GENOMICA FUNCIONALBazele moleculare ale bolilor monogeniceBoli metabolice congenitaleBoli monogenice dominante i recesiveConf. dr. Cristina Rusu

Bolile monogenice: definiie, frecven, etio-patogenie.

Tipuri de boli monogenice n funcie de modul de transmitere.

Tipuri de boli moleculare.

Boli genetice produse prin mutaii dinamice.U.M.F IAIPROBLEME:

BOLILE MONOGENICE (B.MG.) : DEFINIIE, FRECVEN, ETIO-PATOGENIEB. MG = afeciuni produse de mutaii ale unei singure gene (An) sau ale unei singure perechi de gene (aa);

se transmit ereditar conform legilor lui Mendel: AD; AR; LX boli mendeliene repertoriate n catalogul Mendelian Inheritance of Man (MIM sau OMIM = versiunea online);

anamneza familial i arborele genealogic = metod important de diagnostic;

la unele B.MG se cunoate defectul primar i secundar (mutaiile i proteinele anormale) = boli moleculare; identificarea proteinelor i genelor mutante = diagnostic molecularU.M.F IAI

BOLILE MONOGENICE (B.MG.) frecven: B. MG. sunt

numeroase (peste 10.000);

rare individual, dar frecvena lor global = 2-3%nn;

se manifest la orice vrst~ 90% la copil,~ 10% dup pubertate, inclusiv variante monogenice ale unor boli comune ale adultului;

afecteaz orice organ, structur celular i proces metabolic;

au deseori consecine importante pentru bolnav i familia sa.U.M.F IAI

BOLILE MONOGENICE (B.MG.) etio-patogenie: B. MG. sunt produse de mutaii diferite n aceeai gen, care pot avea 4 categorii de efecte asupra proteinelor codificate:

pierderea funciei,

ctig de funcie,

dobndirea de funcii noi,

expresia anormal temporal sau spaial.

Cunoaterea lor este important pentru tratamentul B.MG, diferit n funcie de efect.U.M.F IAI

Bolile monogenice: etio-patogenieMutaii cu pierderea funciei proteinei:

reducerea / abolirea funciei proteinei heterozigoii (N/A) vor avea totui 50% protein normal;

frecvent organismul funcioneaz normal i heterozigoii N/a sunt sntoi:

mutaia (boala) se transmite Autosomal Recesiv (AR);

ex. deficienele enzimatice erori de nscute metabolism.

alteori haploinsuficiena ( 50%) produce boal: fie proteina codificat este necesar n cantiti mari; ex. mutaia genei pt elastin ex. stenoza aortic supravalvular din Sdr. Williams;

fie are un efect dominant negativ: proteina anormal codificat de gena mutant se fixeaz pe proteina N codificat de alela normal i complexul dimeric devine nefuncional (ex. bolile de colagen - osteogenesis imperfecta);

mutaia (boala) se transmite Autosomal Dominant (AD), deoarece gena anormal blocheaz funcia genei normale;U.M.F IAI

Bolile monogenice: etio-patogenieMutaii cu ctig de funcie a proteinei:fie crescnd cantitatea de protein sintetizat (ex., mielina n nervii periferici n boala Charcot Marie -Tooth = neuropatie motorie i senzorial ereditar);fie amplificnd funcia normal a proteinei (ex. activarea permanent a unui receptor n absena ligandului; ex, FGFR3 n acondroplazie).Se transmit AD.Mutaii cu dobndirea unei funcii noiex. normal alfa-1-antitripsina inhib elastaza (produs de bacterii la locul infeciei) efect benefic; unele mutaii ale genei inhib trombina tulburare de coagulare, uneori letal.Mutaii cu expresie anormal temporal sau spaial a geneiex., persistena hemoglobinei fetale (22); mutaiile proto oncogenelor proliferare anormal.U.M.F IAI

Bolile monogenice: etio-patogenieMutaii diferite n aceeai gen:

fenotipuri asemntoare clinic dar diferite prin intensitatea de manifestare = heterogenitate alelic (ex. Distrofia muscular Duchenne > DM Becker);

fenotipuri diferite = heterogenitate clinic

ex., mutaii n gena RET :

cu pierdere funcie megacolon congenital (b. Hirschprung);

cu ctig funcie neoplazii endocrine multiple (MEN2A).

se pot transmite diferit: AR sau AD.U.M.F IAI

2. TIPURI DE BOLI MONOGENICEN FUNCIE DE MODUL DE TRANSMITERE(a) BOLI CU TRANSMITERE AUTOZOMAL DOMINANT

Peste 50% din OMIM;

Afecteaz (la diverse vrste) circa 2 % nn. Multe dintre ele sunt frecvente i au consecine serioase:

hipercolesterolemia familial,

boala polichistic renal AD a adultului (ADPKD),

neurofibromatoza 1,

boala Huntington,

polipoza adenomatoas familial, cancere ereditare de sn sau colon etc.U.M.F IAI

Tipuri de boli monogenice n funcie de modul de transmitereCRITERII TRANSMITERE AD:

fiecare bolnav are un printe afectat; boala este prezent n fiecare generaie (continuitate; transmitere vertical);

indivizii sntoi nu transmit boala excepii: penetran redus, mutaii noi, debut tardiv, heterogenitate genetic, non-paternitate (v.LP);

boala se manifest i se transmite egal de ambele sexe;

transmiterea tat fiu este posibil i caracteristic;

orice bolnav (An) are un risc de 50% de a avea descendeni bolnavi;riscul este valabil la fiecare sarcin;U.M.F IAI

Tipuri de boli monogenice n funcie de modul de transmitere(b). BOLI CU TRANSMITERE AUTOZOMAL RECESIV 1/3 din B. MG se transmit AR;

Cele mai frecvente boli AR n populaia european:

hemocromatoza,

fibroza chistic sau mucoviscidoza,

surditatea congenital (unele forme), fenilcetonuria, atrofia muscular spinal, sindromul adrenogenital etc U.M.F IAI

Tipuri de boli monogenice n funcie de modul de transmitereCRITERII TRANSMITERE AR: Bolnavul (aa) primete o gen mutant de la fiecare din prini (sntoi i purttori: Na);

motenirea se face prin ambii prini;

Doi prini sntoi pot avea copii bolnavi (fete i biei); discontinuitate n succesiunea generaiilor (transmitere orizontal);

Boala se manifest i se transmite egal de ambele sexe;

Riscul unui cuplu de indivizi normali i heterozigoi de a avea un copil bolnav este de 25%

la fiecare sarcin;

indiferent de sex.U.M.F IAI

Tipuri de boli monogenice n funcie de modul de transmitere(c). BOLI CU TRANSMITERE LEGAT DE X

Circa 500 de gene situate pe cromozomul X produc, prin mutaie, fenotipuri anormale;

boli mai frecvente: hemofilia, distrofia muscular Duchenne, cecitate pt culori (daltonismul), deficiena n G6PD;

Muli geneticieni nu mai clasific bolile legate de X n recesive legate de X (RLX) i dominante legate de X (DLX), deoarece:

mutaia genei se exprim la brbat (hemizigot) indiferent dac este dominant sau recesiv.

la femeile heterozigote XN / XA, datorit fenomenului de inactivare ntmpltoare a cromosomului X, alela mutant dominant sau recesiv - se exprim n 50% din celule;

mprirea este ns util deoarece fenotipurile dominante se exprim constant la heterozigote n timp ce fenotipurile recesive nu se manifest de obicei la heterozigote .U.M.F IAI

Transmiterea recesiv legat de X Bolnavi sunt numai brbaii (XaY) care:

au primit gena mutant de la mame sntoase dar purttoare (XNXa); transmitere oblic;

Brbaii bolnavi NU transmit niciodat boala, deci nu pot avea copii bolnavi, dar fetele lor vor fi purttoare sntoase (Na)

Doi prini sntoi pot avea copii bolnavi, dar numai biei U.M.F IAI

3. TIPURI DE BOLI MOLECULAREBolile moleculare pot fi clasificate n funcie de activitatea proteinei normale:

boli enzimatice (erori nscute de metabolism),

boli prin erori ale proteinelor de transport, boli prin anomalii ale proteinelor structurale, boli prin anomalii ale proteinelor de semnalizare,

boli prin anomalii ale proteinelor de control a homeostaziei extracelulareU.M.F IAI

(1) BOLI ENZIMATICE(erori nnscute de metabolism)Produse (n majoritate) prin mutaii cu pierderea funciei, care se transmit autozomal recesiv;

deficiena unei enzime produce un bloc metabolic , cu 4 tipuri de consecine:

U.M.F IAI1234

Boli enzimaticeIntereseaz toate metabolismele; multe pot fi diagnosticate prenatal sau dup screening neonatal.

Exemple:

FENILCETONURIA (cod OMIM 261600) mutaii gen PAH incapacitatea transformrii fenilalaninei n tirozin acumulare metabolii toxici: tulburri neurologice, retard de cretere i retard mental. Screening i diagnostic neonatal + terapie dietetic (fr fenilalanin) dezvoltare NORMAL;

GALACTOZEMIA (cod OMIM 230400) mutaii gen GALT deficit de galactozo-1-fosfat-uridil transferaz acumularea de galactoz: hepatomegalie, cataract, tulburri neurologice i retard mintal;

BOLI LIZOZOMALE : deficitul enzimelor lizozomale acumulare substrat n lizozomi SNC, miocard, ficat:Sfingolipidoze: b. Gaucher; b. Fabry etcMucopolizaharidoze : b. Hurler, b. Morchio etcMucolipidoze : ex. sialidoza etc

BOLI PEROXIZOMALE tulburri metabolism lipidicU.M.F IAI

U.M.F IAIPREZENTARE CAZFENILCETONURIA (AR)Fenilcetonuria (AR): Gena PAF (12q22); Deficien Fenil-alanin-hidroxilaz acumulare acid fenilpiruvic toxic 1:15.000 nn RM + convulsii + hipopigmentaieAlbinismScreening neonatal: test GuthrieControl pozitiv cu concentraii fenbolnavTRATAMENT DIETETIC

PREZENTARE CAZU.M.F IAIGALACTOZEMIA Galactozemia (AR): Gena GALT (9p13) deficien G1PUT acumulare galactoz 1:50.000 nn hepatomegalie ciroz, cataract, retard mental Insuficien renal

PREZENTARE CAZU.M.F IAIBOLI LIZOZOMALE: SFINGOLIPIDOZE B. FABRYBoala Fabry (RLX): Gena GLA (Xq22) deficien alfa-galactozidaz A acumulare glicolipide 1:100.000 nn angiokeratoame difuze (cutanate, viscerale) INSUFICIEN RENALTratament - fabrazime

PREZENTARE CAZU.M.F IAIBOLI LIZOZOMALE: MUCOPOLIZAHARIDOZE B. HURLERBoala Hurler (AR): Gena IDUA (4p16) deficien alfa-1-iduronidaz acumulare MPZ (heparan sulfat) 1: 100.000 nn hipostatur facies grosier (gargoilic), macroglosie, hepato- spleno megalie cataract, retard mental

(2) BOLI PRIN ANOMALII ALEPROTEINELOR DE TRANSPORTTrei categorii:

Proteine de transport tranmembranar:

Canale: aquaporinele i canalele ionice,

Molecule cru (familia SLC solute carrier);

Pompe ionice;

Transportori ABC (ATP-binding cassette);

Proteine de transport intracitoplasmatic:

Hb; dinein, kinezina etc

Proteine de transport plasmatic:

apolipoproteinele etc.U.M.F IAIFibroza chistic

Boli prin anomalii ale proteinelor de transportFIBROZA CHISTIC (AR)(mucoviscidoza)

Prevalen bolnavi 1:2500 iar purttori sntoi (Na) - 1:25 !!!

Afectarea glandelor exocrine:

plmni: gld. mucus (vscos) inf.resp. repetate broniectazie,

pancreas exocrin malabsorbie, Intestin ileus meconial

sudoripare ( Na i Cl),

Gena CF (sau ABCC7 pe 7q31) proteina CFTR = canal clor;

Mutaia F508 = 70%

Posibiliti de diagnostic prenatal i screening neonatalU.M.F IAI

(3) BOLI PRIN ANOMALII ALEPROTEINELOR STRUCTURALETrei categorii:

Citoschelet celular (actin, microtubuli etc)

Sferocitoza ereditar etc

Distrofia muscular Duchenne,

Proteine de structur membranar adeziune celular (CAMs) i comunicare intercelular;

Epidermoliza buloas etc

Proteine matrice extracelular: colagen, elastine, fibriline etc

Osteogenesis imperfecta, sdr. Alport etc ( colagen),

sdr Ehlers-Danlos; Stenoza aortic supravalvular ( elastin ),

Sdr. Marfan ( fibrilin ), etcU.M.F IAI

Boli prin anomalii ale proteinelor structuraleMICROSFEROCITOZA EREDITAR(AD)

Prevalen bolnavi 1:5000

Gena SPTA (1q21) spectrina (structura citoschelet membranar)

Globule roii ~ microsferocite anemie hemolitic splenomegalieU.M.F IAI

U.M.F IAIPREZENTARE CAZDISTROFIA MUSCULAR DUCHENNEDM DUCHENNE (RLX): Gena DMD (Xp21) distrofin 1: 3.500 nn biei degenerare rapid muchi dificulti, apoi imposibilitate mers paralizii decesNDMD

Boli prin anomalii ale proteinelor structuraleU.M.F IAIOSTEOGENESIS IMPERFECTAOSTEOGENESIS IMPERFECTA (AD): Gena COL1A1 (7q22) - colagen fracturi multiple la traumatisme minime, sclere albastre, surditatePREZENTARE CAZ

Boli prin anomalii ale proteinelor structuraleU.M.F IAIEHLERS - DANLOSEHLERS - DANLOS (AR sau AD): Gena COL5A1 (9q34) colagen 1: 20.000 nn hiperelasticitate cutanat hiperlaxitate / mobilitate arrticularPREZENTARE CAZ

(4) BOLI PRIN ANOMALII ALE PROTEINELOR CE CONTROLEAZ COMUNICAREA INTERCELULAR I CONTROLUL DEZVOLTRIIPatru categorii:

Proteine de semnalizare intercelular (conexine, integrine, etc)

Surditate neurosenzorial, displazii ectodermale etc

Hormoni peptidici (hipofizari, insulina, endorfine etc) i factori de cretere (EGF, PDGF, citokine etc)

Deficit hormon cretere; diabet insipid etc

Receptori membranari sau intracelulari (R hormoni)

Hipercolesterolemia familial,

Acondroplazia etc

Sdr. Morris

Proteine implicate n transducia semnalului

Neurofibromatoza 1 etc

Boala polichistic renal a adultului (ADPKD)

Factori de transcripie ex. sdr Rubinstein-Taybi etcU.M.F IAI

U.M.F IAIHIPERCOLESTEROLEMIA FAMILIAL (AD): Gena FH (19q13) - receptor LDL1: 500 nn hipercolesterolemie ateroscleroz coronarianBoli prin anomalii ale receptorilor

U.M.F IAIACONDROPLAZIA (AD): Gena FGFR3 receptor FGF1:10.000 NN talie f. mic, disproporionat, pe seama membrelor (rizomelic) craniu marePREZENTARE CAZBoli prin anomalii ale receptorilor

U.M.F IAIBoli prin anomalii ale proteinelor implicate n transducia semnalelorNEUROFIBROMATOZA 1 (AD): Gena NF1 neurofibrina (protein supresoare a creterii tumorale)1:3.000 NN afectarea celulelor derivate din creasta neural: melanocite pete cafe au lait; pistrui axilari schwann neurofibroame noduli irieni (Lish)PREZENTARE CAZNEUROFIBROMATOZAA

(5) BOLI PRIN ANOMALII ALE PROTEINELOR IMPLICATE N CONTROLUL HOMEOSTAZIEITrei categorii:

Proteine responsabile de aprarea autoimun

Agamaglobulinemii etc

Proteine implicate n hemostaz

Hemofilia A i B,

Deficit factor V etc

Proteine implicate n inhibiia proteazelor

Deficitul de alfa-1-antitripsin,

Angioedemul ereditar (deficit C1) etcU.M.F IAI

4. BOLI GENETICE PRODUSE PRIN MUTAII DINAMICE (INSTABILE)(EXPANSIUNEA REPETIIILOR TRINUCLEOTIDICE)Mutaiile dinamice prin glisarea / deraparea replicativ a repetiiilor trinucleotidice mperecheate incorect.

Se produce o cretere moderat a nr repetiiilor instabilitate dar fr manifestri clinice = premutaii.

n meioz unuia dintre prini (efect parental) cretere peste un anumit prag mutaie complet boal.

n succesiunea generaiilor nr de repetiii crete progresiv boala apare la vrste mai mici i este mai sever (anticipaie)U.M.F IAI

BOLILE MAI FRECVENTE PRODUSE PRIN MUTAII DINAMICEU.M.F IAI

BoalTransm. eredGenLocalizareRepetiia Nr. repet. stabileNr. repet. instabileSdr. X fragilLXFMR1Xq27(CGG)n6-54>200Distrofia miotonicADDMPJ19q13(CTG)n5-35>50Boala HuntingtonADHD4p16(CAG)n10-26>36Ataxia FriederichARFRDA9p13(GAA)n5-35>50

U.M.F IAIPREZENTARE CAZSINDROMUL X FRAGIL (RLX): Gena FMR1 (Xq27) proteina FMR1:2.000 NN biei i 1;4000 nn fete 1:2.600 femei purttoare ale premutaiei (60-200 CGG) mutaie > 200 CGG RM + facies particular + macro-orhidism

U.M.F IAIPREZENTARE CAZSINDROMUL X FRAGIL (RLX):RLX: brbai bolnavi din mame purttoareParticulariti:brbai purttori; femei bolnave Amplificarea premutaiei prin meioza matern65 = numrul de copii CGG

MEDICINA MOLECULARElucidarea mecanismelormoleculare alebolilor O nou TAXONOMIESubtipuri genotipiceDIAGNOSTIC MOLECULAR(presimptomatic; predispoziie genetic)NOI INTE I METODE TERAPEUTICEPREDICIE I PROFILAXIE PERSONALIZAT(riscul individual)TERAPIE INDIVIDUALIZAT(farmacogenomic)n loc de . CONCLUZII

BOLILE POLICHISTICE RENALE (PKD) Boli genetice, sistemice (cu manifestri renale i extra-renale).

Tipuri diferite ca manifestare, vrst de debut i transmitere ereditar

Importante n practica medical:frecvena global de ~ 1: 800 nn vii;a treia cauz major de IRCT (7 10% din bolnavii dializai);risc mare de recuren n familie.

BOLILE POLICHISTICE RENALE: pe baza patogeniei moleculare au fost regrupate ntr-o singur categorieADPKD,

ARPKD,

NEFRONOFTIZIILE (6), sindroamele sau bolile sistemice cu chiti renali (BBS, MGS, OFD-1; TS i VHLS)

generate prin defecte diferite produse ns n acelai releu funcional (ce produce n final chiti) (P. Wilson, 2004)

BOLILE POLICHISTICE RENALEIdentificarea genelor precum i a mutaiilor permite un diagnostic exact i precoce: presimptomatic i prenatal

BOLILE POLICHISTICE RENALEDescifrarea mecanismelor moleculare:

n formarea chitilor dou etape

Prima etap: iniierea formrii chitilor

ncepe n perioada fetal i continu lent dar progresiv toat viaa

Mutaiile genelor PKD produc creterea excesiv a proliferrii celulare;

A doua etap: expansiunea chitilor

tardiv i progresiv;

produs de creterea secreiei intrachistice de fluide.

BOLILE POLICHISTICE RENALEDescifrarea mecanismelor moleculare:

Ambele etape se produc prin anomalii ale proteinelor ce controleaz comunicarea intercelular i dezvoltarea celular :

proteine implicate n transducia semnalului;

Progresele recente n descifrarea mecanismelor moleculare ale cistogenzei au dus la identificarea unor noi inte terapeutice n PKD INHIBAREA PROLIFERRII CELULELOR TUBULAREINHIBAREA SECREIEI

CONCLUZII...publicarea schiei GU nu nseamn c practica medical va fi brusc i radical schimbat dar, cu siguran, n urmtoarele 2 decenii medicina genomic va transforma profund medicina clinic (Getting Ready for Gene-based Medecine H. Varmus, N.Engl.J.Med, 2002)

Trebuie s fim pregtii s nelegem i aplicm medicina genomic (molecular).

... n stadiul actual avem nevoie de cunotine, vocabular i, mai ales, de un concept larg despre rolul genomicii pentru a evita RISCUL DE A NU NELEGE MEDICINA VIITOARE (Dumont-Driscoll - 2002)