonej, ponieważ do gamet trafią nieprawidłowe zestawy chromosomów: w jednym zestawie zabraknie fragmentu ramienia długiego chromosomu 2, z będą tam dwie kopie ramienia krótkiego chromosomu 5, a w drugim - odwrotnie. Efektem będzie poronienie lub powstanie wady wrodzonej u noworodka.
*Translokacja robertsonowska czyli połączenie centryczne
Jest to translokacja pomiędzy dwoma chromosomami akrocentrycznymi. Przełamanie chromatyny w chromosomach przebiega w pobliżu centromerów, a w wyniku translokacji powstaje z reguły jeden ogromny chromosom składający się z długich ramion macierzystych chromatyd i jeden mały - nie posiadający zwykle centromeru i ginący w czasie podziału komórkowego. Znajduje się na nim jednak tak mało materiału genetycznego, że nie ma zmian fenotypowych. Chromosom robertsonowski występuje w populacji ze średnią częstością około 1 na 1000 zdrowych osób i stanowi jedną z głównych przyczyn powstawania zaburzeń chromosomalnych (m.in. zespołu Downa) u dzieci nosicieli.
*Duplikacja
Jest ona najczęściej rezultatem transpozycji pomiędzy chromosomami homologicznymi (translokacji siostrzanej): fragment jednego z chromosomów zostaje przeniesiony do drugiego i w nim występuje w dwóch kopiach. W jednym z chromosomów dochodzi wtedy do delecji, a w drugim do duplikacji. Duplikację oznacza się skrótem dup (ang. duplication).
*Izochromosom
Aberracja ta stanowi szczególny przypadek duplikacji, dotyczący ramienia jednego z chromosomów. Izochromosomem nazywamy taki chromosom, w którym doszło do utraty jednego z ramion, zaś drugie z ramion zostało zduplikowane. W efekcie informacja genetyczna jest identyczna w każdym z ramion. Aberrację tą oznacza się literą i (ang. isochromosome). Najczęstszym zaburzeniem tego typu jest izochromosom długiego ramienia chromosomu X, co zapisujemy i(X)(q10). W tym przypadku można mówić o monosomii ramienia krótkiego chromosomu X (bo pozostaje jeszcze jedno ramię krótkie z drugiego chromosomu X) i trisomii ramienia długiego chromosomu X [pojęcia te wyjaśnione są niżej].
Zaburzenia ilościowe można zaklasyfikować jako aneuploidię lub poliploidię.
*Aneuploidia
Jest to stan, w którym zaburzenie dotyczy podziałów komórkowych, mitotycznych lub mejotycznych - w efekcie tych nieprawidłowości do nowo powstałego jądra komórkowego dostaje się większa lub mniejsza liczba chromosomów niż wielokrotność ich haploidalnej liczby (23).
Brak jednego z chromosomów to monosomia. Obecność jednego dodatkowego chromosomu nazywamy trisomią i stanowi ona najczęstsze zaburzenie chromosomalne. Jeśli w jądrze komórkowym stwierdza się obecność dwóch dodatkowych, homologicznych chromosomów, to stan taki nazywa się tetrasomią; jeśli jednak nie są one homologiczne, to mamy do czynienia z podwójną trisomią.
Aneuploidia jest wynikiem nondysjunkcji lub tzw. utraty chromosomu w anafazie.
*Nondysjunkcja (nierozdzielenie)
Do nondysjunkcji dochodzi wówczas, kiedy homologiczna para chromosomów nie ulega rozdziałowi w czasie pierwszego podziału mejotycznego lub dwie chromatydy nie rozdzielają się w trakcie drugiego podziału mejotycznego lub podczas podziału mitotycznego co doprowadza do powstania dwóch komórek aneuploidalnych. Jeśli do nondysjunkcji dojdzie w trakcie gametogenezy to powstające gamety będą zawierały albo jeden chromosom więcej (23+1=24) lub jeden chromosom mniej (23-1=22). Kiedy takie gamety biorą udział w zapłodnieniu, wówczas dochodzi do powstania zygoty trisomicznej (46+1=47) lub monosomicznej (46-1=45).
*Utrata chromosomu w anafazie
W przypadku utraty anafazowej jeden z homologicznych chromosomów w czasie mejozy lub jedna z chromatyd w przebiegu mitozy „spóźnia się” i nie wchodzi do nowo powstającego jądra komórkowego. W efekcie powstaje jedna prawidłowa komórka i jedna komórka monosomiczna.
*Poliploidia
Poliploidią nazywamy każdą wielokrotność haploidalnej liczby chromosomów za wyjątkiem diploidalnej, np. trzykrotność to triploidia, czterokrotność to tetraploidia itd. Jednym z często stosowanych w celach badawczych czynników wywołujących aberrację tego typu jest oziębienie komórek w czasie podziału.
Mutacje są przypadkowymi zdarzeniami się w trakcie replikacji DNA. Wyjąwszy rzadkie fenomeny probabilistycznie dokonujących się mutacji spontanicznych, które zapewne są przyczyną tego, że jesteśmy tymi, którymi jesteśmy, w ogromnej większości przypadków są one skutkiem oddziaływania promieniowania, związków chemicznych i wirusów, które ze względu na znaczenie dla zdrowia i życia zostaną omówione w rozdziale traktującym o karcynogenezie.
Podsumowując, należy podkreślić, że końcowym efektem mutacji jest zaburzenie syntezy lub czynności określonego białka. Zaburzenie to może dotyczyć transkrypcji - kiedy np. delecja genu lub mutacja promotora ją uniemożliwi, postranskrypcyjnej obróbki mRNA - jeśli np. w wyniku mutacji nie zostanie rozpoznana granica pomiędzy intronem a eksonem, translacji - jeżeli, przykładowo, w wyniku mutacji w obrębie genu przedwcześnie powstanie kodon terminacyjny, czy wreszcie enzymatycznych procesów postranslacyjnych modyfikujących łańcuchy polipeptydowe - wystarczy, że mutacja dotyczy jednego z enzymów, odpowiadających za prawidłowy przebieg tego procesu. Niektóre mutacje punktowe w obrębie eksonów mogą prowadzić do powstawania nieprawidłowych białek, nawet jeśli procesy przepisywania, splicingu i tłumaczenia zapisu nukleotydowego na sekwencję polipeptydową będą przebiegać prawidłowo.
W dalszej części tekstu zostaną przedstawione w zarysie kolejno:
Schorzenia wynikające z mutacji pojedynczych genów, wywierających znaczący efekt na funkcjonowanie organizmu.
Do tej kategorii zaliczyć można stosunkowo rzadkie zaburzenia, takie jak choroby spichrzeniowe i wrodzone błędy metaboliczne. Ponieważ większość tych schorzeń dziedziczonych jest zgodnie z prawami Mendla, nazywane bywają chorobami mendlowskimi. Istnieje jednak heterogenna grupa rzadkich chorób jednogenowych, które nie są dziedziczone zgodnie z prawami Mendla: są to schorzenia będące rezultatem mutacji o typie pomnożenia liczby krótkich sekwencji trójnukleotydowych, mutacji w mitochondrialnym DNA czy zjawisk takich jak wdrukowanie genetyczne lub mozaikowatość gonad.
Choroby będące rezultatem wrodzonych oddziaływań wielogenowych.
Ta grupa chorób obejmuje często diagnozowane schorzenia, np. cukrzycę czy nadciśnienie tętnicze krwi. Ze względu na złożoność stwierdzanych w ich patogenezie interakcji genów i czynników środowiskowych, bywają one nazywane chorobami dziedziczonymi wieloczynnikowo. Są one skutkiem addycyjnych oddziaływań licznych genów wywierających samodzielnie ograniczone efekty, co dodatkowo potęguje wpływ czynników środowiskowych, niejednokrotnie niezbędnych do ujawnienia się zaburzenia.
Zespoły chorobowe wynikające z zaburzeń dotyczących części lub całych chromosomów.
Zaliczyć do nich można schorzenia będące skutkem dziedzicznych mutacji strukturalnych i ilościowych chromosomów autosomalnych lub płciowych.
CHOROBY DZIEDZICZĄCE SIĘ ZGODNIE Z PRAWAMI MENDLA
Wszystkie choroby dziedziczące się zgodnie z prawami Mendla są rezultatami mutacji w pojedynczych genach. Liczba tych schorzeń przekroczyła już 6000 i nikogo nie należy przekonywać, że omówienie ich wszystkich przekracza ramy nie tylko tego rozdziału, ale i znacznie obszerniejszych opracowań. Pełna lista chorób jednogenowych jest dostępna, wraz z bardzo szczegółowym opisem objawów i diagnostyki, w bazie danych dostępnej w Internecie pod adresem: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Omim/.
Statystycznie każdy człowiek jest nosicielem przeciętnie od pięciu do ośmiu mutacji, w większości recesywnych, a przez to nie ujawniających się w czasie jego życia. Tylko co piąta z tych mutacji powstaje de novo w czasie embriogenezy, czyli w przeciwieństwie do pozostałych nie jest zaburzeniem odziedziczonym po przodkach.
Niektóre autosomalne mutacje genowe podlegają pełnej ekspresji w przypadkach kiedy dana osoba jest homozygotą, zaś w przypadku gdy jest heterozygotą ekspresja jest częściowa. Dzieje się tak w wtedy, kiedy obydwa allele danego genu podlegają ekspresji - zjawisko to nazywamy kodominancją. Przykładami takich genów są geny kodujące antygeny zgodności tkankowej czy antygeny grupowe znajdujące się na krwinkach.
Mutacja w obrębie pojedynczego genu może prowadzić do bardzo różnych zaburzeń i związanych z nimi objawów - zjawisko to nosi miano plejotropizmu. Przykładem tego typu mutacji jest niedokrwistość sierpowatokrwinkowa, będąca skutkiem punktowej mutacji w jednym z kodonów genu dla podjednostki β hemoglobiny. Jej skutkiem jest przede wszystkim nadmierna hemoliza krwinek, jednakże nieprawidłowe erytrocyty mają również trudności z odkształcaniem się w czasie przechodzenia przez drobne naczynia, które zatykają. W rezultacie dochodzić może do zawałów wielu organów wewnętrznych, włóknienia śledziony, zmian w kościach.
Z drugiej strony, mutacje w różnych miejscach genomu mogą prowadzić do identycznych fenotypowo zaburzeń i objawów - nazywamy to heterogennością genetyczną. Za przykład służyć może wrodzona głuchota dziecięca, u której podstaw może leżeć jakakolwiek z 16 recesywnych mutacji autosomalnych.
Sposoby dziedziczenia chorób będących wynikiem mutacji jednogenowych
Schorzenia jednogenowe dzieli się na cztery grupy, w zależności od tego, czy choroba ujawnia się jako cecha recesywna bądź dominująca oraz od tego, czy uszkodzony gen leży na chromosomie autosomalnym, czy na chromosomie X. Wszystkie znane schorzenia związane z mutacją genów położonych na chromosomie Y wiążą się z zaburzeniami spermatogenezy prowadzącymi do niepłodności; zatem nie są dziedziczne.
Choroby dziedziczące się autosomalnie dominująco
Schorzenie autosomalne dominujące ujawnia się już przy uszkodzeniu tylko jednego z alleli, czyli u osobnika heterozygotycznego. Nosicielem może być każde z rodziców, niezależnie od płci i każde może przekazywać wadliwy gen potomstwu, dlatego prawdopodobieństwo urodzenia chorego dziecka wynosi 50%.
Z obserwacji klinicznych wynika, że wbrew powyższym teoretycznym regułom dziedziczenia, część rodziców chorych dzieci nie wykazuje żadnych objawów schorzenia. W tych przypadkach choroba jest skutkiem nowej mutacji, powstającej w gametach. Nie zwiększa ona ryzyka zachorowania wśród rodzeństwa chorego dziecka. Prawdopodobieństwo zachorowania jest uzależnione od wpływu choroby na zdolności reprodukcyjne: jeśli schorzenie zaburza reprodukcję, wówczas większość nowych przypadków zachorowań jest rezultatem mutacji de novo. Szczególnie duży odsetek mutacji w DNA gamet obserwuje się u starszych rodziców (po 40 rż). Istnieje również stosunkowo niewielka grupa chorób dziedziczących się autosomalnie dominująco, które ujawniają się z pewnym opóźnieniem, dopiero w wieku dorosłym; należy do nich np. choroba Huntingtona.
Nasilenie i rozległość objawów chorobowych opisuje się używając dwóch terminów: ekspresji i penetracji.
Penetracja opisuje częstość ujawniania się określonej cechy fenotypowej: jeśli wśród osób z mutacją tylko u połowy ujawni się określony objaw, mówimy, że jego penetracja wynosi 50%. W przypadku pozostałych pacjentów, u których mimo mutacji, nie obserwuje się zmian w fenotypie, mówi się o niepełnej penetracji.
Ekspresja oznacza zmienność nasilenia cech fenotypowych, czyli objawów, przy istniejącym i możliwym do zidentyfikowania zaburzeniu w genomie; mówimy wtedy o zmiennej ekspresji. Doskonałym przykładem jest nerwiakowłókniakowatość typu 1 (opisana dalej) - w przypadku niektórych pacjentów jedynymi objawami są jedynie brązowe plamki na skórze, a u innych występują mnogie, guzowate zmiany na skórze i deformacje kości.
Mechanizmy leżące u podstaw niepełnej penetracji i zmiennej ekspresji nie są do końca poznane. Prawdopodobnie są one rezultatem wpływu innych genów lub czynników środowiskowych na ekspresję zmutowanych alleli. Wiadomo na przykład, że fenotyp chorego na niedokrwistość sierpowatokomórkową (rezultat mutacji w genie dla podjednostki β hemoglobiny) jest uzależniony od genu kodującego podjednostkę α ponieważ od niego zależy ile w ogóle powstaje hemoglobiny. Z kolei czynnikiem środowiskowym silnie modyfikującym fenotyp chorego na hipercholesterolemię rodzinną (patrz dalej) jest zawartość tłuszczów w diecie.
Z biochemicznego punktu widzenia, choroby dziedziczone autosomalnie dominująco można rozpatrywać w kontekście natury samej mutacji oraz typu białka, którego produkcja zostaje w wyniku tejże mutacji upośledzona. Większość mutacji prowadzi do produkcji białek nieaktywnych - noszą one wspólną nazwę mutacji z utratą funkcji.
Jeśli mutacja dotyczy tylko jednego allelu kodującego białko enzymatyczne, to taka utrata aktywności zwykle może zostać skompensowana przez enzym kodowany na drugim allelu - dlatego niedobory enzymatyczne nie manifestują się jako zaburzenia autosomalne dominujące. Zaburzenia autosomalne dominujące dotyczą głównie białek nieenzymatycznych, szczególnie dwóch głównych grup:
◄Białka związane z głównymi ścieżkami metabolicznymi, które są w prawidłowych warunkach hamowane w mechanizmie ujemnego sprzężenia zwrotnego. Przykładowo, w hipercholesterolemii rodzinnej (opisanej dalej) inaktywacja 50% receptorów LDL prowadzi do silnego wzrostu poziomu cholesterolu predysponującego do rozwoju miażdżycy.
◄Główne białka strukturalne, takie jak kolagen czy elementy cytoszkieletu (np. spektryna). W ich przypadku wiedza dotycząca mechanizmów leżących u podstaw ujawniania się zaburzeń przy 50% inaktywacji białka jest fragmentaryczna. Wiadomo jednak, że nieprawidłowe cząsteczki białek strukturalnych mogą negatywnie wpływać na białka prawidłowe - np. w przypadku cząsteczek kolagenu, którego aż trzy cząsteczki muszą spolimeryzować w helikalny łańcuch, deformacja tylko jednej z nich uniemożliwia stabilne połączenie pozostałych. Mutację tego typu (najczęściej punktową) nazywamy mutacją dominującą negatywną, ponieważ jeden produkt nieprawidłowego allelu negatywnie wpływa na prawidłowe produkty białkowe pozostałych. Tego typu zaburzenia leżą u podłoża zespołu Marfana czy nieprawidłowego wrodzonego kościotworzenia.
Rzadko stwierdza się mutacje, w wyniku których białko zyskuje nową funkcję. Niemal wszystkie tego typu zaburzenia dziedziczone są autosomalnie dominująco. Przykładem schorzenia, w którym wadliwe białko wykazuje funkcję niespotykaną w przypadku białka prawidłowego jest choroba Huntingtona, szczegółowo omówiona w rozdziale dotyczącym patologii OUN. Nieprawidłowe białko powstające na skutek mutacji w obrębie genu Huntingtona - Huntingtona - jest toksyczna dla neuronów.
Przykłady częstszych schorzeń dziedziczonych autosomalnie dominująco przedstawiono w poniższej tabeli, większość z nich przedstawiona jest szczegółowo w dalszej części książki.
Tabela 6-1.CHOROBY DZIEDZICZĄCE SIĘ AUTOSOMALNIE DOMINUJĄCO.
układ |
choroba |
białko |
loci genu |
nerwowy |
choroba Huntingtona |
huntingtyna |
4p16.3 |
|
neurofibromatoza |
neurofibromina |
17q11.2 |
|
dystrofia miotoniczna |
kinaza proteinowa dystrofii miotonicznej |
19q13.2-3 |
|
stwardnienie guzowate |
białko-1 stwardnienia guzowatego |
9q34 |
moczowy |
wielotorbielowatość nerek dorosłych typ 1 |
policystyna 1 |
16p13.3 |
pokarmowy |
rodzinna polipowatość jelita grubego |
białko polipowatości gruczolakowatej jelit |
5q21 |
krwiotwórczy |
sferocytoza wrodzona typ 2 |
erytrocytowa ankyrina-1 |
8p11.2 |
|
choroba von Willebrandta |
czynnik VIII |
12p13.3 |
kostny |
zespół Marfana |
fibryllina |
15q21 |
|
zespół Ehlersa-Danlosa (niekt. warianty) |
prokolagen / kolagen (różne typy) |
~ |
|
wrodzona łamliwość kości typ 1 |
prokolagen α-1 i α-2 |
~ |
|
achondroplazja |
receptor 3 czynnika wzrostu fibroblastów |
4p16.3 |
metaboliczny |
hipercholesterolemia rodzinna |
receptor LDL |
~ |
|
ostra przerywana porfiria |
syntaza hydroksymetylobilanu |
11q23.3 |
Ryc. 6-1. Wielotorbielowatość nerek dorosłych. Obie nerki, zwłaszcza jedna nieregularnie powiększone, widoczne liczne torbielki z treścią surowiczą. Makro 591.
Choroby dziedziczące się autosomalnie recesywnie
Choroby dziedziczące się autosomalnie recesywnie stanowią największą grupę schorzeń dziedziczących się klasycznie. Schorzenia te są rezultatem zaburzeń dotyczących obydwu alleli danego genu. Heterozygotycznie rodzice chorego dziecka (homozygoty) nie są z reguły chorzy, jednak schorzenie może dotyczyć jego rodzeństwa; statystyczne ryzyko zachorowania wynosi 25% na każdą kolejną ciążę. Jeśli zmutowany gen rzadko występuje w populacji, wówczas istnieje znaczne prawdopodobieństwo, że chore dziecko jest rezultatem małżeństwa pomiędzy krewnymi.
W odróżnieniu od schorzeń dziedziczonych autosomalnie dominująco, choroby autosomalne recesywne cechują się zwykle pełną penetracją i znacznie mniej zróżnicowaną ekspresją i ujawniają się we wczesnym dzieciństwie. Nowe mutacje są znacznie rzadziej niż w przypadku chorób autosomalnych dominujących przyczyną schorzeń, ponieważ mutacja dotyczy zwykle jednego allelu (mutacje w dwóch różnych loci są znacznie mniej prawdopodobne) i czasem nie ujawnia się nawet w ciągu kilku pokoleń - dopóty, dopóki gameta heterozygotycznego nosiciela nie połączy się z gametą innego heterozygoty. Mutacje dotyczą głównie białek enzymatycznych - w ten sposób dziedziczą się niemal wszystkie wrodzone schorzenia metaboliczne - i wiążą się z utratą funkcji białka. Heterozygoty posiadają jedynie połowę prawidłowej ilości enzymu, jednak jest to zwykle ilość wystarczająca do sprawnego funkcjonowania organizmu.
Często spotykane schorzenia dziedziczone autosomalnie recesywnie wyliczono w poniższej tabeli i podobnie jak wcześniej - większość z nich zostanie szczegółowo omówiona w dalszej części książki.
Tabela 6-2. CHOROBY DZIEDZICZĄCE SIĘ AUTOSOMALNIE
RECESYWNIE.
układ |
choroba |
białko |
loci |
metaboliczny |
zwłóknienie torbielowate |
CFTR |
7q31-32 |
|
galaktozemia |
urydylotransferaza galaktozo-1-fosforanowa |
9p13 |
|
homocystynuria (jeden z podtypów) |
β-syntaza cystationiny |
21q22.3 |
|
lizosomalne choroby spichrzeniowe |
różne |
~ |
|
niedobór α1-antytrypsyny |
α1-antytrypsyna |
14q32.1 |
|
choroba Wilsona |
β-łańcuch białka transportującego miedź |
13q14.3-q21.1 |
|
hemochromatoza |
HLA-H |
6p21.3 |
|
glikogenozy |
różne |
~ |
|
alkaptonuria |
oksydaza kwasu homogentyzynowego |
3q21-q23 |
krwiotwórczy |
niedokrwistość sierpowatokomórkowa |
podjednostka β hemoglobiny |
11p15.5 |
|
talasemia β |
podjednostka β hemoglobiny |
11p15.5 |
wewnątrzwydzielniczy |
wrodzony przerost nadnerczy |
różne |
~ |
szkieletowy |
zespół Ehlersa-Danlosa (niektóre warianty) |
różne |
~ |
nerowowy |
neurogenne atrofie mięśniowe |
różne |
~ |
|
ataksja Friedricha |
frataksyna |
9q13 |
|
rdzeniowe atrofie mięśniowe |
różne |
5q |
Choroby dziedziczne sprzężone z chromosomem X
Wszystkie schorzenia sprzężone z płcią są równocześnie sprzężone z chromosomem X i prawie wszystkie są dziedziczone recesywnie. Geny zlokalizowane na chromosomie Y są odpowiedzialne za rozwój jąder, stąd wszystkie ich mutacje wiążą się z bezpłodnością - zatem nie są dziedziczone. Zmapowano na chromosomie Y kilka genów nie związanych z determinacją płci, jednakże nie są znane żadne schorzenia, które byłyby z nimi związane.
Choroby recesywne sprzężone z chromosomem X stanowią niewielki odsetek schorzeń uwarunkowanych genetycznie. Większość genów na chromosomie X nie ma swoich homologicznych odpowiedników na chromosomie Y, stąd mężczyźni są hemizygotami dla tych genów, w związku z tym choroby te występują tylko u mężczyzn.
Chorzy mężczyźni nie przekazują zmutowanego genu synom, jednakże wszystkie ich córki są nosicielkami. Statystycznie synowie tych kobiet mają 50% szansy na to, że nie otrzymają uszkodzonego genu będą zdrowi, zaś ich córki - że nie będą nosicielkami.
Heterozygotyczne nosicielki zwykle nie wykazują pełnej ekspresji zmian fenotypowych z powodu obecności prawidłowego allelu. Dzieje się tak z powodu wybiórczej inaktywacji jednego z chromosomów X w komórkach somatycznych kobiet, w pewnej liczbie tych komórek inaktywowany jest prawidłowy chromosom X. Przykładowo, w niedoborze dehydrogenazy glukozo-6-fosforanu - kluczowego dla metabolizmu erytrocytów enzymu, którego gen położony jest w na chromosomie X - u mężczyzn dochodzi do masywnej hemolizy wewnątrznaczyniowej. U kobiet może dochodzić do częściowej hemolizy, o nasileniu zależnym od tego, w jakim odsetku komórek prekursorowych doszło do inaktywacji prawidłowego chromosomu X; jeżeli inaktywowany był we wszystkich komórkach prekursorowych uszkodzony chromosom X - penetracja jest zerowa i vice versa. Z reguły jednak ekspresja tego schorzenia u kobiet jest znacznie skromniejsza niż u mężczyzn.
Większość schorzeń recesywnych związanych z chromosomem X została wymieniona w tabeli i są one szczegółowo omówione w dalszej części tekstu.
Tabela 6-3. CHOROBY DZIEDZICZNE SPRZĘŻONE Z
CHROMOSOMEM X.
układ |
choroba |
białko |
loci |
mięśniowo-szkieletowy |
dystrofia mięśniowa Duchenne |
dystrofina |
Xp21 |
krwionośny |
hemofilia A |
czynnik VIII |
Xq28 |
|
hemofilia B |
czynnik IX |
Xq27.1-q27.2 |
|
przewlekła choroba ziarniniakowa (postać sprzężona z chromosomem X) |
polipeptyd β cytochromu b-245 |
Xp21.1 |
|
niedobór dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej |
dehydrogenaza glukozo-6-fosforanowa |
Xq28 |
immunologiczny |
agammaglobulinemia typ 1 |
kinaza tyrozynowa agammaglobulinemii Brutona |
Xq21.3-q22 |
|
zespół Wiskotta-Aldricha |
białko zespołu Wiskotta-Aldricha |
Xp11.23-p11.22 |
metaboliczny |
moczówka prosta (jedna z postaci) |
receptor 2 dla wazopresyny |
Xq28 |
|
zespół Lescha-Nyhana |
fosforybozylotransferaza hipoksantynowa |
Xq26-q27.2 |
nerwowy |
zespół łamliwego chromosomu X |
FMR-1 |
Xq27.3 |
Opisano także kilka schorzeń sprzężonych z chromosomem X dziedziczących się dominująco. Są one przekazywane przez chore kobiety połowie potomstwa, niezależnie od płci, zaś przez chorych mężczyzn - wszystkim córkom i żadnemu z synów - oczywiście pod warunkiem, że partnerzy nie są nosicielami. Przykładem tego typu schorzenia jest krzywica oporna na leczenie witaminą D.
Podłoże molekularne chorób dziedziczących się zgodnie z prawami Mendla
Choroby dziedziczące się klasycznie są rezultatem zmian zachodzących w pojedynczych genach. Zaburzenie genetyczne może prowadzić do zmniejszenia produkcji białka lub syntezy nieprawidłowego białka. Jak wspomniano, mutacje mogą wpływać na różne etapów syntezy: transkrypcję, tzw. splicing mRNA, translację. Efekty fenotypowe są zależne bezpośrednio od zaburzeń samych białek lub pośrednio - z powodu interakcji nieprawidłowego białka z białkiem prawidłowym. Przykładowo, w zespole Ehlersa-Danlosa stwierdza się różnego rodzaju zaburzeniu dotyczące kolagenu, z których najbardziej charakterystyczne opisano dalej nieco bardziej szczegółowo. I tak w typie IV aberracja dotyczy genu kodującego jedną z cząsteczek kolagenu, natomiast w typie VI cząsteczki kolagenu są prawidłowe natomiast mutacja dotyczy hydroksylazy lizylowej - enzymu niezbędnego do tworzenia stabilizujących wiązań krzyżowych pomiędzy łańcuchami kolagenu.
Zaburzenie jednogenowe może dotyczyć praktycznie każdego rodzaju białka (por. tabela poniżej). Jak wynika z wcześniejszych rozważań, typ dziedziczenia jest częściowo uzależniony od rodzaju uszkodzonego białka. Poniżej omówiono pokrótce mechanizmy dotyczące chorób jednogenowych, które sklasyfikowano następująco:
◄Konsekwencje zaburzeń enzymatycznych.
◄Konsekwencje zaburzeń białek receptorowych i transportowych.
◄Konsekwencje zaburzeń strukturalnych, czynnościowych i ilościowych białek
nieenzymatycznych.
◄Zdeterminowane genetycznie zaburzenia reakcji na leki.
Tabela 6-4. MOLEKULARNE PODŁOŻE CHORÓB DZIEDZICZĄCYCH SIĘ
KLASYCZNIE.
Rodzaj białka |
Przykład |
Zaburzenie molekularne i jego skutek |
Schorzenie |
enzym |
hydroksylaza fenyloalaniny |
mutacja granicy intron - ekson |
fenyloketonuria |
|
heksozaminidaza |
mutacja granicy intron - ekson lub mutacja o typie zmiany ramki odczytu |
choroba Taya-Sachsa |
|
deaminaza adenozyny |
mutacje punktowe zmniejszające aktywność białka |
ciężkie złożone niedobory immunologiczne |
inhibitor enzymu |
α1-antytrypsyna |
mutacja o typie zmiany sensu: zaburzenie wydzielania białka do osocza |
rozedma i schorzenia wątroby |
receptor |
receptor LDL |
delecja, mutacje punktowe: zmniejszenie syntezy, transportu na powierzchnię błony komórkowej, wiązania LDL |
hipercholesterolemia rodzinna |
|
receptor witaminy D |
mutacje punktowe: zaburzenia prawidłowego przekazywania sygnału |
krzywica oporna na leczenie wit. D |
transportowe |
hemoglobina |
delecja: zmniejszenie ilości |
talasemia α |
|
|
zaburzenie obróbki mRNA: zmniejszenie ilości |
talasemia β |
|
|
mutacje punktowe: zaburzenia strukturalne |
niedokrwistość sierpowatokrwinkowa |
|
CFTR |
delecja, mutacje punktowe |
mukowiscydoza |
strukturalne |
kolagen |
delecje i mutacje punktowe: zmniejszenie ilości prawidłowego kolagenu lub normalna ilość nieprawidłowego kolagenu |
zespół Ehlersa-Danlosa, nieprawidłowe kościotworzenie |
|
fibryllina |
mutacje o typie zmiany sensu |
zespół Marfana |
|
dystrofina |
delecja: zmniejszenie syntezy |
dystrofia mięśniowa Duchenne / Beckera |
|
spektryna, ankyrina, białko 4.1 |
różne |
wrodzona sferocytoza |
hemostazy |
czynnik VIII |
delecje, insercje, mutacje terminujące i inne: zmniejszenie syntezy lub nieprawidłowe białko |
hemofilia A |
regulatorowe |
białko Rb |
delecje |
wrodzony siatkówczak płodowy |
|
neurofibromina |
różne |
nerwiakowłókniakowatość typu 1 |
Konsekwencje zaburzeń enzymatycznych
Na skutek mutacji dotyczącej genu kodującego białko enzymatyczne, może dochodzić do ograniczenia ilości syntezowanego enzymu, ewentualnie do zmniejszenia jego aktywności; zarówno pierwsza jak i druga ewentualność prowadzą do powstania bloku metabolicznego. Konsekwencje bloku metabolicznego dotykającego przykładową, hipotetyczną ścieżkę przemian enzymatycznych (patrz rycina) są następujące:
Rycina 6-2. Hipotetyczna ścieżka przemian metabolicznych. Objaśnienia w tekście.
◄W zależności od miejsca powstania bloku, dochodzi do akumulacji samego substratu, lub substratu i związków pośrednich, przed miejscem bloku. Jeśli blok dotyczy enzymu E3 i zwiększa się - między innymi - ilość związku pośredniego Zp2 który może być metabolizowany alternatywną drogą, to w rezultacie stwierdza się także nadmiar produktów Pa1 i Pa2. Jeśli któryś ze związków pośrednich lub produktów alternatywnych okaże się toksyczny w wysokim stężeniu, nieosiąganym w normalnych warunkach, przy sprawnie funkcjonujących enzymach, to dochodzi do uszkodzenia tkanek. Jeśli akumulujący się związek nie jest toksyczny a nie może zostać z organizmu wydalony, wówczas do uszkodzenia tkanek dochodzi stopniowo, na skutek gromadzenia go wewnątrz- lub zewnątrzkomórkowo. Przykłady schorzeń o takiej patogenezie przedstawiono w tabeli.
◄Nie mniej ważnym skutkiem zaburzenia enzymatycznego jest zmniejszenie ilości końcowego produktu ścieżki przemian, który może być - i zwykle jest - kluczowy dla prawidłowego funkcjonowania organizmu. Na przykład defekt tyrozynazy jest przyczyną braku melaniny; stanu klinicznie określanego bielactwem (albinismus). Jeżeli produkt końcowy zwrotnie hamuje któryś z enzymów katalizujących początkowe reakcje danej ścieżki przemian metabolicznych (podobnie jak P hamuje E1), wówczas brak produktu oznacza brak hamowania czyli wręcz nadprodukcję związków pośrednich, które mogą uszkadzać tkanki. Taki mechanizm jest m.in. przyczyną zespołu Lesha-Nyhana, omówionego w odpowiednim rozdziale.
◄Brak inaktywacji substratów uszkadzających tkanki jest kolejną konsekwencją zaburzenia przemian. Przykładem może być wrodzony defekt dotyczący α1-antytrypsyny - u osoby z takim schorzeniem nie dochodzi w płucach do inaktywacji elastazy neutrofilowej, która skutkiem tego degraduje elastynę w ścianach pęcherzyków płucnych - w rezultacie powstaje rozedma.
Konsekwencje zaburzeń białek receptorowych i transportowych
Wiele substancji czynnych biologicznie musi być aktywnie transportowanych przez błony komórkowe. Pewne schorzenia są skutkiem zaburzeń genetycznych dotyczących receptorów, za pośrednictwem których zachodzi endocytoza, lub białek transportowych. Przykładem pierwszej grupy schorzeń jest hipercholesterolemia rodzinna, zaburzenie, w którym kluczową rolę grają ilościowe lub jakościowe niedobory dotyczące receptorów wychwytujących z osocza jedną z frakcji lipoprotein (LDL - low-density lipoproteins). Jednym z najczęstszych zaburzeń, doskonale ilustrujących defekt białka transportowego jest zwłóknienie torbielowate (fibrosis cystica), zwane także mukowiscydozą, w którym przyczynę objawów stanowi uszkodzenie białka -kanału jonowego, przez który transportowane są jony chlorkowe, czego skutkiem jest produkcja nadmiernie lepkiego śluzu doprowadzającego do powstawania zmian w płucach, trzustce i innych narządach.
Konsekwencje zaburzeń strukturalnych, czynnościowych i ilościowych białek nieenzymatycznych
Zaburzenia genetyczne, których skutkami są nieprawidłowości białek nieenzymatycznych również wywierają znaczące efekty na organizm. Przykładami schorzeń o takim podłożu są hemoglobinopatie (takie jak anemia sierpowatokomórkowa), czyli zaburzenia genetyczne, których rezultatami są nieprawidłowości strukturalne białka globiny w erytrocycie, lub talasemie - grupa chorób wynikających ze zmniejszenia ilości prawidłowych łańcuchów α- lub β-globiny. W odpowiednich rozdziałach omówione zostaną schorzenia, których przyczyną są defekty białek nieenzymatycznych, takich jak kolagen, spektryna czy dystrofina: wrodzone nieprawidłowe kościotworzenie (osteogenesis imperfecta), sferocytoza wrodzona, dystrofie mięśniowe.
Zdeterminowane genetycznie zaburzenia reakcji na leki
Pewne wrodzone niedobory enzymatyczne ujawniają się wyłącznie po podaniu pacjentowi określonych leków. Jednym z najczęstszych tego typu defektów jest niedobór diesterazy glukozo-6-fosforanowej. Zwykle nie powoduje to zaburzeń, jednakże po podaniu niektórych leków, np. primachiny (lek stosowany przeciw malarii), dochodzi do ciężkiej anemii hemolitycznej. Zainteresowani tą problematyką powinni poszukać dalszych informacji w podręcznikach farmakogenetyki.
Po ogólnym wstępie dotyczącym biochemicznego podłoża schorzeń wynikających z mutacji w obrębie pojedynczych genów, poniżej zostaną przedstawione odpowiednie przykłady jednostek chorobowych.
Choroby związane z zaburzeniami budowy białek strukturalnych
Większość chorób związanych z zaburzeniami budowy białek strukturalnych i ograniczonych do pojedynczych układów lub narządów została omówiona w kolejnych rozdziałach tej książki. W tym miejscu zostaną przedstawione dwa względnie częste, wieloukładowe schorzenia tkanki łącznej: zespół Marfana i zespół Ehlersa-Danlosa.
Zespół Marfana
Zespół Marfana jest wrodzoną wieloukładową chorobą uwarunkowaną defektem tkanki łącznej. W populacji ogólnej występuje z częstością wahającą się od 1:10000 do 1:20000. W 70-85% przypadków choroba jest dziedziczona autosomalnie dominująco; u pozostałej części chorych (ok. ¼) nie stwierdza się u rodziców żadnych zaburzeń. W tych przypadkach choroba jest wynikiem nowo powstałych, spontanicznych mutacji.
Zespół Marfana jest rezultatem uszkodzenia genu FBN1 kodującego fibryllinę, zidentyfikowanego na chromosomie 15q21. Jest to ważąca 350 kDa glikoproteina, będąca jednym z głównych składników włókien tworzących macierz zewnątrzkomórkową. Stanowi ona swego rodzaju rusztowanie, na podłożu którego polimeryzują dołączane podjednostki tropoelastyny; wszystkie wymienione komponenty wchodzą w skład włókien elastynowych. Szczególnie duże ilości tego rodzaju włókien znajdują się w ścianie aorty, ścięgnach oraz w obwódce rzęskowej soczewki (zonula cilliaris) i te narządy są miejscem głównych zaburzeń charakterystycznych dla zespołu Marfana.
Wyhodowanie myszy z usuniętym genem FBN1, u których rozwijały się analogiczne zmiany chorobowe jak u chorych na zespół Marfana pozwoliło na potwierdzenie przypuszczenia, że to jego mutacje są odpowiedzialne za rozwój choroby. Dotychczas zidentyfikowano kilkadziesiąt mutacji w tym genie, w większości przypadków zmieniających sens pojedynczego kodonu, przy czym ok. 30% z nich stanowią mutacje nonsensowne. Nieprawidłowa fibryllina-1 powstająca w wyniku tych mutacji zapobiega agregacji pozostałych białek wchodzących w skład włókna. Dzieje się tak pomimo obecności normalnych cząsteczek fibrylliny-1 powstających dzięki drugiemu allelowi genu FBN1 - zjawisko to, jak wspomnianio wcześniej, nazywa się dominacją negatywną.
Najbardziej uderzającą cechą morfologiczną zespołu Marfana są zaburzenia kośćca. Pacjenci są zwykle nadzwyczaj wysocy, ze szczególnie długimi kończynami. Stosunek długości górnej do dolnej części ciała jest znacząco niższy niż norma dla wieku, płci i rasy. Palce dłoni i stóp są nadmiernie wydłużone (arachnodaktylia), a same stopy zwykle albo nadmiernie wysklepione, albo płaskie. Ścięgna rąk i stóp są wiotkie, umożliwiając wykonywanie ruchów niemożliwych do wykonania w prawidłowo zbudowanych stawach, np. charakterystyczny jest nadmierny przeprost kciuka. Często również czaszka jest wydłużona (dolichencephalia), ze szczególnie uwypuklonymi wyniosłościami czołowymi i silnie zarysowanymi wałami nadoczodołowymi. Podniebienie twarde jest wysoko wysklepione. W obrębie kręgosłupa stwierdza się patologiczne skrzywienia: tylne (kyphosis), boczne (scoliosis), także rotacje i przemieszczenia kręgów piersiowych i lędźwiowych. Klatka piersiowa jest zniekształcona: szewska (pectus excavatum) lub ptasia (pectus carinatum).
W układzie sercowo-naczyniowym najczęściej dochodzi do rozwoju zaburzeń zagrażających życiu. Najgroźniejszym z nich są następstwa zwyrodnienia torbielowatego środkowej warstwy ściany aorty (degeneratio cystica mediae). Brak włókien elastynowych, z których składa się prawidłowa media prowadzi do progresywnego poszerzania się zatok Valsalvy (co może być stwierdzone już u płodu przy pomocy echografii) i aorty wstępującej w miarę jak z upływem czasu rośnie w nich ciśnienie krwi. W wyniku tego rozerwaniu ulega błona wewnętrzna aorty i krew penetruje pomiędzy warstwy ściany naczynia - powstaje tętniak rozdzielający aorty (aneurysma dissecans aortae). Szerzenie się zmiany w kierunku łuku aorty może prowadzić do zamknięcia odejść wielkich tętnic, a rzadziej spotykane szerzenie w kierunku serca prowadzi do zamknięcia ujść tętnic wieńcowych; w obydwu przypadkach dochodzi do bezpośredniego zagrożenia życia. W przypadku rozległych zmian istnieje dodatkowo poważne ryzyko przebicia się krwi przez zewnętrzną warstwę ściany aorty i krwotoku, który u 30-45% tych chorych stanowi przyczynę zgonu. Tętniakowate poszerzenie aorty nie występuje w jednakowym stopniu u wszystkich chorych, nasila je ciąża, wysiłek fizyczny i stres.
Częściej niż do powstawania zwyrodnienia warstwy środkowej, dochodzi do wypadania płatka zastawki dwudzielnej, jednakże szczęśliwie dla chorych następstwa kliniczne tego stanu są łagodniejsze. Zwyrodnienie tkanki łącznej sprawia, że płatki zastawek stają się nadmiernie miękkie i pofałdowane, co określane jest mianem „zwiotczenia” zastawki. Zmiany te, w połączeniu z rozciągnięciem pierścieni włóknistego oraz strun ścięgnistych stanowi przyczynę obserwowanej klinicznie niedomykalności zastawki dwudzielnej, rzadziej podobne zmiany dotyczą zastawki trójdzielnej lub aortalnej.
Zaburzenia w narządzie wzroku mogą występować w wielu postaciach. Najbardziej charakterystyczną zmianą dla zespołu Marfana jest obustronne podwichnięcie soczewki oraz jej przemieszczenie (ectopia lentis) najczęściej do przedniej komory oka i ku górze. U zdrowych osób jest to niezwykle rzadkie zaburzenie i jego wykrycie powinno nasuwać diagnoście podejrzenie zespołu Marfana. Ze względu na nieprawidłowe napięcie włókien obwódkowych soczewka przyjmuje kształt bardziej kulisty niż prawidłowy, a kształt gałki ocznej w osi optycznej jest wydłużony, co powoduje krótkowzroczność (myopia). U niektórych chorych dochodzi również do odklejenia siatkówki, co z czasem może prowadzić do jej rozdarć i zwyrodnienia.
Oprócz tych zmian u dość znacznej części pacjentów stwierdza się także przepukliny, zwykle pachwinowe. U części chorych dochodzi do spontanicznego powstawania odmy opłucnowej (pneumothorax).
W obrazie klinicznym zespołu Marfana rzadko występują wszystkie opisane wyżej zmiany. U pacjentów z ciężkimi zmianami w układzie krwionośnym i narządzie wzroku mogą nie występować znaczące odchylenia w układzie kostnym i vice versa. Charakterystyczną triadę objawów (nadmierny wzrost i wydłużenie kończyn, przemieszczenie soczewki i zaburzenia widzenia, tętniakowate poszerzenie aorty rozpoczynające się w obrębie jej części wstępującej) stwierdza się jedynie w ciężkich przypadkach.
Za zmiennością fenotypów w chorobie Marfana stoi najpewniej heterogenność aberracji genetycznych, jednakże wszystkie one - co wykazano dzięki analizom molekularnym - dotyczą loci 15q21.1. Ze względu na różnorodność zmian w tym rejonie, bezpośrednia diagnostyka genetyczna nie jest najlepszą metodą ich detekcji, znacznie efektywniejsza jest analiza polimofizmu długości fragmentów restrykcyjnych (patrz podrozdział „Pośrednia diagnostyka genetyczna - analiza sprzężeń”).
Zidentyfikowany został także gen FBN2, znajdujący się na chromosomie 5q3, kodujący fibryllinę-2. Mutacje w obrębie tego genu są przyczyną innej, znacznie rzadszej choroby dziedziczonej autosomalnie dominująco - wrodzonej arachnodaktylii przykurczowej- charakteryzującej się powstawaniem przykurczów i zmianami w układzie kostnym.
Zespół Ehlersa-Danlosa
Zespół Ehlersa-Danlosa stanowi heterogenną grupę chorób zarówno z genetycznego, jak i z klinicznego punktu widzenia. Wszystkie one stanowią rezultat zaburzeń dotyczących syntezy lub struktury kolagenu, jednakże należy pamiętać, że nie wyszystkie tego rodzaju defekty kolagenu wchodzą w skład zespołu Ehlersa-Danlosa: choroby takie jak nieprawidłowe kościotworzenie (osteogenesis imperfecta), zespół Alporta i pęcherzowe złuszczanie naskórka (epidermolysis bullosa) również są skutkiem zaburzeń określonych typów kolagenu.
Ogólną zachorowalność na ten zespół szacuje się 1 na 5000 żywych urodzeń, nieco częściej choroba występuje u osób rasy czarnej. Większość przypadków stanowią typy I, II i III.
Zespół Ehlersa-Danlosa, ze względu na stopień komplikacji i liczbę enzymów związanych z biosyntezą kolagenu - wliczając w to także zaburzenia dotyczące postranslacyjnych etapów powstawania tych włókien - może być dziedziczony w każdy sposób zgodny z prawami Mendla. Znanych jest przynajmniej 14 rodzajów kolagenu, rozdystrybuowanych w tkankach w charakterystyczny dla nich sposób. Zatem zmienności sposobów dziedziczenia towarzyszy także heterogenność objawów klinicznych każdego z przynajmniej 10 dotychczas zidentyfikowanych wariantów tego zespołu. Poniżej zostaną przedstawione najbardziej charakterystyczne z nich.
Szczególnie duże ilości kolagenu znajdują się w skórze, ścięgnach i stawach, zatem objawy dotyczą przede wszystkim tych właśnie narządów. Kolagen o zaburzonej strukturze jest znacznie słabszy, dlatego skóra jest nadmiernie rozciągliwa i delikatna, a co za tym idzie - niezwykle wrażliwa na urazy. Już niewielkie urazy powodują powstanie nieproporcjonalnie dużych ran, które w czasie gojenia przekształcają się w atroficzne, często hiperpigmentowane blizny. Jakiekolwiek interwencje chirurgiczne napotykają olbrzymie trudności ze względu na zmiany w prawidłowym napięciu powłok.
W stawach stwierdza się nadmierną ruchomość, np. możliwy jest przeprost kolana niemal do kąta prostego lub przeprost kciuka tak, że dotknie przedramienia. Dodatkowo istnieje stałe zagrożenie pojawieniem się patologicznych przemieszczeń powierzchni stawowych, czyli zwichnięć.
Zmiany patologiczne występują także w narządach wewnętrznych. W zależności od rodzaju nieprawidłowego kolagenu choroba może się manifestować perforacją aorty lub jelita grubego (może do tego dojść w IV typie zespołu Ehlersa-Danlosa), błękitną barwą scieńczałej twardówki, pęknięciami rogówki i odklejaniem się siatkówki (typ VI), czy wypadaniem płatka zastawki mitralnej i powstawaniem przepuklin przeponowych (typ I).
Najczęściej spotykaną postacią zespołu Ehlersa-Danlosa wśród wariantów dziedziczonych autosomalnie recesywnie, jest typ VI, w którym dochodzi do mutacji w genie kodującym hydroksylazę lizyny, enzym uczestniczący w modyfikacjach postranslacyjnych kolagenu. Hydroksylaza lizyny wytwarza pomiędzy włóknami kolagenu znajdującymi się w macierzy zewnątrzkomórkowej wiązania krzyżowe, co ostatecznie stabilizuje jego strukturę. W przypadku jej braku, kolagen jest normalnie syntezowany i wydzielany do przestrzeni pozakomórkowej, ale tu nie dochodzi do ich prawidłowego łączenia, dlatego tak powstałe włókna są niestabilne i słabe, i nie spełniają swojej funkcji. Co ciekawe, tylko hydroksylacja kolagenu I i III jest zaburzona, inne (np. II, IV czy V) są hydroksylowane prawidłowo, jednak jak dotychczas nie jest jasne dlaczego.
Typ IV zespołu Ehlersa-Danlosa jest rezultatem nieprawidłowości w strukturze III typu kolagenu. W tym wariancie zespołu zidentyfikowano trzy różne rodzaje mutacji dotyczących genu kodującego łańcuchy pro α1. Zaburzona może być szybkość syntezy łańcuchów pro α1 (III), w innym przypadku defekt dotyczy wydzielania łańcuchów poza komórkę, jeszcze inne zaburzenia są przyczyną syntezy nieprawidłowych łańcuchów kolagenu. Te ostatnie przypadki (związane z produkcją nieprawidłowego kolagenu) są zwykle przekazywane autosomalnie dominująco. Niektóre mutacje przejawiają cechy dominujące negatywne, co jest przyczyną powstawania zmiennego spektrum objawów fenotypowych, najczęściej związanych ze spontanicznymi pęknięciami ścian naczyń krwionośnych, bogatymi w kolagen typu III.
W VII typie zespołu Ehlersa-Danlosa zasadnicze zaburzenie dotyczy konwersji łańcuchów prokolagenu typu I w kolagen. Tego typu konwersja zachodzi dzięki peptydazom odcinającym nadmiarowe fragmenty łańcucha peptydowego od N- i C-końcowych stron. Mutacje, do których dochodzi w obrębie genów kodujących prokolagenowe łańcuchy α1 (I) lub α2 (I), są przyczyną oporności na peptydazy odcinające fragmenty N-końcowe. Nawet heterozygotyczni pacjenci, u których do mutacji doszło tylko w jednym allelu i w jej wyniku tylko połowa powstających łańcuchów kolagenowych jest nieprawidłowa, będą manifestować objawy choroby, ponieważ nieprawidłowy kolagen nie tylko sam nie może być włączony do włókien ale także zaburza agregację prawidłowych łańcuchów prokolagenu, jednostronnie się z nimi łącząc.
Typ IX zespołu Ehlersa-Danlosa jest uzależniony od zaburzeń w metabolizmie miedzi. Do mutacji dochodzi w genie kodującym białko wiążące miedź. Rezultatem tej mutacji jest zredukowanie aktywności oksydazy lizylowej zależnej od miedzi, enzymu niezbędnego do krzyżowego łączenia włókien kolagenowych i elastynowych. Ów gen zlokalizowany jest na chromosomie X i choroba - co jest dość niezwykłe dla zespołu Ehlersa-Danlosa - jest przekazywana jako cecha recesywna sprzężona z płcią.
Tabela 6-5. KRÓTKA CHARAKTERYSTYKA TYPÓW ZESPOŁU
EHLERSA-DANLOSA
Typ |
Dziedz. |
Defekt biochemiczny |
Objawy kliniczne |
I |
AD |
Zaburzenia w typie V kolagenu |
Miękka, delikatna, nadmiernie rozciągliwa skóra, o typie „bibułki papierosowej”, podatna na urazy; nadmierna ruchliwość w stawach; żylaki; jest to ciężka postać choroby |
II |
AD |
Zaburzenia w typie I kolagenu |
Podobne jak w typie I, ale łagodniejsze |
III |
AD |
Zaburzenia w typie II prokolagenu |
Miękka skóra, nie bliznowaciejąca po urazach; nasilona nadmierna ruchomość w stawach; choroba znana też jako rodzinna nadmierna ruchomość stawów |
IV |
AD |
Zaburzenia w typie III prokolagenu |
Cienka, przezroczysta skóra z widoczną siatką naczyń; znaczna wrażliwość na urazy; rozciągliwość skóry I ruchomość stawów jest prawidłowa; spontanicznie pękają tętnice, jelito grube, macica; ten typ jest również znany jako naczyniowy lub krwotoczny |
V |
RX |
Nieznany |
Objawy jak w typie II |
VI |
AR |
Niedobór hydroksylazy lizylowej |
Miękka, nadmiernie rozciągliwa skóra; nadmiernie ruchome stawy; boczne skrzywienia kręgosłupa, stożkowatość soczewki (keratoconus) i nadmierna kruchość gałki ocznej; typ ten jest także znany jako oczny |
VII |
AD AD AR |
Defekt strukturalny łańcucha pro α1(I) Defekt strukturalny łańcucha pro α2(I) Niedobór N-końcowej proteinazy |
Nadmierna ruchomość stawów; skóra wrażliwa na urazy ale goi się prawidłowo (arthrochalasis multiplexa congenita) |
VIII |
AD |
Nieznany |
Skóra jak w typie II; uogólnione zapalenie przyzębia (peridontitis) |
IX |
RX |
Zredukowanie aktywności oksydazy lizylowej zależnej od Cu |
Nadmienie rozciągliwa skóra |
X |
AR |
Defekt fibronektyny? |
Objawy jak w typie II |
CHOROBY ZWIĄZANE Z ZABURZENIAMI BUDOWY RECEPTORÓW
Hipercholesterolemia rodzinna
Hipercholesterolemia rodzinna to prawdopodobnie najczęstsze schorzenie dziedziczące się zgodnie z prawami Mendla. Jest to jedno z licznych zaburzeń metabolizmu lipoprotein, będące skutkiem mutacji w obrębie genu kodującego receptor dla lipoprotein o niskiej gęstości (low-density lipoprotein, LDL) - kompleksów białkowo-lipidowych, będących zasadniczym transporterem cholesterolu w organizmie. Konsekwencją zaburzeń receptorowych jest utrata kontroli nad metabolizmem cholesterolu, podwyższenie jego stężenia i przyspieszenie rozwoju miażdżycy naczyń z wszelkimi jej konsekwencjami, w szczególności zawałem mięśnia sercowego.
Całkowita ilość cholesterolu w organizmie człowieka jest uzależniona od dwóch procesów: syntezy i degradacji, w których kluczową rolę odgrywa wątroba. Hepatocyty wydzielają do osocza syntezowane z triglicerydów i cholesterolu oraz szczególnych białek, zwanych apolipoproteinami, kompleksowe związki - tzw. lipoproteiny o bardzo niskiej gęstości (very-low-density-lipoproteins, VLDL). Są one bogate w triglicerydy, zawierają niewielkie ilości estrów cholesterolowych i trzy zasadnicze apolipoproteiny: apoB-100, apoC, apoE. Kiedy cząsteczki VLDL dopłyną z prądem krwi do kapilar tkanki tłuszczowej lub tkanki mięśniowej, zawarta w nich apolipoproteina C aktywuje tamtejszy enzym, lipazę lipoproteinową, który uwalnia z cząsteczek lipoprotein triglicerydy. W czasie tego procesu zwiększa się w nich zawartość cholesterolu, a także zmienia się skład apolipoprotein, w szczególności znacząco maleje ilość apoC. Powstałe w ten sposób nowe kompleksy białkowo-tłuszczowe, o zmienionym składzie, noszą nazwę lipoprotein o pośredniej gęstości (intermediate-density lipoproteins, IDL). Wracając jeszcze na chwilę do apoC, warto wspomnieć, że jest to szczególnie ważna grupa glikoprotein: niektóre z nich (szczególnie apoC I i apoCIII) zapobiegają teoretycznie możliwemu zwrotnemu wychwytywaniu VLDL przez wątrobę.(patrz dalej). IDL są ogołocone z apoC, dlatego aż 50% tych lipoprotein zostaje związanych przez receptory obecne na hepatocytach, gdzie następnie są następnie przetwarzane na VLDL. Receptory te noszą nazwę receptorów LDL (to nie pomyłka), ponieważ rozpoznają one apoB-100 i apoE, czyli apolipoproteiny w różnych ilościach wchodzące w skład VLDL (tu ich jest najmniej a dodatkowo jest apoC), IDL (pośrednie ilości, już nie maskowane przez apoC), a przede wszystkim LDL (zawiera szczególnie dużo apoB-100). Pozostała, niewychwycona część IDL jest w osoczu przekształcana do LDL: zwiększa się w tych lipoproteinach stężenie cholesterolu i jednocześnie zmniejsza się zawartość triglicerydów i ilość apoE. Wynika stąd, że IDL są zasadniczym źródłem osoczowych LDL; w tych ostatnich znajduje się około 7% całkowitej ilości cholesterolu zawartego w zdrowym ludzkim organizmie.
Znane są dwa sposoby, dzięki którym organizm wykorzystuje osoczowe LDL. Mimo, że na większości komórek, od fibroblastów i mięśni gładkich poczynając, a na komórkach kory nadnerczy kończąc, znajdują się receptory dla LDL, to najwięcej jest ich na hepatocytach i one odpowiadają za wychwytywanie aż 70% tych lipoprotein. Po związaniu LDL, receptory są gromadzone w określonym rejonie błony komórkowej, a następnie całe kompleksy ulegają internalizacji. Z tak powstałym pęcherzykiem fagocytarnym łączą się lizosomy. W kwaśnym środowisku lipoproteiny dysocjują od receptorów i podlegają dalszym przemianom; natomiast receptory ponownie grupują się i wraz z fragmentem błony formują pęcherzyk powracający na powierzchnię błony komórkowej.
W lizosomach apolipoproteiny są przez proteinazy trawione na pojedyncze aminokwasy, natomiast z estrów cholesterolowych uwalniany jest cholesterol, wykorzystywany następnie do budowy błon komórkowych i regulacji homeostazy cholesterolowej. Wysokie cytozolowe stężenie cholesterolu wpływa na enzymy przynajmniej trzech różnych ścieżek metabolicznych:
hamuje aktywność reduktazy hydroksymetyloglutarylokoenzymu A (HMG CoA), kluczowego enzymu w procesie endogennej syntezy cholesterolu;
aktywuje acylotransferazę cholesterolową zależną od koenzymu A; jest to enzym odpowiedzialny za estryfikację i magazynowanie w postaci estrów nadmiaru cholesterolu;
hamuje syntezę receptorów LDL, zapobiegając nadmiernej akumulacji cholesterolu w hepatocytach.
Takie oddziaływanie na wszystkie trzy procesy prowadzi w efekcie do redukcji stężenia cholesterolu.
Drugi sposób utylizacji LDL jest znacznie mniej efektywny. Na powierzchni monocytów i makrofagów znajdują się receptory, tzw. scavenger receptors, dla chemicznie zmienionych, zwykle utlenionych lub acetylowanych, a zatem nieprawidłowych LDL. W ten sposób nadmiar cholesterolu gromadzi się w komórkach żernych. Zjawisko to odpowiada za przyspieszone tworzenie się charakterystycznych dla hiperlipidemii zmian miażdżycowych w wewnętrznych błonach naczyń tętniczych oraz guzowatych, żółtych zmian w skórze i tkankach miękkich, zwanych żółtakami (xanthoma).
Jak powiedziano na wstępie, hipercholesterolemia rodzinna jest skutkiem mutacji w obrębie genu kodującego receptor dla LDL. Podłoże molekularne tego typu zaburzeń jest niezwykle złożone. Gen kodujący receptor LDL zlokalizowany jest na chromosomie 19, składa się z 18 eksonów mających w sumie długość ok. 45 kbp. Dotychczas opisano około 150 mutacji tego genu, które dzieli się na pięć grup:
I klasa mutacji - ich skutkiem jest brak syntezy receptora; są one relatywnie rzadkie.
II klasa mutacji - ich konsekwencją jest synteza nieprawidłowych receptorów, które nie mogą być transportowane z siateczki endoplazmatycznej do aparatu Golgiego; są one stosunkowo częste.
III klasa mutacji - dotyczy domeny, która w receptorze odpowiada za wiązanie lipoprotein; receptory te są prawidłowo transportowane na powierzchnię błony komórkowej, ale nie wiążą LDL.
IV klasa mutacji - w efekcie tych aberracji powstają receptory, które są prawidłowo syntezowane i transportowane na powierzchnię błony komórkowej, gdzie wiążą LDL, ale nie są internalizowane.
V klasa mutacji - także dotyczy domeny, która wiąże LDL: receptor jest prawidłowo syntezowany i transportowany na powierzchnię błony komórkowej, gdzie po związaniu LDL ulega internalizacji, jednakże wiązanie jest zbyt silne i w endosomach nie dochodzi do uzależnionej od kwaśnego pH dysocjacji kompleksu receptor-LDL, co uniemożliwia recyrkulację receptorów i prowadzi do ich degradacji.
Heterozygoty z mutacją w jednym allelu receptora dla LDL (1 na 500 osób w populacji), od urodzenia mają dwu- lub trzykrotnie wyższe stężenie cholesterolu od górnej granicy normy, czego objawami są żółtaki ścięgien i akceleracja rozwoju miażdżycy.
Osobnicy homozygotyczni, którzy nie posiadają w ogóle prawidłowych receptorów, są znacznie bardziej doświadczeni przez los. Poziom cholesterolu jest u nich przynajmniej 5-6 razy wyższy niż górna granica normy. Wzrasta przede wszystkim stężenie frakcji LDL, ale nie tylko - także IDL, ponieważ za internalizację obydwu rodzajów lipoprotein odpowiada jeden rodzaj receptorów. Do zawału serca czy krwotoków śródczaszkowych może u nich dojść jeszcze przed 20 rokiem życia, a poprzedza go rozwój monstrualnych zmian miażdżycowych w obrębie wszystkich tętnic, a szczególnie wieńcowych i mózgowych. Już od dzieciństwa na skórze tworzą się liczne i duże żółtaki. Wieloośrodkowe badania wykazały, że 3-6% osób, które przeżyły zawał mięśnia sercowego, to chorzy cierpiący z powodu różnych postaci hipercholesterolemii rodzinnej.
Dzięki odkryciu wymienionych wcześniej rodzajów mutacji, stało się możliwe projektowanie leków pozwalających na efektywną kontrolę stężenia cholesterolu, przykładowo, blokowanie statynami reduktazy hydroksymetyloglutarylokoenzymu A (HMG CoA), enzymu kluczowego w procesie wewnątrzkomórkowej syntezy cholesterolu, zmniejsza efektywność tego procesu lecz dla równowagi nasila syntezę receptorów dla LDL, głównego źródła egzogennego cholesterolu. Stworzono także zwierzęcy model choroby: u myszy, których gen dla receptora LDL został usunięty, stwierdzano podniesiony poziom cholesterolu i przyspieszenie miażdżycy tętnic. Przy jego pomocy podejmuje się próby zastosowania terapii genowej w tym schorzeniu.
CHOROBY ZWIĄZANE Z ZABURZENIAMI DOTYCZĄCYMI BIAŁEK ENZYMATYCZNYCH
Spichrzeniowe choroby lizosomalne
Jednymi z najważniejszych elementów wewnątrzkomórkowych ścieżek metabolicznych są lizosomy, zaś przede wszystkim zawarte w nich enzymy. Enzymy te są szczególnymi białkami wydzielniczymi przystosowanymi do działania w silnie kwaśnym środowisku organelli wewnątrzkomórkowych, dzięki czemu bywają nazywane kwaśnymi hydrolazami. Są one, jak wszystkie białka, syntezowane w siateczce endoplazmatycznej, a następnie transportowane do aparatu Golgiego, gdzie przechodzą serię modyfikacji postranslacyjnych. Najistotniejszą z nich jest dołączenie mannozo-6-fosforanu - reszty, która jest rozpoznawana przez specyficzne receptory w dalszej części aparatu Golgiego. Dzięki temu możliwe jest odseparowanie przyszłych enzymów lizosomalnych od pozostałych białek. Następnie małe fragmenty błony aparatu Golgiego zawierające enzymy lizosomalne odrywają się od niego i łączą z lizosomami. W kwaśnym środowisku enzymy dysocjują z kompleksów z receptorami i możliwy jest powrót receptorów wraz z błoną do aparatu Golgiego.
Enzymy lizosomalne katalizują rozpad licznych złożonych makrocząsteczek, pochodzących ze „zużytych” organelli komórkowych (autophagia) lub pozyskanych na drodze endocytozy (heterophagia). Niedobór lub zmniejszenie aktywności któregokolwiek z nich sprawia, że katabolizm substratów ulega zaburzeniu. Niekompletnie strawione, nierozpuszczalne złogi wypełniają lizosomy, które ulegają powiększeniu i wpływają negatywnie na inne procesy wewnątrzkomórkowe - wszystko to są to zjawiska stanowiące sedno spichrzeniowych chorób lizosomalnych.
Te pozornie proste mechanizmy, leżące u podstaw patogenezy schorzeń lizosomalnych w świetle ostatnich kilkunastu lat badań okazały się być bardziej skomplikowane niż przypuszczano: są one skutkiem zaburzeń dotyczących jakichkolwiek białek niezbędnych do ich funkcjonowania, zazwyczaj ale nie wyłącznie enzymatycznych. Do najczęstszych zalicza się:
syntezę katalitycznie nieaktywnych białek, które reagują krzyżowo z prawidłowymi enzymami unieczynniając je; często taka wada sprawia szczególne trudności diagnostyczne, ponieważ odczyny immunologiczne mogą być prawidłowe
zaburzenia dotyczące postranslacyjnych modyfikacji białek enzymatycznych; szczególnie istotne jest niedołączenie do nich reszty mannozo-6-fosforanowej - wówczas enzymy nie trafiają do lizosomów, ale zostają wydzielone poza komórki
brak białek aktywujących lub chroniących enzymy
brak białek aktywujących substraty - w niektórych przypadkach białka reagujące z substratami umożliwiają ich enzymatyczną hydrolizę w lizosomach
zaburzenia dotyczące białek transportujących właściwe produkty hydrolizy z lizosomów do cytozolu.
Istnieje wiele stanów chorobowych, u podłoża których zidentyfikowano zaburzenia w obrębie lizosomów. Do spichrzania dochodzi przede wszystkim w tkankach, w których w prawidłowych warunkach dochodzi do degradacji spichrzanego produktu lub tam, gdzie gromadzi się substrat. Przykładowo, zaburzenia metabolizmu gangliozydów, czyli gangliozydozy, dotyczą przede wszystkim neuronów, w których występują w dużych ilościach. Objawy zaburzeń przemian mukopolisacharydów, które są obecne praktycznie we wszystkich narządach, są widoczne w całym organizmie.
Najwięcej lizosomów koniecznych do degradacji szerokiego spektrum substancji jest obecnych w komórkach fagocytujących, czyli przede wszystkim w komórkach mononuklearnych. Znajdują się one w dużych ilościach w śledzionie i wątrobie, i są to te narządy, które w przebiegu chorób spichrzeniowych często ulegają powiększeniu (organomegalia; odpowiednio: splenomegalia i hepatomegalia). Stale zwiększająca się liczba chorób lizosomalnych jest klasyfikowana zgodnie z biochemiczną naturą zaburzenia, stąd glikogenozy, sfingolipidozy, lipidozy, mukopolisacharydozy, mukolipidozy itd. (patrz tabela). Tylko jedna z glikogenoz - typ 2, czyli choroba Pompego - jest wynikiem niedoboru enzymu lizosomalnego i z tego powodu cała ta grupa schorzeń zostanie omówiona później, natomiast najczęściej rozpoznawane zaburzenia z wszystkich pozostałych grup zostaną omówione poniżej.
Rycina 6-3. Uproszczony model wewnątrzlizosomalnych ścieżek metabolicznych, których zaburzenia leżą u podstawy wielu chorób spichrzeniowych.
Tabela 6-6. SPICHRZENIOWE CHOROBY LIZOSOMALNE
grupa |
choroba |
brakujący enzym |
spichrzany metabolit |
podtypy kliniczne (początek objawów) |
dziedziczenie |
zaburzenia neurologiczne |
hepato- lub/i splenomegalia |
zaburzenia szkieletu |
objawy okulistyczne |
objawy hematologiczne |
cechy szczególne |
sulfatidozy (lipidozy) |
choroba Gauchera |
kwaśna β-glukozydaza |
glukozyloceramidy |
dorośli, postać 1 niemowlęta, postać 2 młodzież, postać 3 |
AR |
brak objawów z OUN u dorosłych, opóźnienie umysłowe w dzieciństwie, ataksja w wieku dojrzewania |
++++ |
++ |
0 |
piankowate makrofagi (komórki z cytoplazmą "jak zmięty papier") |
u dorosłych obecne złamania patologiczne |
|
choroba Niemanna-Picka |
sfingomielinaza |
sfingomielina |
niemowlęta, typ A = neuropatyczny typ B = nieneuropatyczny, typ C = z zaburzeniami estryfikacji i transportu cholesterolu |
AR |
opóźnienie umysłowe i drgawki w typie A |
++++ |
0 |
zanik tarczy n. II i wiśniowoczerwona plamka na siatkówce w typie A |
piankowate makrofagi |
nacieki płucne |
|
choroba Fabry'ego |
α-galaktozydaza A |
triheksozyloceramidy |
dzieciństwo |
RX |
bolesna neuropatia |
0 |
0 |
dystrofia rogówki, zaburzenia naczyniowe |
0 |
angiokeratosis cutis, hypohydrosis |
mukopolisacharydozy (MPS) |
MPS I H (Hurler) MPS I H/S (Hurler/Scheie) MPS I S (Scheie) |
α-L-iduronidaza |
siarczan dermatanu, siarczan heparanu |
niemowlęcy dziecięcy dorosły |
AR |
opóźnienie umysłowe (za wyjątkiem postaci Scheie) |
+++ |
++++ |
spadek przejrzystości rogówki |
zwakuolizowane limfocyty |
grube "maszkarowate" rysy twarzy, zajęcie układu sercowo-naczyniowego, sztywność stawów |
|
MPS II (Hunter) |
sulfataza inuronianowa |
siarczan dermatanu, siarczan heparanu |
niemowlęcy (ciężki przebieg), młodzieńczy (łagodny przebieg) |
RX |
opóźnienie umysłowe |
+++ |
++++ |
zanik siatkówki |
limfocyty z cytoplazmą wypełnioną ziarnistościami |
grube "maszkarowate" rysy twarzy, zajęcie układu sercowo-naczyniowego, sztywność stawów, zaburzenia keratynizacji skóry |
sfingolipidozy (gangliozydozy) |
choroba Taya-Sachsa |
heksosaminidaza A |
GM2 gangliozydy |
niemowlęcy, młodzieńczy |
AR |
opóźnienie umysłowe, drgawki |
0 |
0 |
wiśniowoczerwona plamka na siatkówce w postaci dziecięcej |
0 |
macrocephalia, hyperacusis w niemowlęctwię |
|
choroba Sandhoffa |
heksosaminidasa A i B |
GM2 gangliozydoza |
niemowlęcy |
AR |
opóźnienie umysłowe, drgawki |
0 |
0 |
wiśniowoczerwona plama na siatkówce |
0 |
macrocephalia, hyperacusis |
glikoproteinozy |
fukozydoza |
α-fukozydaza |
glikopeptydy, oligosacharydy |
niemowlęcy, młodzieńczy |
AR |
opóźnienie umysłowe |
++ |
++ |
0 |
zwakuolizowane limfocyty, komórki piankowate |
grube rysy twarzy, angiokeratoma w postaci młodzieńczej |
|
α-mannozydoza |
α-mannozydaza |
oligosacharydy |
niemowlęcy |
AR |
opóźnienie umysłowe |
+++ |
++ |
katarakta, zmniejszenie przejrzystości rogówki |
zwakuolizowane limfocyty, neutrofile z cytoplazmą wypełnioną ziarnistościami |
grube rysy twarzy, powiększenie języka |
|
sialidoza |
neuroaminidaza |
sialyloligosacharydy |
typ I, wrodzony typ II, formy: niemowlęca i młodzieńcza |
AR |
myoclonus, opóźnienie umysłowe |
++, mniej w typie I |
++, mniej w typie I |
wiśniowoczerwone plamy na siatkówce |
zwakuolizowane limfocyty |
w typie II fenotyp MPS |
mukolipidozy (ML) |
choroba komórek I (ML II) i polidystrofia pseudo-Hurler |
UDP-N-acetyloglukozamino-1-fosfotransferaza |
glikoproteiny, glikolipidy |
niemowlęcy |
AR |
opóźnienie umysłowe |
0/+ |
++++ |
zmniejszenie przejrzystości rogówki |
neutrofile z ziarnistościami i wakuolami |
grube rysy twarzy, brak mukopolisacharydów w moczu, hypoplasia dziąseł |
leukodystrofie |
choroba Krabbego |
galaktozylocaramidaza |
galaktocerebrozyd |
niemowlęcy |
AR |
opóźnienie umysłowe |
0 |
0 |
0 |
0 |
okrągłe komórki w istocie białej |
|
leukodystrofia metachromatyczna |
arylosulfataza A |
siarczan cerebrozydu |
niemowlęcy, dziecięcy, dorosły |
AR |
opóźnienie umysłowe, otępienie, u dorosłych psychozy |
0 |
0 |
arofia nerwu wzrokowego |
0 |
opóźnienie chodzenia w późnym niemowlęctwie |
|
choroba Wollmana |
kwaśna lipaza |
estry cholesterolowe, triglicerydy |
niemowlęcy |
AR |
łagodne opóźnienie umysłowe |
+++ |
0 |
0 |
0 |
zwapnienienia w nadnerczach |
* Jedyna choroba spichrzeniowa, w której dochodzi do akumulacji glikogenu w lizosomach - choroba Pompego - została przedstawiona w tabeli dotyczącej glikogenoz.
Choroba Taya-Sachsa (gangliozydoza GM2: niedobór podjednostki α heksozaminidazy A)
Gangliozydoza GM2 to grupa trzech spichrzeniowych chorób lizosomalnych, których przyczyną jest niewydolny katabolizm i gromadzenie się gangliozydów GM2. Degradacja tych gangliozydów jest zależna od trzech polipeptydów tworzących podjednostki kompleksu enzymatycznego znanego jako heksozaminidaza.
W chorobie Taya-Sachsa, najczęstszej postaci gangliozydozy GM2, mutacja dotyczy genu zlokalizowanego na chromosomie 15q23-q24, kodującego podjednostkę α - w efekcie dochodzi do ciężkiego niedoboru heksozaminidazy A. W tym loci zostało zlokalizowanych ponad 30 alleli genu kodującego tą podjednostkę, odpowiedzialnych za różnego stopnia jej dysfunkcję. Najczęściej spotyka się insercję czteronukleotydowej sekwencji - w wyniku tej mutacji powstaje kodon terminacyjny i pacjenci nie mają w ogóle heksozaminidazy. Schorzenie to jest częste wśród Żydów, zwłaszcza pochodzących z Europy Wschodniej (aszkenazyjskich), wśród których co trzydziesta osoba jest nosicielem mutacji.
Heksozaminidaza A jest prawidłowo obecna we wszystkich tkankach, łącznie z krwią, dlatego niedobór tego enzymu jest przyczyną akumulacji gangliozydów GM2 praktycznie w całym organizmie. Do najsilniej wyrażonego spichrzania dochodzi w OUN, AuUN i na siatkówce, mniejsze ilości złogów stwierdza się w sercu, wątrobie i śledzionie.
Histologicznie stwierdza się w obrębie cytoplazmy neuronów znacznych rozmiarów wakuole, które odpowiadają lizosomom rozdętym przez spichrzany sfingolipid. Barwienia specyficzne dla tłuszczów (np. czerwień olejowa O, czerń sudanowa B) są pozytywne. Przy użyciu mikroskopu elektronowego można uwidocznić liczne inkluzje cytoplazmatyczne, które są lizosomami zawierającymi okółkowo, na wzór płatków cebuli, zwinięte „niestrawne” błony komórkowe. Akumulacja rozdętych, nieefektywnych lizosomów prowadzi do stopniowej destrukcji neuronów, oraz proliferacji mikrogleju, którego komórki niczym posępni żałobnicy otaczają umierające neurony, a następnie fagocytują ich resztki. W efekcie niestrawione wcześniej gangliozydy trafiają do nienasyconych lizosomów komórek fagocytarnych OUN i w tu ulegają spichrzaniu; ów proces dotyczy zarówno półkul mózgowych, jak i móżdżku, jąder podkorowych, pnia mózgu, rdzenia kręgowego i zwojów grzbietowych rdzenia kręgowego, a także zwojów autonomicznego układu nerwowego. W siatkówce najbardziej obładowane gangliozydami są komórki leżące na obwodzie plamki żółtej. Bardzo charakterystyczny jest kontrast pomiędzy obwodową częścią bladej, obrzękłej od akumulacji sfingolipidów siatkówki, a nienaturalnie przez to podkreśloną czerwienią prześwitującej przez środek plamki żółtej błony naczyniówkowej. Obraz ten nosi nazwę objawu wiśniowo-czerwonej plamki.
Przy najczęściej spotykanym zupełnym braku aktywności heksozaminidazy A noworodki nie wykazują żadnych objawów klinicznych schorzenia, jednak pojawiają się one w pierwszym półroczu życia. Dochodzi do nieodwracalnego uszkodzenia układu nerwowego, objawiającego się brakiem koordynacji ruchów, spadkiem napięcia mięśni szkieletowych, zaburzeniami widzenia ze ślepotą włącznie, demencją. Na dnie oka przy użyciu oftalmoskopu zaobserwować można u prawie wszystkich pacjentów objaw wiśniowo-czerwonej plamki. Jest on charakterystyczny, chociaż niepatognomoniczny dla choroby Taya-Sachsa, albowiem może występować we wszystkich chorobach spichrzeniowych, w których dochodzi do akumulacji substancji wewnątrz neuronów. Rokowanie jest bardzo złe: w ciągu drugiego roku życia chore dziecko zapada w stan wegetatywny i umiera najpóźniej w trzecim roku życia.
Obecnie możliwe jest przedurodzeniowe diagnozowanie choroby Taya-Sachsa, a także wykrywanie nosicieli mutacji prowadzącej do tego schorzenia i innych, rzadszych gangliozydoz GM2: choroby Sandhoffa (niedobór podjednostki β heksozaminidazy A, gen na chr. 5q13) i braku aktywatora heksozaminidazy A (5q31.3-q33.1), objawiających się w podobny sposób. Diagnostyka polega na określeniu aktywności badanego enzymu lub na analizie DNA.
Choroba Niemanna-Picka
Choroba Niemanna-Picka jest rezultatem niedoboru sfingomielinazy, enzymu niezbędnego w procesach metabolizmu sfingomieliny.
Wyróżnia się dwa zasadnicze warianty kliniczne tego schorzenia: typ A i B. Typ A stanowi ok. 80% przypadków choroby i dotyczy przede wszystkim niemowląt. Dochodzi w niej do rozległego zajęcia OUN oraz organów wewnętrznych z ich powiększeniem, na skutek akumulacji sfingomieliny. Ciężkie zaburzenia neurologiczne i akumulacja sfingomieliny w narządach wewnętrznych prowadzą do wyniszczenia organizmu i śmierci w ciągu pierwszych trzech lat życia. W obrębie genu dla sfingomielinazy stwierdza się mutację o typie zmiany sensu, w wyniku której dochodzi do zaniku aktywności enzymu. W typie B schorzenia nie ma zajęcia OUN, jakkolwiek obserwuje się organomegalię, zaś pacjenci dożywają wieku dorosłego.
Podobnie jak choroba Taya-Sachsa i to schorzenie jest częstsze wśród Żydów aszkenazyjskich.
Sfingomielina stanowi konstytutywny składnik błon komórkowych, zatem niedobór sfingomielinazy blokuje degradację błon we wszystkich narządach, co prowadzi do postępującej akumulacji tego związku w lizosomach, a szczególnie w lizosomach komórki fagocytarnych. Komórki są znacznie powiększone, ich średnica osiąga nawet 90 μm na skutek rozdęcia lizosomów przez sfingomielinę i cholesterol. Niezliczone drobne wakuole o zbliżonych rozmiarach znajdujące się w cytoplazmie sprawiają, że w mikroskopie świetlnym ma ona wygląd piankowaty. Wykorzystując możliwości jakie daje barwienie mrożonej świeżej tkanki, można wykazać, iż zawartość wakuoli barwi się czernią sudanową B, czerwienią olejową O i innymi barwnikami specyficznymi dla tłuszczów. Przy użyciu mikroskopu elektronowego potwierdzono, że wakuole te są lizosomami, które zawierają liczne błoniaste złogi, odpowiadające koncentrycznym, blaszkowatym ciałkom mielinowym. Niekiedy błony znajdujące się w lizosomach przyjmują postać regularnych, układających się w równoległe rzędy tworów, tak zwanych ciałek zebrowatych.
Obładowane lipidami fagocyty znajdują się w śledzionie, wątrobie, węzłach chłonnych, szpiku kostnym, migdałkach, płucach i przewodzie pokarmowym. Zajęcie śledziony doprowadza do jej znacznego powiększenia (splenomegalia), częstokroć nawet dziesięciokrotnie przekraczającego prawidłową masę tego narządu, powiększenie wątroby (hepatomegalia) nie jest z reguły aż tak znaczne. Węzły chłonne w całym organizmie także ulegają powiększeniu (lymphadenomegalia).
Szczególne znaczenie kliniczne odgrywa zajęcie ośrodkowego układu nerwowego oraz oczu. Zakręty mózgowia ulegają zwężeniu, natomiast szczeliny - poszerzeniu - są to charakterystyczne objawy zaniku tkanki mózgowej. Zajęcie neuronów przez proces chorobowy jest widoczne we wszystkich częściach OUN: dochodzi do ich wakuolizacji i balonowatego obrzęku, które to zmiany w niedługim czasie prowadzą do ich śmierci i postępującego zmniejszania się liczby czynnych komórek nerwowych. Na siatkówce oczu u jednej trzeciej chorych widoczne są - podobnie jak w chorobie Taya-Sachsa - wiśniowo-czerwone plamki. Ich patogeneza jest analogiczna do opisanej w gangliozydozie GM2 - różnica polega na tym, że w siatkówce gromadzone są nie gangliozydy a sfingolipidy.
Klinicznie choroba może nie objawiać się bezpośrednio po urodzeniu, jednakże jej objawy nieubłaganie pojawiają się w ciągu pierwszego półrocza życia niemowlęcia. Dziecko ma znacznie powiększony, napięty brzuch ze względu na hepatosplenomegalię. Równocześnie z rozwojem organomegalii dochodzi do zaburzenia prawidłowego rozwoju psychosomatycznego, nawracających wymiotów, gorączek i stopniowego zanikania funkcji psychomotorycznych oraz postępującej, rozsianej limfadenomegalii. Do śmierci dochodzi zwykle pod koniec pierwszego lub w drugim roku życia.
Diagnostyka schorzenia obejmuje biochemiczne określenie aktywności sfingomielinazy w bioptacie pobranym z wątroby lub szpiku kostnego. Został już sklonowany gen dla sfingomielinazy, dlatego możliwe jest także diagnostyka przy użyciu testów wykorzystujących sondy DNA.
Należy w końcu wspomnieć, iż tradycyjnie opisywano także typ C choroby Niemanna-Picka, jednakże z genetycznego punktu widzenia jest to zupełnie odrębne schorzenie, w którego patogenezie zasadniczą rolę odgrywają zaburzenia estryfikacji i transportu cholesterolu. Sklonowany został zmutowany gen, zlokalizowany na chromosomie 18q11-12, jednakże nie jest jasna rola, jaką odgrywa w metabolizmie cholesterolu.
Choroba Gauchera
Choroba Gauchera jest najczęstszą lizosomalną chorobą spichrzeniową. W tym dziedziczonym autosomalnie recesywnie schorzeniu, kluczowym zjawiskiem jest brak lub spadek aktywności glukocerebrozydazy. Jest to enzym, dla którego gen zajmuje spory obszar na chromosomie 1: od q21 do q31. Jego zadaniem jest odcinanie reszt glukozy od ceramidów (glukocerebrozydów), których źródłem są błony komórkowe z rozpadających się komórek (głównie erytrocytów i leukocytów) oraz, zwłaszcza w niemowlęctwie, gangliozydy z rozpadłych neuronów. Glukocerebrozydy gromadzą się zatem w lizosomach komórek fagocytarnych w całym organizmie, a szczególnie tam, gdzie naturalnie występuje dużo fagocytów (jak śledziona czy wątroba); w niektórych postaciach choroby (patrz dalej) także w ośrodkowym układzie nerwowym (OUN).
Typową cechą morfologiczną tej choroby są komórki Gauchera - czyli opchane glukocerebrozydami makrofagi. Znajdują się one przede wszystkim w śledzionie, wątrobie, szpiku kostnym, węzłach chłonnych, migdałkach, grasicy i grudkach Peyera w ścianie jelita, a także w przegrodach międzypęcherzykowych i w świetle pęcherzyków płucnych). W przeciwieństwie do pozostałych chorób spichrzeniowych komórki Gauchera nie mają zwakuolizowanej, piankowatej cytoplazmy; włókienkowate złogi glukocerebrozydów nadają jej charakterystyczny wygląd, przypominający zmięty papier. W obrazach uzyskanych z mikroskopu elektronowego widać, że owe wewnątrzcytoplazmatyczne włókienka są wydłużonymi, wypełnionymi spichrzanym materiałem lizosomami. Komórki Gauchera są duże, osiągają średnicę do 100 μm i mają 1-2 ciemne jądra położone na obwodzie. Są silnie PAS ⊕.
Komórki Gauchera mają tendencję do gromadzenia się, co wywołuje szereg makroskopowych zmian morfologicznych. W postaci I (patrz niżej) dochodzi do powiększenia się śledziony (splenomegalia), która może osiągnąć wagę do 10 kg - jest ona bodaj największą ze wszystkich patologicznie zmienionych śledzion: na przekroju jest charakterystycznie plamista, „cętkowania” lub jednolicie jasna w zależności od, odpowiednio, ogniskowego lub rozlanego gromadzenia się komórek Gauchera. Powiększenie węzłów chłonnych (lymphadenomegalia) jest nieznaczne do umiarkowanego, ale dotyczy wszystkich węzłów chłonnych w organizmie. Gromadzenie się komórek Gauchera w szpiku kostnym jest przyczyną powstawania niewielkich ogniskowych erozji kości (głównie kości udowej, miednicy i żeber) lub ma postać dużych, miękkich, szarobiałych guzów, które są przyczyną zanikania z ucisku tkanki kostnej, co stanowi przyczynę złamań patologicznych lub deformacji szkieletu.
Jeśli dochodzi do zajęcia ośrodkowegu układu nerwowego, wówczas komórki Gauchera można uwidocznić w okołonaczyniowych przestrzeniach Virchowa-Robina. Tętniczki są otoczone przez obrzękłe komórki przydanki. W samych neuronach nie dochodzi do spichrzania, co więcej, zamiast się powiększać, stopniowo zanikają. Najprawdopodobniej wynika to stąd, że zgromadzone wokół naczyń fagocyty spichrzające glukocerebrozydy są w jakiś sposób toksyczne dla neuronów.
Znane są trzy postaci choroby Gauchera, różniące się przebiegiem klinicznym.
◄Typ 1, czyli przewlekła forma nieneuropatyczna, lub postać dorosłych.
W tej postaci nie ma zajęcia OUN. Jest to forma zdecydowanie najczęstsza (99% chorych), szczególnie częsta wśród żydów europejskich (aszkenazyjskich) - co osiemnasty członek tej społeczności jest nosicielem zmutowanego genu, a schorzenie ujawnia się z częstością 1 na 1000 osób. Aktywność enzymu jest zmniejszona, ale oznaczalna. Objawy choroby ujawniają się u osób dorosłych. Znacznie powiększa się śledziona. U ponad 20% chorych w obrębie układu kostnego pojawiają się bolesne deformacje, erozje kości i złamania patologiczne. Powiększeniu ulegają wszystkie węzły chłonne. Najczęstszymi objawami hematologicznymi są małopłytkowość, której skutkiem jest łatwe powstawanie rozległych siniaków, ewentualnie pancytopenia (wtórna do hipersplenizmu). Choroba powoli postępuje, jednak zwykle nieznaczne wpływa na skrócenie życia.
◄ Ostra forma neuropatyczna, czyli postać dziecięca lub mózgowa.
Nie stwierdza się predylekcji w stosunku do żadnej grupy narodowościowej. Aktywność glukocerebrozydazy jest nieoznaczalna. Powiększeniu ulega wątroba i śledziona (hepatosplenomegalia) oraz węzły chłonne (lymphadenomegalia), dominują jednak objawy mózgowe wynikające z gromadzenia glukocerebrozydów w OUN: nadmierne napięcie mięśni, zez, zaburzenia oddechowe, drgawki i progresywnie narastające opóźnienie rozwoju psychomotorycznego. Zgon następuje we wczesnym dzieciństwie, najpóźniej do 2 roku życia.
◄Forma pośrednia, czyli młodzieńcza lub choroba Norrbottenów.
Aktywność enzymu jest bardzo niska, ale oznaczalna. Występują zmiany w układzie kostnym, powiększenie węzłów chłonnych i hepatosplenomegalia podobnie jak w postaci I, jednakże w drugiej lub trzeciej dekadzie życia ujawnia się postępujące gromadzenie glukocerebrozydu w OUN co powoduje upodobnienie się do postaci dziecięcej i w krótkim czasie prowadzi do zgonu.
Diagnostyka choroby Gauchera opiera się na oznaczaniu aktywności glukocerebrozydazy w leukocytach uzyskanych z krwi obwodowej lub w hodowlach pobranych ze skóry fibroblastów. Są to metody wystarczająco czułe i specyficzne w przypadku homozygot, poziom glukocerebrozydazy u osobników heterozygotycznych i prawidłowych może być zbliżony. Ze względu na to, że znanych jest ponad 35 mutacji genu kodującego glukocerebrozydazę, nie jest możliwe opracowanie jednego przesiewowego testu genetycznego, można jednak u heterozygot poszukiwać określonych mutacji.
Obecnie pojawiły się nowe możliwości terapeutyczne: możliwe jest dostarczanie chorym ludzkiej, modyfikowanej enzymatycznie - przez dołączenie mannozo-6-fosforanu -glukocerebrozydazy ekstrahowanej z łożysk, jednakże jest to niezwykle kosztowna kuracja: 1 dawka kosztuje ponad 20000 $ (dane z 1999 roku), a częstość przyjmowania to 1 dawka na 2 tygodnie do końca życia. Koszt tej terapii stanowi wystarczającą motywację do podejmowania prób opracowania także innych sposobów leczenia, np. przeszczepów komórek pnia szpiku (posiadających brakujący gen) lub produkowania enzymu na podstawie rekombinowanego DNA. Ostatnim krzykiem mody są badania dotyczące transferu prawidłowego genu dla glukocerebrozydazy do komórek osób chorych, podejmowane przy użyciu atenuowanych wirusów. Stało się to możliwe dzięki opracowaniu modelu zwierzęcego choroby Gauchera.
Mukopolisacharydozy
Mukopolisacharydozy (MPS) stanowią grupę blisko spokrewnionych zespołów chorobowych, których przyczyną jest uwarunkowany genetycznie brak jednego z enzymów niezbędnych do degradacji glikozaminoglikanów. Glikozaminoglikany, czyli mukopolisacharydy, są długołańcuchowymi, złożonymi węglowodorami, które wraz z białkami tworzą proteoglikany, szczególnie obficie występujące w przestrzeni pozakomórkowej - przede wszystkim w tkance łącznej. W mukopolisacharydozach dochodzi do spichrzania następujących związków: siarczanów: dermatanu, heparanu, keratanu i chondroityny. Dzieje się tak na skutek defektu enzymu, którego zadaniem jest odcinanie terminalnej cząsteczki węglowodanu z łańcuchów polisacharydowych rozmieszonych na białkowym rdzeniu. Brak jednego enzymu uniemożliwia prawidłowe działanie innych enzymów degradujących mukopolisacharydy i stanowi przyczynę akumulacji tych związków w lizosomach różnych tkanek i organów. Efektem są zaburzenia somatyczne i neurologiczne.
Opisano siedem klinicznych rodzajów mukopolisacharydoz, z których każdy jest wynikiem braku odpowiedniego enzymu. Najczęściej spotykane dwa typy przedstawiono w tabeli. Za wyjątkiem MPS II czyli choroby Huntera, która dziedziczona jest w sposób recesywny, sprzężony z chromosomem X, wszystkie pozostałe mukopolisacharydozy są schorzeniami autosomalnymi recesywnymi. Różne mutacje tego samego enzymu (np. w MPS I - α-1-iduronidazy) a nawet w tym samym loci powodują, że klinicznie wyróżnia się kilka postaci każdego niemal typu schorzenia (por. tabela 6.6) o różnym stopniu ciężkości.
Do akumulacji mukopolisacharydów dochodzi przede wszystkim w jednojądrowych komórkach fagocytarnych, komórkach śródbłonka i mięśni gładkich wewnętrznej błony naczyń krwionośnych oraz w fibroblastach. Najczęściej zmiany obserwuje się w śledzionie, wątrobie, szpiku kostnym, węzłach chłonnych, naczyniach krwionośnych i w sercu. Makroskopowo dochodzi do powiększenia wątroby i śledziony (hepatosplenomegalia), zniekszałceń kośćca i zwyrodnienia zastawek serca oraz do podśródbłonkowego odkładania się polisacharydowych złogów - szczególnie w naczyniach wieńcowych serca, a także do ewentualnych zmian w mózgowiu.
W obrazie mikroskopowym zajęte komórki mają jasną cytoplazmę rozdętą przez tysiące niewielkich (widocznych dopiero przy pomocy mikroskopu elektronowego) lizosomów. Są one wypełnione ziarnistą substancją barwiącą się metodą PAS, która biochemicznie może być zidentyfikowana jako mukopolisacharydy. Podobne zaburzenia lizosomalne można uwidocznić w neuronach, jeżeli w przebiegu danego typu mukopolisacharydozy dochodzi do zajęcia OUN. W neuronach można również wykazać obecność blaszkowatych ciałek podobnych do obserwowanych w chorobie Niemanna-Picka, które zastępują lizosomy.
Z klinicznego punktu widzenia mukopolisacharydozy są postępującymi schorzeniami, charakteryzującymi się zajęciem wielu narządów wewnętrznych i ich powiększeniem: wątroby, śledziony, serca oraz ścian naczyń krwionośnych. Zajęcie tętnic wieńcowych stanowi główną przyczynę choroby niedokrwiennej mięśnia sercowego, zawałów i wreszcie śmierci chorych na mukopolisacharydozy. Większość z nich zwraca uwagę charakterystycznym zespołem cech: grubymi rysami twarzy, bielmem rogówki (leucoma), sztywnością stawów i opóźnieniem umysłowym.
Z opisanych zespołów wspomnieć trzeba nieco bardziej szczegółowo o dwóch: zespole Hurler (MPS I) i zespole Hunter (MPS II). Zespół Hurler jest rezultatem niedoboru α-1-iduronidazy i jest najcięższą z mukopolisacharydoz. U noworodków nie obserwuje się żadnych zaburzeń, jednakże pod koniec wieku niemowlęcego dochodzi do gwałtownego zahamowania wzrastania, rozwoju bielma, powiększenia języka, hepatosplenomegalii, deformacji kości długich i sztywności stawów. W kolejnych latach życia dziecko cierpi na uporczywie nawracające infekcje dróg oddechowych, pojawiają się cechy niedorozwoju umysłowego, zaburzenia słuchu, dysfunkcje zastawkowe, wzrasta ciśnienie śródczaszkowe. Do śmierci dochodzi zwykle pomiędzy 6 a 10 rokiem życia, przede wszystkim ze względu na opisane wcześniej zaburzenia naczyniowo-sercowe. Zespół Hunter, oprócz odmiennego sposobu dziedziczenia, różni się od MPS I także łagodniejszym przebiegiem i brakiem niedorozwoju umysłowego oraz zaburzeń w narządzie wzroku.
Glikogenozy
Uwarunkowane genetycznie zaburzenia metabolizmu glikogenu, które są skutkiem niedoboru enzymów katalizujących te przemiany przyjęto nazywać glikogenozami. W zależności od dystrybucji danego enzymu w organizmie człowieka, spichrzanie glikogenu może być ograniczone do kilku tkanek lub organów lub może dotyczyć ich większości a nawet całego organizmu. Znaczenie niedoboru określonego enzymu najlepiej zrozumieć analizując tor przemian glikogenu, który - jak wiadomo - jest polimerem glukozy, a zarazem jedyną substancją umożliwiającą jej gromadzenie w celu późniejszego wykorzystania przez organizm. Synteza glikogenu rozpoczyna się od konwersji glukozy do glukozo-6-fosforanu, co katalizowane jest przez heksokinazę (glukokinazę) - por. schemat. Następnie fosfoglukomutaza konwertuje glukozo-6-fosforan w glukozo-1-fosforan, z którego potem powstaje urydynodwufosfoglukoza. Syntetaza glikogenu odpowiada za tworzenie z tego związku rozgałęzionych, ogromnych polimerów, ważących do 100 milionów daltonów, składających się wielu, nawet do 10 tysięcy cząsteczek glukozy połączonych ze sobą wiązaniami α-1,4-glikozydowymi. Dzięki aktywności enzymu rozgałęziającego w cząsteczkach glikogenu występują również wiązania α-1,6-glikozydowe, dzięki którym związek ten staje się nierozpuszczalny w wodzie. Degradacja glikogenu odbywa się dzięki fosforylazom występującym w wątrobie i mięśniach, które odcinają od łańcucha pojedyncze cząsteczki glukozy, oraz dzięki enzymowi odgałęziającemu, posiadającemu zdolność odcinania ostatnich czterech cząsteczek glukozy z każdego ramienia. Alternatywnie glikogen może również być depolimeryzowany przez kwaśną maltazę, enzym lizosomalny. Jego rola jest istotna ze względu na to, że glikogen z lizosomów nie jest transportowany do cytoplazmy.
Opisano ponad tuzin glikogenoz, z których każda jest rezultatem zaburzenia aktywności jednego z enzymów. Z patologicznego i klinicznego punktu widzenia można jednak każde z tych schorzeń zaklasyfikować do jednej z trzech grup: z przewagą zaburzeń czynności wątroby, z dominacją zaburzeń mięśniowych oraz glikogenoz nie pasujących do żadnej z powyższych dwóch form.
Formy wątrobowe
W hepatocytach zawarte są enzymy kluczowe dla syntezy jak i degradacji glikogenu. Wrodzony niedobór któregokolwiek z tych enzymów prowadzi nie tylko do spichrzania glikogenu w wątrobie, ale i redukcji poziomu glukozy we krwi (hypoglycaemia). Najlepszym tego przykładem jest glikogenoza typu I, czyli choroba von Gierkego. Innymi tego typu schorzeniami są niedobory: fosforylazy wątrobowej i enzymu odgałęziającego - czyli enzymów koniecznych do degradacji glikogenu. We wszystkich tych chorobach glikogen jest gromadzony w wielu narządach, jednakże w obrazie choroby dominuje powiększenie wątroby i hipoglikemia.
Formy miopatyczne
W mięśniach szkieletowych glikogen jest wykorzystywany jako źródło energii. W przebiegu glikolizy powstają mleczany, stanowiące podstawowe źródło energii dla włókien mięśni prążkowanych. Jeśli objawia się niedobór enzymów glikolitycznych, niemetabolizowany glikogen spichrza się w mięśniach szkieletowych, co prowadzi do ich osłabienia. Przykładami tego typu schorzeń są glikogenoza V, czyli choroba McArdle'a (brak foforylazy mięśniowej) oraz glikogenoza VII (brak fosfofruktokinazy mięśniowej), a także kilka innych, rzadszych glikogenoz. Wiodącymi objawami klinicznymi tej grupy schorzeń są bolesne skurcze mięśniowe po wysiłku wraz z brakiem podwyższenia poziomu mleczanów we krwi w badaniach laboratoryjnych, ze względu na blok glikolizy.
Pozostałe glikogenozy
Do tej grupy zalicza się glikogenozę II typu, czyli chorobę Pompego, oraz glikogenozę IV typu. Pierwsze ze schorzeń jest rezultatem niedoboru kwaśnej maltazy, czyli α-glukozydazy - enzymu lizosomalnego. W efekcie do spichrzania glikogenu dochodzi w wielu organach, ale przede wszystkim w mięśniu sercowym, co prowadzi do kardiomegalii i śmierci we wczesnym wieku. Glikogenoza IV typu, polegająca na niedoborze enzymu rozgałęziającego, wiąże się ze spichrzaniem nieprawidłowego glikogenu i zaburzeniami czynności mózgu, serca, mięśni szkieletowych i wątroby.
Podstawowe wiadomości o wymienionych wyżej reprezentatywnych dla każdej grupy schorzeniach zostały przedstawione w tabeli.
Rycina 6-4. Uproszczone przedstawienie metabolizmu glikogenu w wątrobie i mięśniach szkieletowych.
Tabela 6-7. CHARAKTERYSTYKA MODELOWYCH POSTACI
GLIKOGENOZ.
Kategoria kliniczno-patologiczna |
Typ |
Niedoborowy enzym |
Zmiany morfologiczne |
Cechy kliniczne |
Postaci wątrobowa |
glikogenoza I (choroba von Gierkego) |
glukozo-6-fosfataza |
hepatomeglia - wewnątrzcytoplazmatyczne złogi glikogenu i niewielkich ilości lipidów, wewnątrzjądrowe złogi glikogenu; renomegalia - wewnątrzcytoplazmatyczne złogi glikogenu w komórkach nabłonka cewek nerkowych |
zahamowanie rozwoju i wzrastania organizmu, hepatomegalia i renomegalia; hipoglikemia prowadząca do drgawek; hiperlipidemia i hipeurykemia będące skutkiem zaburzonego metabolizmu glukozy - u wielu pacjentów pojawiają się żółtaki i rozija się dna moczanowa; tendencja do krwawień na skutek zaburzenia czynności płytek; wiele z tych dolegliwości można leczyć objawowo - wówczas pojawiają się powikłania odległe, np. gruczolaki wątroby |
Postaci miopatyczna |
glikogenoza V (choroba McArdle'a) |
fosforylaza mięśniowa |
mięśnie szkieletowe - złogi glikogenu lokalizujące się głównie pod sarkolemmą |
bolesne skurcze pojawiające się po wysiłku fizycznym, natomiast nie podnosi się poziom mleczanów w osoczu; mioglobinuria u połowy chorych; objawy rozwijają się po 20 rż; długość życia zwykle się nie skraca |
Pozostałe postaci |
glikogenoza II (choroba Pompego) |
α-glukozydaza (kwaśna maltaza) |
kardiomegalia - złogi glikogenu widoczne są zarówno w sarkoplazmie jak i pod sarkolemmą; mięśnie szkieletowe - zmiany analogiczne jak w sercu; hepatomegalia - niewielkiego stopnia; balonowate rozdęcie lizosomów przez złogi glikogenu, nadające cytoplazmie piankowaty wygląd |
nasilona kardiomegalia, hipotonia mięśniowa i niewydolność sercowo-oddechowa prowadząca do zgonu w ciągu pierwszych 2-3 lat życia; istnieje także łagodniejsza postać - dorosłych - dotykająca wyłącznie mięśni szkieletowych |
Alkaptonuria
Alkaptonuria jest najwcześniej opisanym wrodzonym zaburzeniem metabolicznym. Dziedziczy się autosomalnie recesywnie i występuje z częstością ok. 1 na 1000000 osób, nieco częściej u mężczyzn niż u kobiet.
Istotę tej choroby stanowi brak aktywności oksydazy homogentyzynowej w wątrobie i nerkach. Enzym ten uczestniczy w ścieżce przemian fenyloalaniny i tyrozyny, katalizując przekształcenie otrzymanego z tyrozyny kwasu homogentyzynowego w kwas maleiloacetooctowy. Na skutek defektu oksydazy homogentyzynowej dochodzi zatem w organizmie do kumulacji kwasu homogentyzynowego, dawniej zwanego alkaptonem.
Gen kodujący oksydazę kwasu homogentyzynowego zlokalizowany jest na chromosomie 3q21. W roku 1996, kilkadziesiąt lat od wprowadzenia przez odkrywcę istoty tego schorzenia, Archibalda Garroda, pojęcia "wrodzonego błędu metabolicznego", gen ów został sklonowany.
Nadmiar kwasu homogentyzynowego jest wydzielany z moczem, w którym po pewnym czasie pod wpływem światła i powietrza spontanicznie utleniania się tworząc chinon. Chinon ma ciemną barwę, podobną do melaniny, a zatem próbka moczu ciemnieje - zjawisko to nosi nazwę alkaptonurii. Ciemnienie moczu zachodzi również pod wpływem zasad, co wykorzystuje się w diagnostyce biochemicznej tej choroby.
U około połowy osób z alkaptonurią w tkankach bogatych w kolagen, a charakteryzujących się stosunkowo powolnym metabolizmem, takich jak np. chrząstki, ścięgna i tkanka łączna dochodzi do odkładania się kwasu homogentyzynowego, polimeryzującego w niekrystaliczny pigment. W miarę upływu czasu tkanki te stopniowo czernieją, przybierając charakterystyczną barwę ochry, co nosi nazwę ochronozy (ochronosis). Barwnik odkłada się w chrząstkach małżowiny usznej, nosa, krtani, tchawicy, płatkach zastawek, we wsierdziu i błonie wewnętrznej aorty oraz w skórze, twardówce i spojówkach.
Najpoważniejszymi konsekwencjami ochronozy są uszkodzenia chrząstek stawowych (arthropatia ochronotica), które ujawniają się w trzeciej dekadzie życia. Zmiany w pierwszym rzędzie dotyczą dużych stawów: kolanowych (zajętych w 80% przypadków), łokciowych, biodrowych oraz krążków międzykręgowych. Odkładający się w nich pigment prowadzi do nie tylko do zmian zabarwienia ale także utraty sprężystości przez chrząstki; początkowo twardnieją a następnie stają się kruche i łamliwe. W miarę upływu czasu chrząstka pęka, odwarstwia się odsłaniając kość, zaś oderwane fragmenty chrzęstne luźno leżą w jamie stawowej lub zostają wbite w kość, jeszcze bardziej ją niszcząc. Kostne powierzchnie stawowe twardnieją i tworzą się wyrośla kostne. Drobne fragmenty chrząstki mogą także zostać inkorporowane w obręb błony maziowej, w której pigment się nie odkłada. Często spotykaną zmianą w przebiegu ochronozy jest też zajęcie ścięgien. Na skutek odkładania się pigmentu dochodzi do zapalenia, a następnie wapnienia i pękania. W obrębie kręgosłupa - szczególnie lędźwiowego - dochodzi do odkładania pigmentu w chrząstkach dysków międzykręgowych, co z upływem czasu prowadzi do ich pękania i deformacji. Małe stawy stóp i dłoni są oszczędzane przez zmiany chorobowe.
Z klinicznego punktu widzenia, alkaptonuria stanowi schorzenie przewlekle postępujące. W badaniu klinicznym najłatwiej dostrzec zmiany pigmentacji tkanek na twardówkach, nosie, policzkach i małżowinach usznych, na skórze pod pachami i w pachwinach. U pacjentów z objawami ochronozy poziom kwasu homogentyzynowego w osoczu przekracza 300 μmol/l. Artropatia rozwija się powoli, ale wiąże się z silnymi i dokuczliwymi bólami stawów, a z biegiem czasu ograniczeniami ich ruchomości i sztywnością. Do bóli i usztywnienia dochodzi także w obrębie kręgosłupa lędźwiowego; w obrazie radiologicznym uwidacznia się zwyrodnienie i wapnienie dysków międzykręgowych oraz zwężenie przestrzeni międzykręgowych.
Zmiany w obrębie stawów mogą być tak poważne jak w przypadku ciężkich przypadków osteoarthritis, jakkolwiek schorzenie zwykle nie wpływa na skrócenie życia. Alkatponuria jest chorobą nieuleczalną.
CHOROBY ZWIĄZANE Z ZABURZENIAMI BIAŁEK UCZESTNICZĄCYCH W REGULACJI WZROSTU KOMÓRKI
W grupie chorób związanych z zaburzeniami regulacji wzrostu komórek najistotniejsze znaczenie mają dwie klasy genów: protoonkogeny i antyonkogeny. Skutkiem ich mutacji, które zachodzą w komórkach somatycznych, a których materiał genetyczny nie jest przekazywany potomstwu, jest najczęściej rozwój nowotworów. W stosunkowo rzadkich przypadkach dochodzi jednak do mutacji w obrębie onkogenów zawartych w materiale genetycznym gamet, co przyczynia się do rozwoju nowotworów u potomstwa. Większość rodzinnych zespołów nowotworowych dziedziczona jest autosomalnie dominująco (np. zespół rodzinnej polipowatości jelit), jakkolwiek znane są również schorzenia dziedziczące się autosomalnie recesywnie (np. rodzinne przypadki siatkówczaka płodowego) - wszystkie one zostaną szczegółowo opisane w dalszej części podręcznika. W tym miejscu zostanie przedstawiony tylko przykład jednego z najczęściej spotykanych zaburzeń - neurofibromatozy.
Neurofibromatozy
Neurofibromatozy to dwie choroby dziedziczące się autosomalnie dominująco.
Neurofibromatoza 1, zwana również chorobą von Recklinghausena, to choroba ujawniająca się u 1 na 3000 osób. U ponad połowy pacjentów udaje się dowieść dziedziczenia autosomalnego dominującego na podstawie wywiadów rodzinnych i w tych przypadkach ekspresja zmian fenotypowych jest bardzo zmienna, a penetracja - stuprocentowa. Gen odpowiedzialny za to schorzenie, nazwany NF-1, został zlokalizowany na chromosomie 17q11.2. U pozostałych pacjentów, u których nie udaje się stwierdzić dowodów dziedziczenia, dochodzi do spontanicznych mutacji w tym loci.
Gen NF-1 koduje białko, zwane neurofibrominą, które osłabia onkogenną aktywność jednego z produktów protoonkogenów rodziny ras: białka o masie 21 kD, funkcjonującego jako enzym hydrolizujący guanozynotrójfosforan (GTP) do guanozynodwufosforanu (GDP). W czasie, w którym z białkiem ras, stanowiącym wewnętrzną częścią receptora dla czynnika wzrostu, pozostaje związany GTP, dochodzi do aktywacji kinazy MAP aktywującej z kolei w jądrze komórkowym transkrypcję. Wynika z tego wniosek, że neurofibromina, nota bene należąca do grupy białek wzmagających ponad 1000 razy aktywność GTP-azową ras, działa jako czynnik utrudniający aktywację ścieżki kinazy MAP i hamujący transkrypcję, zatem jest antyonkogenem.
Klinicznie u chorych na neurofibromatozę 1 stwierdza się obecność: nerwiakowłókniaków (neurofibroma) - mnogich guzów pochodzenia nerwowego na ciele, licznych silnie pigmentowanych plamistych przebarwień skóry (café au lait) oraz hamartomatycznych guzków na tęczówce, zwanych guzkami Lischa.
Nerwiakowłókniaki powstają z osłonek nerwów skóry całego ciała, także na dłoniach i stopach, oraz w narządach wewnętrznych i w osłonkach nerwów czaszkowych. U pacjentów stwierdza się trzy typy nerwiakowłókniaków:
skórne (neurofibroma cutis) - są to miękkie, uszypułowane guzki barwy cielistej, występujące w liczbie od kilku do kilkuset;
podskórne (neurofibroma subcutis) - są to owalne, twarde guzki rosnące pod powierzchnią skóry, zwykle, podobnie jak nerwiakowłókniaki skórne, nie przekraczające średnicy 1 cm, chociaż opisywano przypadki guzów 20-to centymetrowych; obydwa rodzaje guzów są dobrze odgraniczone od okolicznych tkanek, ale nieotorebkowane;
splotowate (neurofibroma plexiforme) - rosną w tkance podskórnej i w ich obrębie stwierdza się często liczne pogrubiałe, uszkodzone pnie nerwowe. Skóra ponad nimi jest często nadmiernie przebarwiona. Rosnąc, guzy te mogą zajmować rozległe obszary tkanek lub narządów wewnętrznych, co powoduje patologiczne powiększanie się kończyny lub części ciała. Guzy zlokalizowane głęboko są zwykle później wykrywane i co za tym idzie - na ogół osiągają większe rozmiary.
Mikroskopowo, w nerwiakowłókniakach stwierdza się składniki obwodowych pni nerwowych: neuryty, komórki Schwanna i fibroblasty znajdujące się w śluzowatym podścielisku. Dominują wydłużone komórki Schwanna, ze smukłymi, wrzecionowatymi jądrami. Charakterystyczne, śluzowate i zdezorganizowane podścielisko ułatwia odróżnianie tych guzów od schwannoma. Te ostatnie nie przechodzą transformacji złośliwej, natomiast 5% przypadków nerwiakowłókniaków splotowatych jest złośliwych. Do transformacji złośliwej dochodzi najczęściej w dużych guzach, rosnących z osłonek dużych pni nerwowych zlokalizowanych na szyi lub kończynach. W pozostałych typach nerwiakowłókniaków złośliwienie jest niezmiernie rzadkim zjawiskiem, niezależnie od ich wielkości, zaś ich podścielisko jest często zeszkliwiałe.
Przebarwienia na skórze są obecne u ponad 90% pacjentów. Najczęściej mają postać jasnobrązowych plamistych przebarwień o gładkich brzegach, okrągłych lub owalnych. Z powodu charakterystycznego koloru, zmiany te są określane jako przebarwienia o kolorze „kawy z mlekiem” (café au lait). Jeśli przebarwienie zlokalizowane jest nad nerwiakowłókniakiem, to jego długa oś skierowana jest równolegle do przebiegającego w skórze nerwu, z którego osłonek wyrasta ten guz. Podejrzenie neurofibromatozy powinno się nasuwać diagnoście wtedy, gdy u pacjenta stwierdza więcej niż pięć przebarwień większych od 1,5 cm.
Ponad 94% pacjentów w wieku powyżej 5 lat, ma hamartomatyczne, pigmentowane guzki na tęczówce, zwane guzkami Lischa. Są one pomocne dla diagnosty i szczęśliwie dla pacjenta, zupełnie niegroźne.
Oprócz tych dolegliwości, u 30-50% pacjentów stwierdzane są zaburzenia w kośćca, najczęściej zaniki kości z powodu ucisku nerwiakowłókniaka, skrzywienia boczne kręgosłupa, torbiele śródkostne, podkorowe torbiele kostne, rzekome zwyrodnienia stawów piszczeli (pseudoarthrosis tibiae). Choroba von Recklinghausena wiąże się także ze 2-4-krotnym wzrostem ryzyka zachorowania na inne nowotwory, takie jak nerczak płodowy, mięsak prążkowanokomórkowy, oponiaki, glejaki nerwu wzrokowego, guz chromochłonny kory nadnerczy, przewlekła białaczka szpikowa.
Jeśli nerwiakowłókniaki powstają w ścianach przewodu pokarmowego, mogą stanowić przyczynę jego krwawienia lub niedrożności. Z kolei ucisk i zwężenie tętnicy nerkowej przez nowotwór może być przyczyną nadciśnienia. U części pacjentów stwierdza się też obniżenie IQ.
Ze względu na zmienną ekspresję genu NF-1 liczba objawów jest nieprzebrana, zaś diagnoza często trudna. W związku z tym rozpoznanie neurofibromatozy 1 stawia się po stwierdzeniu przynajmniej dwóch z następujących kryteriów:
◄Przynajmniej 5 przebarwień o typie café au lait większych niż 5 mm; w
przypadku dzieci - 6 większych niż 15 mm.
◄Przynajmniej dwa nerwiakowłókniaki lub jeden jeśli o typie neurofibroma
plexiforme.
◄Liczne duże piegi w okolicach pach lub pachwin.
◄Zniekształcenia skrzydeł kości klinowej (ala ossis sphenoidalis).
◄Obustronne glejaki nerwu wzrokowego.
◄Mnogie guzki tęczówek (plamki Lischa).
◄Krewny pierwszego stopnia spełniający przynajmniej 2 powyższe kryteria.
Nerwiakowłókniakowatość typu 2, znana też jako choroba Bourneville'a, jest chorobą znacznie rzadszą od wyżej opisywanej - występuje z częstością około 1 na 40000-50000 osób. Gen NF-2 został zlokalizowany na chromosomie 22q12 i jest on, podobnie jak NF-1, genem supresorowym. Białkowy produkt tego genu, nazwany - nomen-omen - merlin, wykazuje podobieństwo do niektórych białek cytoszkieletu (szczególnie białka 4.1, znajdującego się w cytoszkielecie erytrocytów). Merlin wiąże się z jednej strony z aktyną, a z drugiej z transmembranowym receptorem CD44, białkiem odpowiedzialnym za interakcje komórki z macierzą zewnątrzkomórkową, jednak jego funkcje nie są znane. Stwierdzono jednak, że mutacje NF-2 o typie zmiany sensu wiążą się z lepszym rokowaniem w porównaniu z przypadkami, w których stwierdza się mutacje nonsensowne.
Pacjenci cierpią z powodu rozlicznych nowotworów, najczęściej stwierdza się nerwiaki osłonkowe (schwannoma) VIII nerwu czaszkowego (także innych nerwów czaszkowych i rdzeniowych) i mnogie oponiaki (meningioma), rzadziej glejaki, szczególnie wyściółczaki (ependymoma) rdzenia kręgowego. Spotykane są także inne, nienowotworowe zmiany: guzowate rozrosty komórek Schwanna w rdzeniu kręgowym (schwannosis), wewnątrzczaszkowa proliferacja komórek oponowych i naczyń krwionośnych (meningioangiomatosis) i hamartomatyczne rozrosty gleju - mikroskopowo stwierdza się guzkowate nagromadzenia komórek glejowych w nieprawidłowych miejscach, głównie w powierzchownych i głębokich warstwach kory mózgowej. Przebarwienia o typie café au lait są obecne, jednak nie stwierdza się guzków Lischa.
CHOROBY DZIEDZICZĄCE SIĘ WIELOCZYNNIKOWO
Jak już napisano wcześniej, zaburzenia dziedziczące się wieloczynnikowo są rezultatem skumulowanego wpływu czynników środowiskowych i przynajmniej dwóch mutacji dotyczących różnych genów. Do aberracji genowych stosuje się efekt dawki: im większej liczby genów dotyczy mutacja - z reguły jest nią delecja - tym cięższa i pełniejsza ekspresja choroby. Dodatkowo wpływy środowiska znacząco modyfikują ich ekspresję, dlatego nie w pełni uzasadnione wydaje się stosowanie terminu dziedziczenie wielogenowe.
Wiadomo, że wiele zwykłych cech fonotypowych, występujących w populacji w sposób bardzo zmienny, takich jak kolor tęczówek, włosów, skóry, wzrost czy inteligencja jest zdeterminowanych przez wiele genów - statystycznym obrazem tych cech jest krzywa rozkładu normalnego. Jednakże czynniki środowiskowe silnie modyfikują także ich ekspresję.
Tabela 6-8. PRZYKŁADY CHORÓB DZIEDZICZONYCH WIELOCZYNNIKOWO.
Schorzenie |
Rozszczep wargi i/lub podniebienia |
Wrodzone wady serca |
Choroba naczyń wieńcowych |
Nadciśnienie |
Dna moczanowa |
Cukrzyca |
Zwężenie odźwiernika |
CHOROBY CYTOGENETYCZNE
Jak wspomniano na wstępie tego rozdziału, jądro każdej prawidłowej ludzkiej komórki somatycznej zawiera materiał genetyczny w postaci diploidalej liczby (46) chromosomów, które w czasie metafazy grupują się w możliwe do zidentyfikowania 23 homologiczne pary. Ale nie jest tak zawsze.
Szacuje się, że w około 7.5% ze wszystkich zapłodnień dochodzi do powstawania aberracji chromosomalnych. Większość z nich to aberracje letalne - ich rezultatem jest śmierć płodu. Zaburzenia chromosomalne można zidentyfikować w połowie przypadków wczesnych aborcji oraz u 5% noworodków martwo urodzonych i umierających w okresie poporodowym. Wśród dzieci, które rodzą się żywe 0.5-1.0% ma różnego rodzaju wady chromosomalne.
Ponad połowa wszystkich zaburzeń chromosomalnych stwierdzanych u płodów podlegających samoistnemu poronieniu i dwie trzecie ze wszystkich zaburzeń chromosomalnych stwierdzanych u noworodków to trisomie. Monosomie dotyczące chromosomów autosomalnych kończą się śmiercią organizmu najpóźniej w czasie życia płodowego, natomiast trisomie tych chromosomów w niektórych przypadkach, szczególnie w przypadku trisomii 21, umożliwiają życie, jakkolwiek wiążą się ze znacznymi wadami fenotypowymi. Monosomie i trisomie dotyczące chromosomów płciowych zwykle umożliwiają przeżycie chorego, choć ich skutkiem są różnie wyrażone zaburzenia fenotypowe.
Pewną odmianę zaburzeń chromosomalnych, które szczegółowo przedstawione zostały na początku niniejszego rozdziału, stanowi grupa zaburzeń określana jako mozaikowatość. Mozaikowatość jest rezultatem zaburzeń mitotycznych powstających w czasie podziałów zapłodnionej komórki jajowej lub już w komórkach somatycznych embrionu - przynajmniej jedna z powstałych populacji komórkowych zawiera wadę chromosomalną, podczas gdy inne są prawidłowe. Mozaikowatość najczęściej dotyczy chromosomów płciowych, np. wspomniane wcześniej zaburzenie podziału komórki jajowej zazwyczaj doprowadza do powstawania organizmu składającego się w części z komórek zawierających 45 chromosomów, a w części z 47 chromosomów, co w przypadku płci żeńskiej zapisujemy: 45,X/47,XXX. Pacjentka taka posiada pewne cechy zespołu Turnera (opisanego poniżej). Jeśli zaburzenie podziału nastąpi na nieco późniejszym etapie rozwoju, u dziecka będą wystąpowały przynajmniej trzy linie komórkowe: 45,X/46,XX/47,XXX, natomiast powtarzające się błędne podziały mogą być przyczyną jeszcze większej różnorodności linii komórkowych.
Mozaikowatość w zakresie chromosomów autosomalnych stwierdzana jest znacznie rzadziej, ponieważ - jak wspomniano wyżej - zarówno monosomie jak i trisomie dotyczące chromosomów autosomalnych są zwykle letalne. W rzadkich przypadkach, jeżeli linia monosomalna wyginie, a pozostaną jedynie komórki prawidłowe oraz trisomiczne organizm może przeżyć. Najczęściej dzieje się tak w przypadku mozaikowatości z trisomią chromosomu 21 (46,XY/47,XY+21) czego skutkiem jest zmiennie - w zależności od odsetka komórek zawierających dodatkowy chromosom - jednak nigdy nie w pełni rozwinięty zespół Downa (opisany niżej).
Zaburzenia dotyczące chromosomów autosomalnych
Trisomia 21 (zespół Downa)
Zespół Downa jest najczęstszym zaburzeniem chromosomalnym. Wśród noworodków choroba ujawnia się z częstotliwością ok. 1 na 700 żywych urodzeń. Dla kobiet, które urodziły dziecko obciążene trisomią 21 chromosomu, ryzyko urodzenia kolejnego dziecka z tą wadą wynosi ok. 1%.
95% chorych cierpi z powodu „klasycznej” postaci trisomii wynikającej z obecności dodatkowego chromosomu 21 (47,XX,+21 lub 47,XY,+21). W tych przypadkach u rodziców nie stwierdza się żadnych zmian w kariotypie.
Od dawna obserwowano, że częściej na zespół Downa chorują dzieci starszych matek: dla kobiet w wieku 21-23 lata prawdopodobieństwo urodzenia dziecka obciążonego tą wadą wynosi ok. 0,5-0,7 na 1000 żywych porodów, w wieku 35 lat - ok. 3 na 1000, w wieku 40 lat - ok. 10 na 1000, a w wieku 45 lat i starszym - ok. 25-34 na 1000 żywych porodów. Narzucający się związek wzrostu częstości zachorowań dzieci wraz z wiekiem matki sugerował, że do nondysjunkcji pary chromosomów 21 dochodzi w drugiej fazie podziału mejotycznego, w wyniku którego powstaje komórka jajowa i ciałko resztkowe. W rzeczy samej, badania polimorfizmu fragmentów restrykcyjnych DNA wykazały, że dodatkowy chromosom w większości przypadków pochodzi od matki, jednakże dotychczas nie wyjaśniono przyczyny, dla której tak się dzieje.
W około 4% przypadków trisomii 21 chromosomu dodatkowy materiał chromosomalny jest wynikiem translokacji. W tych przypadkach do translokacji dochodzi w trakcie gametogenezy, lub - co jest znacznie częstsze - jedno z rodziców jest nosicielem translokacji zrównoważonej, obejmującej chromosom 21 i inny akrocentryczny chromosom np. 22. Do wystąpienia pełnoobjawowego zespołu Downa z wszystkimi charakterystycznymi zaburzeniami fenotypowymi wystarczy translokacja stosunkowo niewielkiej części chromosomu 21: a mianowicie 21q22.2 do 21q22.3. Interesujące, że obserwowana częstość powstawania trisomii 21 u dzieci rodziców-nosicieli translokacji jest z niejasnych powodów znacząco niższa od teoretycznej, wynoszącej 1:3.
Około 1% ogółu pacjentów cierpiących na zespół Downa stanowią chorzy z mozaikowatością, których tkanki składają się z przemieszanych w różnych proporcjach prawidłowych somatycznych komórek diploidalnych i komórek zawierających dodatkowy chromosom 21. Ilość komórek wykazujących kariotyp trisomiczny uzależniona jest od tego, na jak wczesnym etapie embriogenezy doszło do nondysjunkcji w jednej z komórek. Podobnie zmienne jest nasilenie objawów. Przypadki trisomii 21 związane z mozaikowatością i z translokacją są niezależne od wieku matki.
Objawy kliniczne zespołu Downa są zwykle trudne do przeoczenia. Od lat uwagę lekarzy zwracał „płaski” profil twarzy, skośny przebieg szczelin powiekowych, hiperteloryzm, płaska nasada nosa i fałdy nakątne nadające twarzom chorych charakterystyczny wygląd, z powodu którego zaburzenie to znane było jako „mongolizm”. Dodatkowo stwierdza się tzw. plamki Brushfielda na tęczówce, zmniejszenie nosa, małżowin usznych (nisko osadzonych i często zniekształconych) oraz żuchwy. Czaszka i szyja są krótkie, ta ostatnia zwykle „płetwiasta”. Dłonie, krótkie i szerokie, w ponad ¾ przypadków wykazują obecność pojedynczej, poprzecznej bruzdy (tzw. „małpia bruzda”), a często również zakrzywienie V palca (klinodaktylia). Często stwierdzanym objawem jest także duży odstęp pomiędzy pierwszym i drugim paluchem stopy. Zewnętrzne narządy płciowe są niedorozwinięte, a napięcie mięśniowe obniżone. Chorzy są zwykle niscy, ich wzrost nie przekracza 150 cm.
Stałym objawem jest upośledzenie umysłowe, zwykle znacznego stopnia - ok. 80% chorych wykazuje IQ w granicach 25-50. Wyższy IQ wskazuje na różnego stopnia mozaikowatość. Trisomia 21 odpowiada za ponad 30% wszystkich przypadków ciężkiego i umiarkowanego upośledzenia umysłowego u dzieci oraz za opóźnienie ich rozwoju zarówno emocjonalnego jak i ruchowego.
Oprócz opisanych wyżej zaburzeń fenotypowych i upośledzenia umysłowego u chorych często ujawniają się wady narządów wewnętrznych. Około 40% pacjentów cierpi z powodu wrodzonej wady serca, zazwyczaj wynikających z zaburzenia rozwoju poduszeczek wsierdziowych, które prawidłowo, ok. 5 tygodnia życia płodowego, tworzą przegrodę pośrednią, rozdzielającą prawe i lewe ujście przedsionkowo-komorowe; następnie powyżej i poniżej niej powstaje przegroda, odpowiednio, międzyprzedsionkowa i międzykomorowa. Zazwyczaj są to wady typu ostium primum, wady dotyczące przegród międzyprzedsionkowej lub międzykomorowej, wady zastawek przedsionkowo-komorowych, rzadziej przetrwały przewód tętniczy Botalla. Wady te stanowią najczęstszą przyczynę zgonów w wieku noworodkowym i niemowlęcym.
Na drugim co do częstości miejscu są wady przewodu pokarmowego (zwężenie lub niedrożność zazwyczaj na poziomie przełyku lub jelita cienkiego, rzadziej odbytu), a rzadziej stwierdza się wady układu moczowego i kostnego (wrodzone zwichnięcie stawów biodrowych) oraz niedoczynność tarczycy.
Wśród dzieci chorych na zespół Downa występuje ok. 10-20 razy wyższe ryzyko zachorowania na ostrą białaczkę, zarówno limfoblastyczną jak i mieloblastyczną. Przypuszczalnie jest to związane z występowaniem nadmiaru białek takich jak np. czynnik transkrypcyjny związany z karłowatością odgrywający rolę w ostrej białaczce mieloblastycznej RUNX1 (21q22.3), onkogen ETS-2 (21q22.3), czy czynnik mieloproliferacyjny TAM (21q11.2). Jednakże przeprowadzone niedawno w Danii badania epidemiologiczne dużej grupy chorych wykazały, że zachorowalność na białaczki jest wyższa wśród dzieci do lat 4 i nieco większa również u starszych chorych; za to zmniejsza się wśród nich zachorowalność na guzy lite. Wiąże się ów fenomen z hipotetycznym(i) antyonkogenem(ami) zlokalizowanym(i) na chromosomie 21, mającymi występować w szczególnie dużych ilościach kopii w przypadkach trisomii tego chromosomu.
Także układ immunologiczny chorych jest w pewnym stopniu upośledzony, predystynując ich do zapadania na ciężkie infekcje, głównie dolnych dróg oddechowych oraz na rozwój chorób autoagresyjnych, szczególnie dotyczący tarczycy. Podłoże molekularne tych zaburzeń, związanych w większości przypadków z odpowiedzią komórkową, jest jak dotychczas nieznane.
Obecnie niemal 80% chorych z zespołem Downa przeżywa więcej niż 30 lat. Mężczyźni są bezpłodni, kobiety w niewielkim odsetku przypadków mogą mieć dzieci, jednakże połowa potomstwa cierpi na trisomię 21. Niemal wszyscy chorzy z trisomią 21 po 40 rż. zapadają na chorobę Alzheimera, nasilającą w znacznym stopniu objawy niedorozwoju umysłowego.
Rzadsze trisomie
Z opisanych, rzadszych niż zespół Downa trisomii chromosomów 8, 9, 13, 18 i 22 stosunkowo najczęściej spotykanymi zaburzeniami są zespół Edwardsa (trisomia 18) i zespół Pataua (trisomia 13), obydwa opisane w 1960 r. Zespoły te zazwyczaj wynikają z nondysjunkcji w czasie podziału mejotycznego komórki jajowej i podobnie jak w zespole Downa związane są z wiekiem matki, rzadszą przyczyną jest translokacja zrównoważona obecna u jednego z rodziców. Wady wrodzone są znacznie cięższe niż w zespole Downa i dotyczą głównie układu krwionośnego i ośrodkowego układu nerwowego a także wielu innych układów i narządów, i zwykle kończą się śmiercią chorego dziecka najpóźniej pod koniec pierwszego roku życia.
Tabela 6-9. CHARAKTERYSTYKA NAJCZĘSTSZYCH TRISOMII AUTOSOMALNYCH.
Objawy |
Zespół Downa |
Zespół Edwardsa |
Zespół Pataua |
Częstość |
1:700 |
1:8000 |
1:15000 |
Etiologia
|
|
|
|
Najczęściej stwierdzany kariotyp
|
|
|
|
Objawy kliniczne |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Rokowanie |
|
|
|
Obserwowane ryzyko urodzenia kolejnego dziecka z wadą |
|
|
|
Zespół delecji chromosomu 22q11
Delecja prążka 11 ramienia dłuższego chromosomu 22 odpowiada za występowanie szerokiego spektrum objawów, do których zalicza się wrodzone wady serca, podniebienia, dysmorfię twarzy, opóźnienie rozwoju, hipokalcemię i niedobory immunologiczne w zakresie odpowiedzi komórkowej. Dotychczas objawy te, w zależności od ich konstelacji, stanowiły o rozpoznaniu skład dwóch różnych jednostek chorobowych: zespołu DiGeorge'a i zespołu podniebienno-sercowo-twarzowego (syndroma velocardiofaciale).
Chorzy z zespołem DiGeorge'a cierpią na niedobory odpornościowe związane z zaburzeniami w rozwoju limfocytów T, spowodowanymi niedorozwojem grasicy, hipokalcemię będącą skutkiem hipoplazji przytarczyc, niewielkie zniekształcenia w zakresie twarzy i różnorodne wady serca dotyczące drogi wypływu krwi.
Objawy kliniczne tak zwanego zespołu podniebienno-sercowo-twarzowego obejmują dysmorfię w zakresie twarzy (wydatny nos, cofnięcie żuchwy), rozszczep podniebienia, zaburzenia w układzie sercowo-naczyniowym i opóźnienie umysłowe, zaś stosunkowo rzadko ujawniają się niedobory odporności.
Dzięki badaniom cytogenetycznym ujawniono, że te dwa różniące się klinicznie zespoły chorobowe wynikają z delecji pojedynczego odcinka DNA liczącego około 1,5 miliona par zasad, leżącego w obrębie prążka 11 ramienia dłuższego chromosomu 22. Stosując metodę FISH w rutynowej diagnostyce klinicznej wykazano, że 90% pacjentów z zespołem DiGeorge'a i ponad 60% chorych z zespołem podniebienno-sercowo-twarzowym wykazuje cechy delecji w obszarze 22q11. U 30% pacjentów z tym zespołem, wykazujących wyłącznie zaburzenia w zakresie układu sercowo-naczyniowego, również można wykazać delecje w zakresie tego regionu chromosomu 22. Zróżnicowanie objawów klinicznych najprawdopodobniej wynika z niewielkich różnic dotyczących miejsca i długości traconego fragmentu chromosomu. W obrębie tego fragmentu leżą liczne geny, między innymi czynniki transkrypcyjne, jednakże jak dotychczas nie ustalono, które z nich są kluczowe dla powstania objawów chorobowych.
Z powyższych względów, w przypadkach powyższych zespołów, w których uda się wykazać delecję 22q11, opisuje się nowy zespół, zwany zespołem delecji 22q11 lub zespołem CATCH 22 (ang.: cardiac abnormalities, abnormal facies, T-cell deficit, cleft palate, hypocalcemia resulting from 22q11 deletion).
Zaburzenia dotyczące chromosomów płciowych
Jak wspomniano wcześniej, aberracje dotyczące chromosomów płciowych są na ogół znacznie lepiej tolerowane przez organizm. Dzieje się tak na skutek przynajmniej dwóch znanych zjawisk: inaktywacji (lyonizacji) jednego z chromosomów płciowych i małej liczby genów zlokalizowanych na chromosomie Y.
Przedstawiona w 1961 roku hipoteza dotycząca inaktywacji jednego z chromosomów X, od nazwiska odkrywczyni, Mary F. Lyon, nazywana także lyonizacją, głosi, że tylko jeden z chromosomów X jest genetycznie funkcjonalny, zaś drugi - matczyny lub ojcowski - losowo wybrany chromosom X w stadium blastocysty (ok. 16 dnia embriogenezy) ulega heteropyknozie i inaktywacji. Inaktywacja tego samego chromosomu X jest trwała we wszystkich potomnych komórkach somatycznych. Z tych względów prawidłowe kobiety są w rzeczywistości genetyczną mozaiką dwóch populacji komórek: jednych zawierających aktywny chromosom X pochodzący od matki i nieaktywny od ojca i vice versa, dzięki czemu posiadają netto tyle samo czynnych chromosomów X co mężczyźni, których proces lyonizacji, jak łatwo się domyślić, nie dotyczy. Nieaktywny chromosom X można uwidocznić w jądrze komórki znajdującej się w interfazie, jako ciemno barwiącą się, dobrze odgraniczoną chromatynę przylegającą do błony jądowej, noszącą nazwę ciałka Barra lub chromatyny X. Ciałka Barra występują we wszystkich komórkach prawidłowych kobiet, jednak najłatwiej uwidocznić je w wymazach z komórek błony śluzowej policzków.
Hipoteza Mary Lyon była wielokrotnie modyfikowana od czasu ogłoszenia w latach '60. Na podstawie bezpośrednich badań genetycznych wiadomo obecnie, że nie wszystkie geny na chromosomie X są dezaktywowane - znaczna część z nich pozostaje aktywna, ponieważ odpowiadają one za prawidłowy wzrost i rozwój osobniczy. Badania te potwierdzają zaburzenia obserwowane w chorobie Turnera - kobiety posiadające tylko jeden chromosom X w każdej komórce somatycznej cierpią z powodu licznych zaburzeń somatycznych i gonadalnych. Powstanie tych nieprawidłowości byłoby niemożliwe, gdyby tylko jeden chromosom X wystarczał do prawidłowego rozwoju. Ponadto nieczynny chromosom X jest na powrót aktywowany w komórkach germinalnych przed pierwszym podziałem mejotycznym, zatem nie jeden, ale dwa chromosomy płciowe są niezbędne do prawidłowej oogenezy.
Chromosom Y jest niezbędny i wystarczający do rozwoju cech męskich, zatem niezależnie od liczby chromosomów X, chromosom Y determinuje płeć męską. W dystalnej części krótkiego ramienia tego chromosomu znajduje się gen Sry determinujący rozwój jąder i płci męskiej, zaś na ramieniu długim zidentyfikowano geny kluczowe dla przebiegu spermatogenezy.
Podsumowując, należy pamiętać, że aberracje dotyczące chromosomów płciowych wywołują przede wszystkim niezbyt nasilone, ale nieodwracalne zaburzenia rozwoju płciowego oraz płodności. Zwykle trudno je rozpoznać w okresie okołoporodowym, a bywają takie, które można rozpoznać dopiero w czasie dojrzewania płciowego. Liczba chromosomów X, niezależnie od obecności chromosomu Y (bądź jego braku), na ogół koreluje ze stopniem ciężkości upośledzenia umysłowego.
Poniżej zostaną omówione najczęściej spotykane zespoły chorobowe związane z zaburzeniami dotyczącymi chromosomów płciowych.
Zespół Klinefeltera
Jednym z najczęstszych zaburzeń chromosomalnych związanych z płcią jest zespół Klinefeltera. Polega on na występowaniu u osobnika o męskim fenotypie przynajmniej 2 chromosomów X i przynajmniej jednego chromosomu Y w każdej komórce somatycznej. Stwierdzany jest z częstotliwością ok. 1 na 850 żywych urodzeń wśród chłopców i stanowi jedną z najczęstszych przyczyn hipogonadyzmu o podłożu genetycznym.
Do rozpoznania zespołu Klinefeltera dochodzi najczęściej u młodzieży lub dorosłych mężczyzn, zgłaszających się do lekarza z powodu hipogonadyzmu i bezpłodności; w wieku dziecięcym zwykle brak charakterystycznych cech fenotypowych pozwalających na postawienie wstępnej diagnozy.
Chorzy są wysocy, o wyraźnie zaburzonych proporcjach długości tułowia do długości kończyn, na korzyść tych ostatnich. Najbardziej stałym objawem klinicznym jest zmniejszenie wielkości zewnętrznych narządów płciowych (szczególnie jąder), często widoczna jest ginekomastia oraz brak charakterystycznego dla mężczyzn owłosienia łonowego czy brody. Poziom FSH w osoczu jest podwyższony, a stężenie testosteronu obniżone. Stosunek poziomu testosteronu do estrogenów (których stężenie zazwyczaj rośnie) determinuje stopień feminizacji pacjenta. IQ jest nieco niższe od przeciętnego, jednakże tylko u około 20% chorych stwierdza się cechy nieznacznego upośledzenia umysłowego.
Znakomitą większość chorych na zespół Klinefeltera - ok. 80% - stanowią pacjenci z kariotypem 47,XXY. Jest on wynikiem nondysjunkcji w czasie podziału mejotycznego gamet u jednego z rodziców, przy czym nieznacznie częściej niż w połowie przypadków zachodzi ona u matki, w czasie pierwszego podziału mejotycznego, a zatem - podobnie jak w zespole Downa - w tej grupie chorych obserwuje się zwiększenie częstości zachorowań wśród dzieci starszych kobiet. Większość pozostałych przypadków wynika z nondysjunkcji w trakcie pierwszego podziału mejotycznego u ojca, jednakże nie ma znaczenia od któregokolwiek rodziców pochodzą nadmiarowe chromosomy X. Dla rodziców posiadających już jedno dziecko z zespołem Klinefeltera ryzyko urodzenia kolejnego dziecka obarczonego tą chorobą nie jest większe niż w populacji.
Aż u 15% chorych stwierdza się mozaikowatość, najczęściej 46,XY/47,XXY i w tych przypadkach objawy są łagodniejsze. Pozostałe, stosunkowo rzadko spotykane przypadki mozaikowatości (np. 47,XXY/48,XXXY) oraz chorzy, u których stwierdza się kariotyp 48,XXXY lub 49,XXXXY zazwyczaj cierpią z powodu dodatkowych zaburzeń, do których zalicza się wnętrostwo (cryptorchismus), spodziectwo (hypospodiasis), ciężką hipoplazję jąder i zmiany w obrębie układu kostnego (najczęściej prognatyzm i kościozrosty promieniowo-łokciowe).
Zespół XYY
Jeden na tysiąc żywo urodzonych noworodków płci męskiej posiada w jądrach komórek somatycznych nadmiarowe chromosomy Y (najczęstszy obserwowany kariotyp to 47,XYY). Zwykle jedynymi objawami tego stanu są nadmierny wzrost przy zachowanych proporcjach ciała oraz ciężko przebiegający trądzik (acne vulgaris); poziom inteligencji nie jest zazwyczaj obniżony.
W latach `60, po badaniach przeprowadzonych na więźniach, pojawiły się sugestie, iż dodatkowy chromosom Y jest odpowiedzialny za antysocjalne, impulsywne zachowanie. Ostatnie badania wykazują, że można je stwierdzić jedynie u ok. 1% pacjentów z zespołem XYY.
Zespół Turnera
Zespół Turnera stanowi wśród kobiet najczęstsze zaburzenie genetyczne związane z chromosomami płciowymi. Obserwowane zaburzenia fenotypowe są skutkiem częściowej lub całkowitej utraty chromosomu X, pociągającej za sobą hipogonadyzm. Schorzenie występuje z częstością 1 na 3000 żywo urodzonych noworodków płci żeńskiej. Zespół Turnera stwierdza się w niespełna 25% przypadków samoistnych poronień w pierwszym trymestrze ciąży.
Noworodki z zespołem Turnera zwracają uwagę znacznymi obrzękami chłonnymi (wynikającymi z zastoju limfy) obwodowych części kończyn, szczególnie na grzbietach dłoni i stóp oraz tkanki podskórnej charakterystycznie krótkiej szyi. Obrzęki zlokalizowane na szyi zmniejszają się wraz z wiekiem, jednak pozostają po nich charakterystyczne „płetwowate” fałdy skórne (pterygium colli), ewentualnie rzadziej dochodzi do torbielowatego poszerzenia naczyń limfatycznych na karku i powstania tak zwanego wodniaka torbielowatego (hygroma cysticum). Linia owłosienia na czole i karku przebiega nisko, niskie jest także osadzenie małżowin usznych. Ustawienie szpar powiekowych jest skośne, obecne są, podobnie jak w zespole Downa, zmarszczki nakątne. Podniebienie dziecka jest bardzo wysoko wysklepione a żuchwa niedorozwinięta. Klatka piersiowa jest szeroka, „puklerzowata”, z szeroko rozstawionymi, hipoplastycznymi brodawkami. IV i V kość śródręcza są charakterystycznie skrócone, stawy łokciowe są koślawe (cubitus valgus). Większość dzieci ma zaburzenia w rozwoju paznokci i liczne znamiona barwnikowe na skórze.
U dzieci z zespołem Turnera stwierdza się niedorozwój zewnętrznych narządów płciowych.. Macica jest hipoplastyczna, ale jajowody normalne. Jajniki zanikają i włóknieją. Jest to przyczyną obserwowanego u starszych chorych braku cech dojrzewania płciowego, pierwotnego braku miesiączki i bezpłodności. Szczególnie zwraca uwagę niski wzrost, nie przekraczający zwykle 150 cm. Brak jest zwykle owłosienia pachowego i łonowego, lub jest bardzo skąpe, rozwój gruczołów sutkowych jest zaburzony. IQ w znakomitej większości przypadków jest prawidłowy.
Stosunkowo często stwierdza się wady wrodzone układu sercowo-naczyniowego, z których najczęstsza jest koarktacja aorty (u 20% chorych), rzadziej dwupłatkowa zastawka aorty i defekty przegrody międzyprzedsionkowej. Stanowią one najważniejszą przyczynę zgonów dzieci z zespołem Turnera. Częste są wady nerek. Z niewyjaśnionych przyczyn u 50% pacjentek występują autoprzeciwciała skierowane przeciw tarczycy, a u połowy z nich stwierdza się kliniczne cechy jej niedoczynności. Podobnie niewyjaśnione są otyłość i insulinooporność stwierdzane u części pacjentek. Wychwycenie insulinooporności jest szczególnie istotne, albowiem nasila się ona na skutek terapii hormonem wzrostu, powszechnie stosowanej u chorych z zespołem Turnera.
Największą grupę chorych (ok. 57%) stanowią pacjentki z kariotypem 45,X, u których doszło do utraty całego chromosomu X, zwykle na skutek nondysjunkcji w czasie podziału mejotycznego. U 75% chorych jedyny chromosom X pochodzi od matki.
U ok. 14% pacjentek posiadających dwa chromosomy X można wykazać strukturalne zaburzenia jednego z nich. Pod względem częstości kolejność obserwowanych zaburzeń jest następująca:
Delecja krótkiego ramienia z utworzeniem izochromosomu długiego ramienia: 46,X,i(X)(q10).
Delecja fragmentów długiego i krótkiego ramienia z utworzeniem chromosomu kolistego: 46,X,r(X).
Delecja fragmentów długiego i krótkiego ramienia: 46,X,del(Xq) lub 46,X,del(Xp).
Pozostałe chore cierpią z powodu mozaikowatości, z najczęściej obserwowanymi kariotypami: 45,X/46,XX; 45,X/47,XXX; 45,X/46,X,i(X)(q10); 45,X/46,XY - w tym ostatnim przypadku jest możliwe wystąpienie cech wirylizacji, co stanowi bezwzględne wskazanie do chirurgicznego usunięcia gonad. Przy zastosowaniu metod cytologicznych mozaikowatość wykrywa się u ok. 29% chorych, jednakże metody stosowane w biologii molekularnej (FISH i PCR) przy użyciu których badano więcej niż jedną populację komórek, zwiększyły ten odsetek nawet do 75%. W najłagodniej przebiegających przypadkach mozaikowatości jedynymi objawami zespołu Turnera mogą być niewielkie zaburzenia miesiączki.
Patogeneza molekularna schorzenia nie została jeszcze dokładnie poznana. Wiadomo, że geny znajdujące się na chromosomach X są kluczowe dla prawidłowego rozwoju jajników. Są one aktywne w czasie oogenezy. W trakcie rozwoju płodowego w jajnikach znajduje się 5-7 milionów oocytów, w czasie pokwitania już tylko ok. 400000, zaś w czasie menopauzy nie więcej niż 10000. U pacjentek z zespołem Turnera, pozbawionych jednego z chromosomów X, utrata oocytów ulega znacznemu przyspieszeniu tak, że ostatnie z nich ulegają apoptozie w 2 roku życia chorego dziecka. W pewnym sensie zatem „menopauza wyprzedza pokwitanie”. Jajniki ulegają atrofii i pozostają po nich pasma tkanki włóknistej, pozbawione komórek jajowych (ang. streak ovaries). Za pozostałe, pozagonadalne zaburzenia (np. zaburzenia wzrostu i wady narządowe) obserwowane w zespole Turnera odpowiedzialne są geny zlokalizowane na krótkim ramieniu chromosomu X, częściowo homologicznym z chromosomem Y.
Długość życia chorych na zespół Turnera nie odbiega od normy. Dla rodziców posiadających już jedno dziecko chore, ryzyko urodzenia kolejnego chorego dziecka nie wzrasta.
Zespół wielu chromosomów X
Zespół wielu chromosomów X występuje z częstością ok. 1 na 1200 żywo urodzonych dziewczynek. Osoby te zwykle nie odbiegają od normy, u niektórych stwierdza się umiarkowane cechy upośledzenia umysłowego, proporcjonalne do ilości chromosomów X. U niektórych kobiet dochodzi do zaburzeń miesiączkowania.
Hermafrodytyzm i pseudohermafrodytyzm
Zaburzenia dotyczące różnicowania płci stanowią obszerny temat, znacznie przekraczający ramy niniejszego podręcznika, jednak ze względu na ich wagę nie można o niech - choćby skrótowo - nie wspomnieć. Wyróżnia się następujące definicje płci:
płeć genetyczna jest zdeterminowana obecnością lub brakiem chromosomu Y. Niezależnie od ilości chromosomów X, już pojedynczy chromosom Y wystarcza do rozwoju pierwotnie niezróżnicowanych gonad w jądra; za krytyczny dla tego procesu uważa się m.in. gen SRY (Yp11.3 - region determinujący rozwój jąder);
płeć gonadalna jest uzależniona od histologicznego obrazu gonad;
płeć przewodową czyli duktalną - rozpoznaje się na podstawie obecności pozostałości przewodów Müllera lub przewodów Wolffa;
płeć genitalna czyli fenotypowa określana jest na podstawie makroskopowej morfologii zewnętrznych narządów płciowych.
O zaburzeniach różnicowania płci mówimy wtedy, kiedy stwierdzi się jakiekolwiek niezgodności w powyższych kryteriach.
Obojnactwo prawdziwe oznacza współistnienie obydwu rodzajów gonad u jednego osobnika. Jest to niezwykle rzadko spotykany stan, w którym u pacjenta stwierdza się albo jedno jądro i jeden jajnik albo dwie gonady składające się zarówno z tkanek jajnika jak i jądra. U połowy pacjentów stwierdza się kariotyp 46,XX; jednakże, co interesujące, nawet przy pomocy analiz molekularnych nie udaje się u nich wykazać fragmentów DNA charakterystycznych dla chromosomu Y. W pozostałej grupie pacjentów blisko połowa ma kariotyp 46,XY, a reszta - mozaikowatość 45,X/46,XY.
Obojnactwem rzekomym nazywamy niezgodność pomiędzy płcią gonadalną i fenotypową.
O obojnactwie rzekomym żeńskim mówimy w przypadkach, kiedy płeć genetyczna i gonadalna są zgodne, czyli u pacjenta stwierdza się kariotyp 46,XX i jajniki, jednakże zewnętrzne narządy płciowe są obojnacze lub zwirylizowane. Przyczyną tego zaburzenia jest nadmiernie wysokie stężenia androgenów we wczesnym okresie ciąży. Wysoki poziom androgenów jest najczęściej wynikiem wrodzonego przerostu nadnerczy u płodu, choroby dziedziczącej się autosomalnie recesywnie.
Obojnactwo rzekome męskie ma bardzo złożoną etiologię. W komórkach somatycznych pacjentów występuje chromosom Y i ich gonadami są jądra, jednakże przewody płciowe i zewnętrzne genitalia są niekompletnie zróżnicowane: mają fenotyp obojnaczy albo żeński. Jedną z częstszych przyczyn tego stanu jest zaburzenie syntezy i/lub czynności androgenów. Najczęstsza postać tego schorzenia, określana mianem zespołu feminizujących jąder lub zespołu całkowitej niewrażliwości na androgeny, będącej efektem mutacji genu kodującego receptor androgenowy, zlokalizowanego na chromosomie Xq11-Xq12 i w związku z tym dziedziczącego się jako cecha recesywna, sprzężona z płcią.
Choroby jednogenowe dziedziczące się nieklasycznie
Wśród chorób dziedziczących się niezgodnie z prawami Mendla wyróżnia się schorzenia:
wywołane przez mutacje o typie powtarzających się tripletów nukleotydowych,
spowodowane mutacjami w genach mitochondrialnych,
będące rezultatem tzw. imprintingu (wdrukowania),
związane z mozaikowatością gonadalną.
Poniżej przedstawione zostaną kliniczne i molekularne cechy wzorcowych schorzeń z każdej wymienionej grupy.
Zespół łamliwego chromosomu X
Zespół łamliwego chromosomu X to choroba będąca skutkiem niezwykłej aberracji genetycznej: zwiększenia liczby identycznych, występujących u każdego człowieka, wielokrotnie powtarzających się sekwencji trójnukleotydowych.
Jest to schorzenie sprzężone z chromosomem X, występujące z częstością 1 na 1550 mężczyzn. Po zespole Downa stanowi ono drugą co do częstości genetyczną przyczynę opóźnienia umysłowego.
Jak we wszystkich przypadkach schorzeń genetycznych sprzężonych z płcią, na zespół łamliwego chromosomu X chorują głównie mężczyźni. Jednak w odróżnieniu od większości dziedziczonych tak zespołów chorobowych, ten charakteryzuje się pewnymi znacząco różnymi cechami w porównaniu z typowymi chorobami sprzężonymi z chromosomem X:
Około 20% mężczyzn posiadających zmutowany gen FMR-1 nie ma żadnych fenotypowych ani cytogenetycznych objawów choroby. Są oni nosicielami mutacji, nawiasem mówiąc możliwej do wykrycia tylko przy użyciu bezpośrednich testów genetycznych, którą przekazują wnukom za pośrednictwem fenotypowo normalnych córek.
U blisko 50% kobiet-nosicielek zmutowanego genu występują objawy chorobowe (zwykle upośledzenie umysłowe). Jest to znacznie wyższy odsetek niż w innych przypadkach chorób sprzężonych z chromosomem X.
Prawdopodobieństwo zachorowania jest uzależnione od pozycji zajmowanej w drzewie genealogicznym: bracia zdrowego mężczyzny-nosiciela są obarczeni 9% ryzykiem, natomiast jego wnuki - aż 40%. To zjawisko nazywane jest paradoksem Shermana.
Dane epidemiologiczno-kliniczne świadczą o tym, że każda następna generacja jest nie tylko zagrożona rosnącym ryzykiem zachorowania, ale i nasilenie objawów u osób chorych wzrasta z pokolenia na pokolenie, np. upośledzenie umysłowe jest cięższe u prawnuków niż u wnuków mężczyzny-nosiciela. Nazwano to antycypacją lub przewidywaniem.
Te nietypowe cechy przez długi czas były pękiem ości w gardłach zajmujących się tym schorzeniem uczonych. Dzięki gwałtownemu rozwojowi metod diagnostyki molekularnej wykazano, że mutacja dotyczy genu FMR-1 (rodzinne opóźnienie umysłowe, ang. familial mental retardition 1) zlokalizowanego na chromosomie Xq27.3. Miejsce obejmujące mutację można dostrzec w mikroskopie świetlnym jako brak zabarwienia bliskiego obwodowi fragmentu ramienia długiego lub silne przewężenie tego miejsca jeśli komórki hodowane są na podłożu pozbawionym kwasu foliowego. W obydwu przypadkach chromosom wygląda jak złamany, dlatego też ów region określa się jako kruche miejsce.
Od strony 5' genu FMR-1 w miejscu nie podlegającym translacji występują liczne powtarzające się triplety sekwencji CGG. U zdrowego człowieka liczba powtórzeń wynosi przeciętnie 29 (waha się od 6 do 46). Zmiany cytologiczne i fenotypowe ujawniają się wtedy, gdy wzrasta liczba trójkowych sekwencji. U osób obydwu płci będących nosicielami mutacji stwierdza się 50-230 powtórzeń - taki stan określa się jako premutację. O pełnej mutacji, związanej z pełnoobjawowym zespołem, mówi się wtedy, gdy liczba powtórzeń przekracza 230, a sięgać może nawet 4000. Premutacja jest wynikiem skokowego zwiększenia liczby powtórzeń trójkowych sekwencji występujących u zdrowego człowieka, podobnie pełna mutacja jest rezultatem amplifikacji ilości tripletów u osób z premutacją. Okazało się, że mężczyźni-nosiciele premutacji przekazują potomstwu jedynie nieznacznie zwiększoną (w porównaniu do własnej) liczbę sekwencji trójnukleotydowych, podczas gdy u potomstwa kobiet-nosicielek pomnożenie tripletów jest dramatyczne, co skutkuje wystąpieniem objawów u większości męskich potomków i 50% żeńskich. Zatem do konwersji premutacji w pełną mutację dochodzi przede wszystkim w przebiegu oogenezy, a nie spermatogenezy. Istnieją podstawy do przypuszczeń, że zwiększanie liczby powtórzeń trójek jest uzależnione od polimerazy DNA, która „ześlizgując się” po szeregu drobnych a identycznych sekwencji dodaje pewną ich ilość, jednak niejasne jest dlaczego dzieje się to przede wszystkim w czasie oogenezy a nie w spermatogenezie. Tego typu błędy polimeraz nie są wychwytywane przez mechanizmy naprawiające DNA.
To odkrycie wyjaśniło zarówno paradoks Shermana jak i zjawisko antycypacji: zmienność liczby powtórzeń sekwencji trójnukleotydowych pomiędzy braćmi mężczyzny z premutacją jest stosunkowo niewielka; większość z nich ma również co najwyżej premutację, a tylko niewielu będzie miało tak wiele powtórzeń, że ujawnią się objawy choroby. Jednak wszyscy synowie jego córki, u której w czasie oogenezy doszło do skokowego pomnożenia nukleotydowych tripletów będą chorzy; podobnie połowa wnuczek, ponieważ losowo jeden z chromosomów X jest u nich inaktywowany w przebiegu wspomnianego wcześniej procesu lyonizacji. Z kolei u dzieci jego wnucząt objawy chorobowe będą wyrażone jeszcze silniej, ponieważ liczba powtórzeń wzrośnie - co prawda nieznacznie - w czasie kolejnej spermatogenezy, ewentualnie bardzo - w trakcie kolejnej oogenezy.
Jednak uważni Czytelnicy na pewno zwrócili już uwagę, iż napisano wyżej, że powtarzające się trójkowe sekwencje nukleotydowe leżą poza obrębem prawidłowego genu FMR-1, a to jego uszkodzenie jest odpowiedzialne za powstawanie objawów tej choroby, w szczególności opóźnienie umysłowe. Wyjaśniły to kolejne badania: okazało się, że przy liczbie powtórzeń przekraczających 230 tripletów, DNA w tym regionie chromosomu jest traktowany jak satelitarny i wraz z genem FMR-1 oraz jego promotorem metylowany, co prowadzi do ich kompletnej inaktywacji. Jak to w nauce bywa, znalezienie odpowiedzi na jedno pytanie rodzi dziesiątki nowych: na przykład wciąż nic nie wiadomo o tym, jaką rolę gra produkt białkowy genu FMR-1. Znajduje się on w cytoplazmie większości komórek ludzkiego organizmu, a w szczególnie dużych ilościach występuje w OUN i jądrach.
U chorych mężczyzn stwierdza się szereg cech morfologicznych: zwykle widoczne jest silne wydłużenie twarzy, wydatna, grubo zarysowana szczęka. Uszy są duże i odstające. Najbardziej stałą cechą jest znaczne powiększenie jąder (macroorchidismus), które występuje u ponad 90% dorosłych mężczyzn z zespołem łamliwego chromosomu X.
Wśród innych objawów zwraca uwagę upośledzenie umysłowe; IQ bardzo rzadko przekracza 60. Najbardziej niestałą, a jednocześnie zwodzącą diagnostę grupę objawów stanowią: nadmierna ruchomość w stawach, wysoko sklepione, „romańskie” podniebienie twarde i wypadanie płatka zastawki dwudzielnej, co imituje zaburzenie z grupy wrodzonych defektów tkanki łącznej.
Diagnostyka zespołu łamliwego chromosomu X jest obecnie oparta na metodach bazujących na łańcuchowej reakcji polimerazy. Wykorzystując do identyfikacji liczby powtórzeń metodę Southerna, możliwe jest również odróżnianie stanów premutacyjnych od pełnych mutacji i to zarówno przed jak i po urodzeniu podejrzewanego o chorobę lub nosicielstwo dziecka.
Inne choroby z niestabilnymi powtórzeniami sekwencji nukleotydowych
Obecnie znanych jest więcej schorzeń charakteryzujących się zaburzeniami analogicznymi jak w zespole łamliwego chromosomu X. Wszystkie one są związane z powstawaniem zmian neurodegeneracyjnych (por. tabela).
Z molekularnego punktu widzenia wśród schorzeń tych stwierdza się zarówno podobieństwa, jak i odrębności w stosunku do zespołu łamliwego chromosomu X. W odróżnieniu od niego, powtarzające się sekwencje nukleotydowe nie zawsze składają się z trzech nukleotydów (np. w postępującej padaczce mioklonicznej motyw jest aż 12-to nukleotydowy) i nie zawsze w ich skład wchodzą tylko cytozyna i guanina (np. w przypadku ataksji Friedreicha w skład sekwencji wchodzi również adenina).
Tabela 6-10. CHOROBY ZWIĄZANE Z POWTÓRZENIAMI KRÓTKICH
SEKWENCJI NUKLEOTYDOWYCH.
|
Schorzenie |
Dziedz. |
Motyw |
Białko |
Amplifikacja sekwencji w regionach niekodujących |
Zespół łamliwego chromosomu X |
DX |
CGG |
FMR-1 |
|
Dystrofia miotoniczna |
AD |
CTG |
kinaza białka miotoniny |
|
Ataksja Friedriecha |
AR |
GAA |
frataksyna |
|
Postępująca padaczka miokloniczna |
AR |
12 nukleotydów (z dużą ilością G i C) |
cystastatyna B |
Amplifikacja sekwencji w regionach kodujących |
Atrofia mięśniowa rdzeniowo-opuszkowa |
RX |
CAG |
receptor androgenowy |
|
Choroba Huntingtona |
AD |
CAG |
huntingtyna |
|
Ataksja rdzeniowo-móżdżkowa typu 1 |
AD |
CAG |
ataksyna 1 |
|
Atrophia dentorubropallidolusialis |
AD |
CAG |
atrofina |
Jednakże we wszystkich tego typu schorzeniach występuje stan premutacji, w którym liczba powtórzeń sekwencji nukleotydów jest większa niż normalna, ale niższa niż progowa - indywidualna dla każdego zaburzenia - prowadząca do metylacji DNA i wystąpienia objawów choroby. W schorzeniach takich jak dystrofia miotoniczna czy zespół łamliwego chromosomu X do amplifikacji ilości powtórzeń krótkich sekwencji DNA dochodzi w miejscach nie kodujących, czyli poza eksonami inaktywowanego genu, co wtórnie wpływa na transkrypcję lub translację, bądź obydwa procesy na raz.
Tymczasem w przypadku kilku innych chorób np. choroby Hutingtona, do mutacji dochodzi w obrębie eksonów, czego efektem nie są zaburzenia transkrypcji lub translacji (procesy te przebiegają prawidłowo), ale nieprawidłowa funkcja powstających w ich wyniku białek. Proteiny te zyskują nowe właściwości i wiążą, albo w inny sposób zaburzają czynności innych, prawidłowych białek. Tego typu aberracje bywają nazywane mutacjami, w których dochodzi do uzyskania nowych własności (ang. gain of function mutations), natomiast przedstawione wcześniej są określane jako mutacje, w których dochodzi do utraty funkcji (ang. loss of function mutations).
Ciekawy, co najmniej zaskakujący i jak dotychczas niewyjaśniony jest fakt, że oogeneza nie ma wyłączności na generowanie skokowych ekspansji powtórzeń sekwencji nukleotydowych. W niektórych przypadkach, np. w chorobie Huntingtona amplifikacja liczby motywów zachodzi w czasie spermatogenezy.
Mutacje w genach mitochondrialnych - wrodzona neuropatia nerwu wzrokowego Lebera
Znakomita większość genów (w tym wszystkie, o których dotychczas wspomniano) znajduje się w DNA tworzącym jądro komórkowe i to one dziedziczą się zgodnie z prawami Mendla. Jednakże istnieje niewielka grupa genów, zapisanych w kolistym DNA mitochondriów, które podlegają niezwykłemu sposobowi dziedziczenia: wszystkie pochodzą z komórki jajowej, a zatem od matki. Wszelkie zaburzenia związane z tymi genami są zatem przekazywane potomstwu wyłącznie przez matki; chory mężczyzna nie jest w stanie przekazać choroby ponieważ jeśli nawet w plemniku znajdują się jakieś mitochondria, to i tak do komórki jajowej przedostaje się z niego jedynie materiał genetyczny.
Są jeszcze inne interesujące zagadnienia związane z tym nietypowym sposobem przekazywania materiału genetycznego. W każdej komórce znajduje się tylko jedno jądro komórkowe, natomiast mitochondriów i zawartych w nich pętli DNA są tysiące. Co więcej w czasie podziału komórki do komórek potomnych trafia identyczna ilość jądrowego materiału genetycznego, natomiast mitochondria są rozdzielane całkowicie przypadkowo. Ponieważ - ze względu na wspomnianą mnogość kopii mitochondrialnego DNA (mtDNA) - zwykle tylko ich część zawiera mutacje, zatem również proporcje „zdrowych” i „chorych” mitochondriów w komórkach popodziałowych są przypadkowe i zmienne. W efekcie ekspresja objawów choroby jest zmienna i czasem trudna do przewidzenia.
Objawy chorobowe wynikające z mutacji genów mitochondrialnych mają jeszcze jedną ciekawą cechę: otóż dotyczą przede wszystkim tych narządów i tkanek, w których liczba mitochondriów jest największa. Jak wiadomo, najwięcej tych organelli znajduje się w tkankach, w których zachodzą intensywne procesy fosforylacji oksydacyjnej, takich jak ośrodkowy układ nerwowy, mięśnie szkieletowe i mięsień sercowy oraz wątroba i nerki.
Wszystkie choroby mitochondrialne są bardzo rzadkie i dotyczą głównie układu nerwowego i mięśniowego. Najczęstszym schorzeniem z tej grupy jest wrodzona neuropatia nerwu wzrokowego Lebera. Jest to choroba z grupy neuropatii zwyrodnieniowych, objawiająca się postępującą obustronną utratą wzroku, na skutek stopniowej degeneracji nerwów wzrokowych. Zaburzenia widzenia ujawniają się pomiędzy 15 a 35 rokiem życia; rozpoczynają się od centrum pola widzenia i szerzą się ku obwodowi, prowadząc nieodwracalnie do ślepoty. W niektórych rodzinach obserwowano również zaburzenia dotyczące przewodzenia impulsów w obrębie układu bodźcotwórczo-bodźcoprzewodzącego mięśnia sercowego i niewielkie zaburzenia neurologiczne.
Wdrukowanie genetyczne
Nie jest tajemnicą, że chromosomy układają się w homologiczne pary. Nie jest również tajemnicą, że w każdej parze jedna kopia chromosomu pochodzi od jednego z rodziców. Jeszcze do niedawna panował równie powszechnie, co bezkrytycznie przyjmowany pogląd, że - za wyjątkiem chromosomów płciowych - nie ma znaczenia, od którego z rodziców potomstwo otrzymuje każdy z chromosomów w homologicznej parze, jeśli tylko jest prawidłowy. Okazało się jednak, że ma.
Pomiędzy homologicznymi chromosomami pochodzącymi od matki i od ojca istnieją różnice funkcjonalne. Różnice te są wynikiem epigenetycznych procesów, których rezultatem jest inaktywacja alleli genów leżących na chromosomach pochodzących zarówno od matki jak i od ojca. Tego typu procesy nazywamy wdrukowaniem (ang. imprinting) matczynym lub ojcowskim, w zależności od tego, czy do inaktywacji kopii danego genu doszło w materiale genetycznym otrzymanym od, odpowiednio, matki lub ojca. Do wdrukowania dochodzi w komórce jajowej lub w plemnikach jeszcze przed zapłodnieniem, dlatego wszystkie zmiany w genomie będące efektem tego procesu są trwałe i przekazywane do wszystkich komórek somatycznych w kolejnych mitozach.
Nie są dokładnie znane molekularne zmiany odpowiadające za to zjawisko. Wiadomo, że metylacja DNA „wyłącza” ekspresję genów, dlatego podejrzewa się, że imprinting jest skutkiem właśnie takiego, lub bardzo zbliżonego procesu. Niezależnie od mechanizmu, wydaje się, iż znakowanie chromosomów odbywa się w czasie gametogenezy, a w każdym razie jeszcze przed zapłodnieniem; dlatego można przypuszczać, że od momentu zapłodnienia przynajmniej niektóre chromosomy noszą piętno swojego pochodzenie.
Doskonałymi i spektakularnymi przykładami schorzeń, które są rezultatem wdrukowania są zespół Pradera-Williego i zespół Angelmana.
Zespół Pradera-Williego i zespół Angelmana
Zespół Pradera-Williego w około 50-60% przypadków jest skutkiem aberracji chromosomalnej: delecji prążka 12 z ramienia długiego chromosomu 15 - del(15)(q11q13). U pozostałej części chorych nie stwierdza się tak dużych zaburzeń chromosomalnych; dopiero metody takie jak np. fluorescencyjna hybrydyzacja in situ (FISH - patrz rozdział „Bezpośrednia diagnostyka genetyczna”) pozwalają na wykrycie mniejszych delecji w tym samym regionie.
U chorych stwierdza się upośledzenie umysłowe, niski wzrost, otyłość, obniżenie napięcia mięśni oraz hipogonadyzm; mają oni również małe dłonie i stopy.
Zespół Angelmana jest także skutkiem delecji i to w tym samym regionie tego samego chromosomu. Pacjenci są w niewielkim stopniu upośledzeni umysłowo, stwierdza się u nich częste utraty przytomności, bezład ruchowy (ataksja) i zmiany psychiczne objawiające się nadmierną, nieadekwatną do sytuacji wesołością.
Wyjaśnienie tej zagadki okazało się zdumiewające: w zespole Pradera-Williego mutacje dotyczą chromosomu otrzymanego od ojca, natomiast w zespole Angelmanna trwale uszkodzony jest chromosom pochodzący od matki. Gen lub geny na chromosomie 15 pochodzącym od matki ulegają procesowi wdrukowywania i nie podlegają ekspresji, dlatego jedyne czynne geny znajdują się na chromosomie pochodzącym od ojca. Jeśli dojdzie do ich utraty na skutek delecji, u pacjenta rozwija się zespół Pradera-Williego. I odwrotnie: określona, inna grupa genów znajdująca się w tym samym regionie chromosomu 15 pochodzącego od ojca podlega „wyciszeniu” na skutek wdrukowania. Aktywne pozostają wyłącznie geny na chromosomie pochodzącym od matki, jeśli jednak zostaną utracone w wyniku delecji, dojdzie do rozwoju zespołu Angelmana.
Badania molekularne dowiodły, że zespół Pradera-Williego stwierdza się także u nielicznych chorych, którzy obydwa cytologicznie prawidłowe chromosomy 15 otrzymali od matki - jest to tzw. disomia uniparentalna. Jej efekt ostateczny, na skutek identycznego „wyciszenia” obydwu alleli na każdym chromosomie w procesie wdrukowywania zachodzącym u matki, jest identyczny z wynikiem delecji fragmentu 15q12 w chromosomie pochodzącym od ojca. Analogicznie w rzadkich przypadkach odziedziczenia obydwu homologicznych chromosomów 15 od ojca, u potomstwa stwierdza się zespół Angelmana.
Oczywiście wdrukowywanie nie jest wyłączną przyczyną rozwoju bardzo rzadkich zespołów chorobowych, takich jak omówione powyżej. Zjawisko to stwierdza się także w innych schorzeniach wrodzonych, takich jak choroba Huntingtona czy dystrofia miotoniczna, oraz w procesach karcynogenezy, kiedy dochodzi do spowodowanej albo w wyniku mutacji albo na skutek wdrukowywania utraty obydwu alleli antyonkogenu, o czym traktować będą następne rozdziały podręcznika.
Mozaikowatość gonad
W przypadku chorób dziedziczonych autosomalnie dominująco, czasami zdarza się, że chore dziecko ma zupełnie zdrowych rodziców. Tłumaczy się to w ten sposób, że do mutacji dochodzi w komórce jajowej lub w zapładniającym ją plemniku, zatem choroba jest rezultatem zdarzenia pechowego ale odosobnionego: rodzeństwo nie jest statystycznie narażone na zachorowanie bardziej niż wynosi przeciętne ryzyko populacyjne.
W tym, niestety, jest problem, że czasem fenotypowo zdrowi rodzice mają więcej dzieci cierpiących na jednakowe schorzenie dziedziczące się autosomalnie dominująco; np. wrodzoną łamliwość kości. Jest to zatem zupełnie niezgodne z klasycznymi, mendlowskimi regułami dziedziczenia.
Badania genetyczne takich rodzin dowiodły, że do mutacji dochodzi we wczesnym okresie embrionalnym u rodziców. Aberracja dotyczy tylko jednej komórki, która jednak daje początek gonadom, lub przynajmniej ich części, dlatego można ją wykazać u dorosłych we wszystkich lub dużej części gonocytów. Równocześnie komórki somatyczne powstające z niezmutowanych komórek embrionu są jak najbardziej prawidłowe. Zjawisko to nazywane jest mozaikowatością gonad.
W tych przypadkach fenotypowo zdrowi rodzice produkują wyłącznie obarczone mutacjami komórki rozrodcze - proporcjonalnie tym więcej, im wcześniej w czasie embriogenezy doszło do pierwszej mutacji. Jeśli mutacja obejmuje wszystkie gonocyty, wówczas wszystkie dzieci takich rodziców będą cierpiały na schorzenie odpowiadające aberracji.
Diagnostyka molekularna
Diagnostyka molekularna pozwala na coraz bardziej spektakularne i precyzyjne poszerzanie możliwości oferowanych przez tradycyjne metody diagnostyczne praktycznie we wszystkich dziedzinach medycyny. Wprowadzenie do codziennej praktyki medycznej testów opartych na rekombinowanym DNA, próby kliniczne coraz bardziej skomplikowanych i taniejących w zawrotnym tempie układów scalonych zawierających setki tysięcy bezpośrednio związanych z płytką krzemową sond genetycznych przesuwają diagnostykę z laboratorium do łóżka pacjenta. Już teraz trudno ogarnąć wszystkie możliwości jakie oferuje diagnostyka molekularna, a to dopiero początek rewolucji. Już teraz są rutynowo stosowane metody:
detekcji dziedzicznych mutacji odpowiedzialnych za rozwój chorób o podłożu genetycznym zarówno prenatalnie, jak i po urodzeniu;
wykrywania nabytych mutacji, których rezultatem jest rozwój nowotworów;
precyzyjna diagnostyka umożliwiająca ścisłą klasyfikację nowotworów, szczególnej wagi postęp dokonał się na polu klasyfikacji nowotworów wywodzących się z układu krwiotwórczego;
szybkiej i dokładnej diagnostyki chorób infekcyjnych, doskonałym przykładem są testy wykrywające zakażenie wirusem HIV;
określania zgodności tkankowej w zakresie panelu antygenów koniecznych przy podejmowaniu decyzji o transplantacji;
służące zarówno wykluczaniu ojcostwa jak i identyfikacji śladów biologicznych pozostawionych przez przestępców w medycynie sądowej.
Poniżej skrótowo przedstawiona zostanie krótka charakterystyka współczesnych metod diagnostycznych.
Diagnostyka chorób genetycznych
W diagnostyce chorób genetycznych wykorzystuje się dwie zasadnicze grupy metod analitycznych: analizę cytogenetyczną i analizę molekularną.
Podstawowym narzędziem wykorzystywanym w diagnostyce cytogenetycznej jest kariotypowanie. W tym celu przy pomocy kolchicyny „zamraża się” pobrane od pacjenta komórki w metafazie, ponieważ w tym okresie poszczególne chromosomy przyjmują postać dwóch prawie rozdzielonych chromatyd połączonych jedynie centromerem. Materiał genetyczny w tej postaci jest następnie barwiony, zazwyczaj metodą Giemzy, dzięki czemu uwidocznić można 400 do 800 tzw. prążków G na każdym haploidalnym zestawie chromosomów. Rozdzielczość tej metody można zwiększyć do ok. 1500 prążków na kariotyp, jeśli zahamować podział komórki w profazie.
Metody cytogenetyczne są przydatne w diagnostyce prenatalnej - jeszcze przed urodzeniem dziecka, kiedy istnieją silne przesłanki diagnostyczne co do zagrożenia wadą wrodzoną - i postnatalnej - gdy urodzi się dziecko obarczone taką wadą.
Tabela 6-11. PORÓWNANIE MOŻLIWOŚCI DIAGNOSTYKI
PRENATALNEJ I POSTNATALNEJ.
Diagnostyka |
Prenatalna |
Postnatalna |
Badana tkanka |
|
|
Wskazania do badania |
|
|
Na tle dostępnych obecnie możliwości diagnostycznych kariotypowanie jest metodą stosunkowo zgrubną - jeden prążek widoczny w mikroskopie świetlnym to ok. 4 miliony par zasad - i wielu mutacji (np. wszystkich punktowych) nie da się wykazać przy pomocy klasycznej analizy cytogenetycznej.
Wcześniej zaburzenia jednogenowe identyfikowano wykrywając uszkodzony produkt białkowy (np. hemoglobinę S w niedokrwistości sierpowatokrwinkowej), lub ich objawy kliniczne (jak np. w fenyloketonurii). Obecnie istnieją możliwości diagnozowania mutacji na poziomie DNA, co umożliwia precyzyjne rozpoznawanie znacznie większej liczby chorób genetycznych. Techniki wykorzystujące takie technologie jak FISH i PCR (patrz niżej) mają wiele zalet w porównaniu z innymi metodami diagnostycznymi i doskonale je uzupełniają lub zastępują. W diagnostyce molekularnej wykorzystuje się dwie zasadnicze technologie: bezpośrednią detekcję mutacji i detekcję pośrednią, opartą na analizie sprzężeń pomiędzy genami uszkodzonymi i genami „znacznikowymi”, niechorobowymi.
Bezpośrednia diagnostyka genetyczna
Metody stosowane w przypadku bezpośredniej diagnostyki genetycznej są niezwykle czułe. Ilość DNA wystarczająca do postawienia diagnozy przy użyciu technik opartych na hybrydyzacji molekularnej może być otrzymana z zaledwie około 100000 komórek. Wykorzystanie techniki PCR (ang. polymerase chain reaction, łańcuchowa reakcja polimerazy) umożliwia wielomilionową amplifikację DNA lub RNA, co - przynajmniej teoretycznie - umożliwia postawienie diagnozy na podstawie DNA zawartego w jednej komórce. Dzięki temu niewielkie ilości krwi (w przypadku metod stosowanych w medycynie sądowej wystarcza nawet zaschnięta plama krwi) zawierają wystarczające dużo DNA, aby przeprowadzić amplifikację przy użyciu PCR.
Drugą istotną cechą testów bezpośrednio wykorzystujących DNA jest to, że są niezależne od tego, czy produkt białkowy badanego genu w ogóle jest produkowany i to nie tylko wtedy, kiedy zaburzenie produkcji jest rezultatem mutacji per se, ale również wtedy, gdy badane białko w ogóle nie podlega ekspresji w określonej tkance (np. w DNA otrzymywanym z limfocytów można badać mutacje w obrębie genów podlegających ekspresji wyłącznie w ośrodkowym układzie nerwowym). Wynika to z faktu, że wszystkie komórki somatyczne zawierają identyczny materiał genetyczny, a zatem i identyczne mutacje.
Dzięki tym zaletom metody diagnostyki molekularnej zdobywają coraz to nowe dziedziny medycyny, wliczając w to diagnostykę prenatalną: wystarczająca do postawienia diagnozy ilość DNA może być pozyskana już w pierwszym trymestrze ciąży.
Fluorescencyjna hybrydyzacja in situ
Jedną z najbardziej dynamicznie rozwijających się metod analitycznych jest stojąca na pograniczu tradycyjnego kariotypowania i diagnostyki genetycznej hybrydyzacja fluorescencyjna in situ (ang. fluorescent in situ hybridization, FISH). Stanowi ona znaczące rozszerzenie potencjału diagnostycznego rutynowo wykonywanych klasycznych badań cytogenetycznych.
Jedną z ważniejszych zalet techniki FISH jest możliwość badania genomu niezależnie od fazy cyklu komórkowego. Jak wiadomo, kariotypowanie jest możliwe tylko w przypadku jąder komórkowych znajdujących się w trakcie podziału, kiedy homologiczne chromosomy ulegają rozdzieleniu. Podział komórkowy można sztucznie indukować dodając do środowiska substancje mitogenne, jednakże czasami pewne względy przemawiają przeciwko takiemu postępowaniu. Problem ten można obejść, a całą procedurę znacząco uprościć wykorzystując sondy molekularne, czyli znakowane, na przykład fluorochromem, sekwencje oligonukleotydów komplementarne do badanych fragmentów chromosomów.
Dzięki takim sondom możliwe jest nie tylko identyfikowanie i zliczanie chromosomów, ale również wykrywanie obecności bądź braku pojedynczych genów, a także wykazywanie niewielkich nawet aberracji, np. mikrodelecji oraz złożonych translokacji, niewykrywalnych metodami klasycznymi. Nowe aplikacje FISH pozwalają na równoczesne wykorzystywanie wielu fluorochromów pobudzanych do świecenia przez różne długości fal, dzięki czemu możliwa stała się wizualizacja wszystkich chromosomów jednocześnie. Najnowszym hitem diagnostycznym jest tzw. kariotypowanie spektralne (ang. spectral karyotyping, SKY), w którym wykorzystuje się mieszaninę kilku, zazwyczaj pięciu, różnych sond znakowanych różnymi fluorochromami. Tęcza barw generowana przez oświetlone jednocześnie fluorochromy jest następnie precyzyjnie identyfikowana przez analizator obrazu sprzężony z komputerem.
Rycina 6-5. Fluorescencyjna hybrydyzacja in situ (FISH). Interfazowe jądra komórkowe, w których fluorescencyjne sondy DNA wiążą się z chromosomem 21. Oświetlenie światłem ultrafioletowym uwidacznia trzy kopie tego chromosomu, umożliwiając zdiagnozowanie zespołu Downa.
Metody wykorzystujące PCR
Istnieje wiele metod bezpośredniej diagnostyki genetycznej, opartych na detekcji istotnych zmian ilościowych w DNA, które wykorzystują możliwości, jakie stwarza PCR. Istota łańcuchowej reakcji polimerazy jest zapewne doskonale czytelnikowi znana, jednakże dla porządku należy przypomnieć jej ideę.
W etapie 1 (por. ryc. 6.5), do natywnego DNA dodaje się roztwór zawierający termostabilną polimerazę uzyskaną z bakterii termofilnych, oraz w dużym nadmiarze: startery (ang. primer, oligonukleotydy komplementarne do odcinków DNA oskrzydlających badane miejsce) i mononukleotydy. Ogrzanie mieszaniny do ponad 90 °C umożliwia rozdzielenie dwuniciowego DNA na pojedyncze nici (etap 2). W czasie oziębiania (etap 3) do ok. 70 °C najpierw odpowiednie startery hybrydyzują z poszczególnymi niciami, a następnie polimeraza w ok. 50 °C dobudowuje komplementarną nić z mononukleotydów (etap 4). Każdy z nowo powstałych dwuniciowych fragmentów DNA staje się matrycą w kolejnym cyklu (etap 1), a ponieważ za pierwszym razem dodano nadmiar starterów i mononukleotydów, zaś polimeraza jest termostabilna, można niezwłocznie przejść do następnego etapu. Teoretyczna wydajność reakcji jest równa A x 2n, gdzie A - wyjściowa liczba cząsteczek DNA, n - liczba cykli. W praktyce wystarczające jest przeprowadzenie ok. 30 cykli.
Rycina 6-6. Schemat reakcji PCR - objaśnienia w tekście.
Poniżej zostaną one omówione na przykładach:
Jedna z technik opiera się na fakcie, że pewne mutacje prowadzą do zmiany lub usunięcia określonych sekwencji DNA, rozpoznawanych przez bakteryjne enzymy restrykcyjne. Tak dzieje się na przykład z genem kodującym czynnik V - białkiem uczestniczącym w kaskadzie krzepnięcia. Mutacje dotyczące czynnika V są najczęstszą wrodzoną przyczyną nadkrzepliwości. Ekson 10 i sąsiadujący intron genu kodującego czynnik V posiadają dwa miejsca restrykcyjne rozpoznawane przez endonukleazę Mnl 1, odległe o 37 nukleotydów. Tranzycja G A w eksonie uniemożliwia rozpoznanie miejsca cięcia przez restryktazę. Aby wykryć mutację, do dwóch osobnych mieszanin zawierających prawidłowy i „podejrzany” DNA dodaje się specjalnie skonstruowane startery, wiążące się z miejscem odległym o 163 pary zasad od końca 5' (tu polimeraza rozpoczyna reakcję) i startery wiążące się z miejscem oddalonym od końca 3' o 67 nukleotydów (stanowiącej koniec duplikowanej nici), a następnie roztwory te poddawane są reakcji PCR. Następnie produkt tej reakcji - miliony kopii długiej na 267 par zasad nici DNA trawi się enzymem Mnl 1. Wynikiem trawienia są - w przypadku prawidłowego genu - trzy fragmenty DNA długości 37, 67 i 163 nukleotydów, zaś w przypadkach mutacji - jedynie dwa produkty, długości 67 i 200 nukleotydów. Elektroforeza na żelu poliakrylamidowym umożliwia rozdzielenie tych fragmentów, a uwidocznić je można barwieniem bromkiem etydyny, fosforyzującym w świetle ultrafioletowym. W ten sposób możliwe jest także wykrywanie heterozygotycznych nosicieli tej mutacji (patrz rycina 6.6).
Rycina 6-7. Bezpośrednia diagnostyka genetyczna. Objaśnienia w tekście.
W przypadkach, w których miejsce ulegające mutacji nie jest rozpoznawane przez żadną ze znanych restryktaz, wykorzystuje się technikę allelo-specyficznej hybrydyzacji oligonukleotydów. Np. niektóre przypadki niedoboru α1-antytrypsyny związane są z tranzycją G A w piątym eksonie (powstaje wtedy tzw. allel Z). DNA prawidłowy i „podejrzany” są amplifikowane w podobny jak wyżej sposób, przy użyciu starterów po obydwu flankach miejsca mutacji. Zamplifikowane produkty reakcji są następnie nakraplane na dwie bibuły filtracyjne (ang. dot blot), na których się osadzają. Następnie na te same miejsca nakraplane są roztwory zawierające syntetyczne oligonukleotydy, komplementarne do prawidłowego i zmutowanego odcinka badanego genu i wyznakowane pierwiastkiem promieniotwórczym. Odpowiadające sobie odcinki hybrydyzują z kontrolnym i zmutowanym DNA, przy czym ściśle kontrolowane warunki reakcji pozwalają na powstawanie jedynie stabilnych, w pełni komplementarnych fragmentów (prawidłowy oligonukleotyd i zmutowany odcinek DNA mogą się połączyć, jednakże na skutek mutacji punktowej w badanym DNA, nie będzie to połączenie stabilne i vice versa). W efekcie próbka kontrolna, zawierająca prawidłowy DNA, hybrydyzuje z prawidłowym oligonukleotydem i jedynie ta kropka daje silny sygnał na detektorze promieniowania, którym z reguły jest błona fotograficzna; próbka od homozygoty z mutacją nie będzie hybrydyzować z prawidłowym oligonukleotydem i będzie niewidoczna na detektorze. Odwrotnie będzie wyglądać sytuacja na drugiej bibule, na którą nakraplano roztwór zawierający nukleotyd komplementarny do zmutowanego DNA. W przypadku osób heterozygotycznych, reakcja zajdzie na obydwu bibułach, ale sygnał wykrywany przez detektor będzie w każdym przypadku o połowę słabszy, ponieważ w każdym przypadku tylko połowa produktu reakcji PCR będzie hybrydyzować (patrz schemat).
Także mutacje obejmujące większy fragment DNA - np. delecje czy insercje - również można wykrywać wykorzystując PCR. Jak opisano wcześniej, w przypadku zespołu łamliwego chromosomu X, dochodzi do zwiększenia liczby sekwencji trójnukleotydowych. Ponownie, jak to opisano wyżej, używa się pary starterów komplementarnych do DNA na obydwu flankach zmienionego rejonu, a następnie amplifikuje się cały obszar. Z powodu dużego zróżnicowania liczby powtórzeń trójkowych sekwencji, w zależności od tego, czy jest to norma, faza premutacji, czy mutacja, rozmiary produktów różnych reakcji PCR (w których amplifikuje się DNA od różnych pacjentów) mogą mieć różną wielkość, co można uwidocznić dzięki elektroforezie na żelu. Jeśli powtórzeń trójnukleotydowych jest tak dużo, że DNA jest zbyt długi do analizy przy pomocy klasycznej PCR, można wykorzystać inne metody analityczne, na przykład analizę znaną jako metoda Southerna.
Pośrednia diagnostyka genetyczna - analiza sprzężeń
Bezpośrednia diagnostyka genetyczna jest możliwa tylko wtedy, kiedy został zidentyfikowany i sklonowany zmutowany gen i jego prawidłowy odpowiednik, a co za tym idzie: znana jest ich sekwencja nukleotydowa. W obecnej chwili rozpoczęto ostatnią fazę poznawania genomu człowieka: zsekwencjonowano już całe ludzkie DNA, jednakże wiedza dotycząca fizycznego położenia poszczególnych sekwencji w wielu obszarach genomu jest jeszcze niepełna. Z tego powodu istnieje silna potrzeba wykorzystywania alternatywnych strategii diagnostycznych, opartych przede wszystkim na analizie zależności występujących pomiędzy nieznanym, zmutowanym genem a genami znanymi. W skrócie rzecz ujmując, chodzi o to, aby określić, czy u chorej osoby występuje ten sam kluczowy dla schorzenia fragment chromosomu, jak u innych chorych osób z jego rodziny. Wynika stąd, że powodzenie takiej strategii jest uzależnione od możliwości rozróżnienia chromosomu prawidłowego i zawierającego zmutowany gen. Można to osiągnąć między innymi dzięki badaniom naturalnej zmienności, czyli tzw. polimorfizmu DNA. Znane są dwie główne kategorie polimorfizmu: zmienność położenia i długości.
Polimorfizm położenia jest także nazywany polimorfizmem długości fragmentów restrykcyjnych (RFLP, ang. restriction fragment length polymorphism). Jest to metoda wykorzystująca zjawisko osobniczej zmienności sekwencji DNA. Otóż wykazano, że pomiędzy dwoma homologicznymi kopiami DNA pochodzącymi od dwóch różnych osób występują różnice z przybliżoną częstością ok. 1 na 200 do 500 nukleotydów. Z reguły do zamiany pojedynczej pary zasad dochodzi w miejscach niekodujących, ale czasami dotyczy ona także genów, co jednak niekoniecznie musi wywierać wpływ na kodowane białko (por. rozdział „Mutacje”). Zmiany te mogą prowadzić do powstawania lub, wręcz przeciwnie, do zaniku miejsc rozpoznawanych przez enzymy restrykcyjne. DNA poddawany działaniu tych enzymów zostanie zatem pocięty na odcinki nierównej długości, co następnie, dzięki użyciu znakowanych sond genetycznych, hybrydyzujących z fragmentami w okolicy miejsc restrykcji jest możliwa ich detekcja przy wykorzystaniu analizy metodą Southerna.
Wyobraźmy sobie teraz, że dwoje heterozygotycznych rodziców jest nosicielami mutacji przekazywanej autosomalnie recesywnie. W prawidłowym chromosomie są dwa miejsca rozpoznawane przez restryktazę, odległe o 7,6 tysięcy par zasad, podczas gdy na drugim chromosomie zawierającym zmutowany gen stwierdza się również niezależny od tej mutacji polimorfizm sekwencji, którego skutkiem jest powstanie dodatkowego, trzeciego miejsca rozpoznawanego przez restryktazę, odległego od poprzednich o 0,8 i 6,8 tysięcy par zasad. Zatem u heterozygoty przy użyciu metody Southerna można wykazać oprócz prążka odpowiadającego 7,6 tysięcy par zasad także drugi, odpowiadający fragmentowi długości 6,8 tysięcy par zasad. Dzięki tej technice jest zatem możliwe odróżnienie tych członków rodziny, którzy posiadają obydwa prawidłowe chromosomy od tych, którzy są nosicielami schorzenia i tych, którzy obydwa chromosomy mają zmutowane. Jeśli znane są choćby częściowo sekwencje tych fragmentów, można do ich identyfikacji wykorzystywać także reakcję PCR.
Podobne możliwości jak RFLP, stwarza także zmienność liczby powtarzających się krótkich fragmentów DNA. Ponieważ liczba powtórzeń tych sekwencji jest bardzo zmienna u różnych ludzi, stwarza to duże możliwości diagnostyczne przy wykorzystaniu analizy sprzężeń. Biorąc pod uwagę długość, czy raczej krótkość omawianych sekwencji, można mówić o nieco dłuższych minisatelitach (motywy 15-70 nukleotydowe powtarzające się przez 1-3 tysięcy par zasad) i krótkich mikrosatelitach (2-6 nukleotydów powtarzających się na odcinku krótszym niż tysiąc par zasad).
Istota samej analizy jest analogiczna do przedstawionej powyżej (porównaj schemat). Załóżmy, że w danych trzech allelach - nazwijmy je A, B i C - określonego odcinka pewnego chromosomu u rodziców występują różne liczby mikrosatelit, a tylko na jednym z nich - C - znajduje się zmutowany gen odpowiedzialny za schorzenie przekazywane autosomalnie dominująco. Dzięki temu pojawia się możliwość zdiagnozowania schorzenia u dzieci i to wtedy, kiedy jeszcze nie wystąpią żadne jego objawy. Wystarczy stwierdzić, czy na którymś z chromosomów obecnych u dzieci liczba powtórzeń mikrosatelit jest taka jak na allelu C - jeśli jest, stanowi to pośredni dowód na obecność zmutowanego genu.
Możliwości analizy sprzężeń wykorzystujące zmienność liczby powtórzeń mikrosatelit są tak duże, że jest ona jednym z głównych narzędzi służących do tworzenia ludzkiej mapy genetycznej. Już teraz istnieje możliwość analizy sprzężeń w obrębie wszystkich ludzkich chromosomów. Nie ma jednak róży bez kolców - należy pamiętać o tym, że analiza sprzężeń nie pozwala na bezpośrednią identyfikację samego zmutowanego genu, dlatego istnieje szereg ograniczeń w stosowaniu opisanych wyżej metod:
Aby analiza sprzężeń była użyteczna diagnostycznie, kilku członków danej rodziny musi się poddać badaniom. W przypadku choroby przekazywanej autosomalnie recesywnie, konieczne jest uzyskanie DNA od chorego dziecka, w celu zidentyfikowania rodzaju i liczby powtórzeń, których następnie będzie się poszukiwać u pozostałych osób.
Homologiczne chromosomy u badanych członków rodziny muszą się różnić pod względem liczby powtórzeń. Stanowi to znaczące ograniczenie, ponieważ w przypadku RFLP na jednym chromosomie musi być miejsce rozpoznawane przez używaną w analizie restryktazę, a na drugim nie; w przeciwnym przypadku przeprowadzenie badanie jest niemożliwe. Zwykle istnieją znacznie większe szanse na zidentyfikowanie heterozygotyczności w zakresie zmienności liczby mikrosatelit, dlatego ta metoda znajduje szersze zastosowanie.
Naturalne procesy zachodzące w genomie pomiędzy homologicznymi chromosomami, takie jak np. rekombinacja w czasie gametogenezy, mogą prowadzić do oddzielenia zmutowanego genu od „znacznikowego” odcinka DNA. Oczywiście, im bliżej zmutowanego genu znajduje się odcinek znacznikowy, tym mniejsze ryzyko odseparowania obydwu, jednakże czasem obydwa te odcinki są bardzo oddalone. Dlatego zjawiska takie mogą prowadzić do brzemiennych w skutki błędów diagnostycznych, na przykład w czasie badań prenatalnych.
Diagnostyka molekularna oparta na analizie sprzężeń jest użyteczna w okresie prenatalym lub po urodzeniu, w presymptomatycznej fazie choroby. Przy jej pomocy można diagnozować takie schorzenia jak chorobę Huntingtona, mukowiscydozę, wielotorbielowatość nerek. Jednakże, ze względu na większą specyficzność metod bezpośredniej diagnostyki genetycznej, stają się one metodami z wyboru, kiedy już zostanie zidentyfikowany uszkodzony gen. Pomimo to, jak już wspomniano przy omawianiu zespołu Marfana, w przypadkach, w których w obrębie jednego genu może dochodzić do licznych mutacji, na dodatek w różnych pozycjach, bezpośrednia diagnostyka genetyczna jest nieefektywna, ponieważ jedna sonda DNA może wykrywać tylko jedną mutację. W takich sytuacjach wykorzystuje się analizę sprzężeń.
Zależy to, rzecz jasna, od miejsca w którym dojdzie do tego typu mutacji. Jeśli np. wstawiony zostanie kodon dla niepolarnego aminokwasu w genie kodującym serię niepolarnych aminokwasów wchodzących w skład domeny transmembranowej białka receptorowego, to mutację taką można co najwyżej wykryć przypadkowo. Oczywiście, może także dojść np. do wstawienia sekwencji ATC - czyli znaku „stop” (UAG) po translacji na mRNA, wówczas białko nie tylko nie ulegnie wydłużeniu o 1 aminokwas, ale skróci się i to o znacznie więcej niż 1 aminokwas.
Oczywiście nie zawsze tak musi być, można sobie wyobrazić, że po przeniesieniu na jednym z chromosomów pozostają np. sekwencje promocyjne lub miejsce pęknięcia przypada w środku jednego z genów, niekoniecznie w eksonie. Może wtedy dojść do objawów zaburzonej ekspresji lub dysfunkcji uszkodzonego genu; są to jednak niezmiernie rzadko spotykane przypadki.
Istnieją guzy złośliwe wywodzące się z komórek Schwanna, (schwannoma malignum), ale NIE są one efektem transformacji złośliwej schwannoma - rosną jako guzy złośliwe de novo. Szerzej potraktowano ten problem w dalszej części książki.
Chromosom 21 jest jednym z najmniejszych chromosomów autosomalnych i był pierwszym ludzkim chromosomem, którego cała sekwencja DNA stała się znana. Najbardziej zdumiewające okazało się odkrycie, że znajduje się na nim jedynie kilkaset genów - być może ten fakt jest przyczyną stosunkowo dobrego „tolerowania” przez organizm nadmiaru stosunkowo niewielkiego odsetka wszystkich genów.
W przykładach użyto kariotypu żeńskiego. Analogiczne zmiany chromosomalne dotyczą kariotypów męskich.
Od pewnego czasu sprawa genetycznej determinacji płci nieco się komplikuje: dotychczas uważano, że płeć żeńska jest „rozwiązaniem z wyboru” zaś obecność chromosomu Y nieodwołalnie determinuje płeć męską. Jednakże okazało się, że na krótkim ramieniu chromosomu X jest położony gen determinujący płeć żeńską i to pomimo obecności prawidłowo czynnego genu SRY! Ujawnia się on u chorych, których garnitur chromosomowy - 46,XY - wykazuje duplikację ramienia krótkiego chromosomu X. U pacjentów z zespołem Klinefeltera determinanta żeńska nie ujawnia się, ponieważ nadmiarowe chromosomy X ulegają lyonizacji.
2
Legenda:
S - substrat
E1, E2, E3 - enzymy
P - produkt zasadniczej ścieżki metabolicznej
Zp1, Zp2 - związki pośrednie
Pa1, Pa2 - produkty / związki pośrednie alternatywnej ścieżki metabolicznej
Legenda:
S - substrat
E1, E2, E3 - enzymy
P - produkt zasadniczej ścieżki metabolicznej
Zp1, Zp2 - związki pośrednie
Pa1, Pa2 - produkty / związki pośrednie alternatywnej ścieżki metabolicznej
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
patologia choroby nadnerczy
Diagnostyka bse, Patologia i choroby
Co dalej z BSE, Patologia i choroby
Choroby układu nerwowego, Patologia i choroby
Alfabetyczny wykaz chorób uwarunkowanych genetycznie, Genetyka
Choroby układu oddechowego, Patologia i choroby
Patologia Choroby serca
Patologia chorob gruczolu piers Nieznany
Leczenie chorób tarczycy, Patologia i choroby
Przegląd chorób o podłożu genetycznym przebiegających z objawami neurologicznymi
Anatomia Patologiczna - Choroby Kotów - Ćwiczenia, weterynaria 3 rok WROC, semestr 6, Apy 2 sem
Anatomia Patologiczna - Choroby Świń - Ćwiczenie 1, weterynaria 3 rok WROC, semestr 6, Apy 2 sem
choroby, Pielęgniarstwo, Genetyka
Zwyrodnienia szyjnego odcinka kręgosłupa, Patologia i choroby
Zespół Sudecka, Patologia i choroby
Zakażenia prionowe II, Patologia i choroby
Choroby układu rozrodczego, Patologia i choroby
Patologia ChorobySerca
W6 choroby uwarunkowane genetycznie 2
więcej podobnych podstron