Dědičné poruchy glykosylace: alfa-dystroglykanopatie

Souhrn

Alfa-dystroglykanopatie jsou vzácná dědičná onemocnění patřící do skupiny dědičných poruch glykosylace a díky svým klinickým příznakům spadají i do skupiny kongenitálních svalových dystrofií. Jsou způsobeny deficity v glykosylaci mucinové domény proteinu alfa-dystroglykanu, což má za následek snížení afinity tohoto proteinu k lamininové G-doméně ligandů extracelulárního matrixu. Alfa-dystroglykan je nejvíce zastoupen ve svalech, ale vyskytuje se i v nervových buňkách, očích, epitheliích a dalších orgánech a tkáních. Nejčastějšími klinickými příznaky alfa-dystroglykanopatií jsou svalová dystrofie, porucha centrální nervové soustavy a periferního nervstva a oční malformace. V dnešní době je známo okolo 20 genů, jejichž mutace vedou k těmto onemocněním.

Klíčová slova:
alfa-dystroglykan, alfa-dystroglykanopatie, dědičné poruchy glykosylace.

Dědičné poruchy glykosylace (CDG, z anglického “Congenital disorders of glycosylation”) jsou vzácná dědičná většinou autosomálně recesivní onemocnění, která jsou způsobena poruchami téměř všech kroků glykosylační dráhy od biosyntézy glykosylačních substrátů až po proteinový transport v Golgiho aparátu. V dnešní době je známo přes 100 genů [1], jejichž mutace vedou k těmto onemocněním a tento seznam nadále roste. Vzhledem k široké distribuci glykoproteinů a glykolipidů v lidském organismu je i spektrum klinických příznaků široké a zahrnuje poruchy téměř všech tkání a orgánů. Tato onemocnění jsou dále rozdělena do menších skupin podle typu glykosylace, která se rozlišuje podle způsobu navázání oligosacharidového řetězce na daný protein či lipid. Jedná se o N-glykosylaci navázanou před amidovou skupinu asparaginu a O-glykosylaci navázanou přes hydroxylovou skupinu serinu nebo threoninu. Alfa-dystroglykanopatie (α-DGP) jsou skupina dědičných onemocnění, která se také řadí do skupiny dědičných poruch glykosylace, a to konkrétně do poruch O-glykosylace.

Dystroglykan

Transmembránový protein dystroglykan je nejvíce zastoupen v kosterním svalstvu, ale je i součástí dalších orgánů a tkání, jako např. epithelií, očí a nervové tkáně. Je kódován genem DAG1 [MIM 128239] [1], který je umístěn na 3. lidském chromozomu [2]. Jeho sekvence se skládá ze dvou kódujících exonů rozdělených dlouhým intronem [2]. Dystroglykan je posttranslačně rozštěpen na proteiny alfa-dystroglykan (α-DG) a beta-dystroglykan (β-DG), které jsou na sebe navázány nekovalentně (viz obr.1) [3].

Alfa-dystroglykan

Tento protein obsahuje dvě globulární domény, které jsou propojeny centrální mucinovou doménou [4] (obr. 2). Tato doména je bohatá na serinové a threoninové zbytky, které mohou být dále ve velké míře O-glykosylovány. Predikovaná molekulová hmotnost proteinového jádra α-DG je 72 kDa [3], ale díky své rozsáhlé posttranslační glykosylaci je jeho výsledná molekulová hmotnost mnohem vyšší a pohybuje se okolo 120 kDa v mozku a 156 kDa v kosterním svalstvu [5]. Posttranslační glykosylace tohoto proteinu je tkáňově specifická.

Hlavní funkcí tohoto proteinu je vytvořit vazby s určitými ligandy extracelulárního matrix [6], a to pomocí oligosacharidových zbytků napojených O-glykosidickou vazbou přes mannosu, čímž udává strukturní stabilitu daných buněk. Ve svalových buňkách tak zajišťuje jakousi pevnost svalových vláken při svalovém stahu díky navázání na proteiny laminin, agrin a perlecan [7], v nervových buňkách ovlivňuje jejich funkci, strukturu a vývoj díky interakci s neurexinem, pikachurinem [8] a v očích je důležitý pro fotoreceptorovou signalizaci, a to díky interakci α-DG s ligandem pikachurinem [9]. Na α-DG je navázán transmembránový protein β-DG, který zajišťuje svoji intracelulární doménou vazbu na dystrofin [9].

Posttranslační modifikace alfa-dystroglykanu

α-DG je posttranslačně velmi hojně glykosylován. V současné době jsou na jeho povrchu známá tři N-glykosylační místa, na kterých se napojuje oligosacharidový řetězec přes N-acetylglukosamin [10]. Na jeho mucinové doméně je zatím známo deset O-glykosylačních míst, kam se váží oligosacharidové řetězce hlavně přes mannosu a dva jsou napojeny přes N-acetylgalaktosamin [10].

O-vázaná glykosylace alfa-dystroglykanu

Všechny O-glykosidicky vázané oligosacharidové řetězce přes mannosu jsou funkčně důležité pro navázání na lamininovou G-doménu daných ligandů extracelulárního matrix [11]. Posttranslační O-glykosylace začíná navázáním mannosy na α-DG v endoplasmatickém retikulu pomocí enzymů protein O-mannosyltransferázy 1 a 2 (kódované geny POMT1 a POMT2) [12]. Dalším krokem je navázání N-acetylglukosaminu na mannosu a to vazbou β-1,2 pomocí enzymu protein O-mannosa-β 1,2-N-acetylglukosaminyltransferázy 1 (kódován genem POMGNT1) nebo vazbou β-1,4 pomocí enzymu protein O-mannosa β 1,4-N-acetylglukosaminyltransferázy 2 (kódován genem POMGNT2) [3]. Následující kroky biosyntézy těchto oligosacharidových řetězců jsou velmi rozmanité a některé doposud nejsou popsány. Dalšími důležitými enzymy jsou také glykosyltransferázy kódované geny FKTN a FKRP, které přenáší ribitol-5-fosfát na vznikající oligosacharidový řetězec [14].

Alfa-dystroglykanopatie

Alfa-dystroglykanopatie jsou vzácná dědičná onemocnění, která patří do skupiny dědičných poruch glykosylace a zároveň do skupiny dědičných svalových dystrofií. Jsou to autosomálně recesivně dědičná onemocnění s rozmanitými klinickými příznaky a tedy i variabilními stupni klinické závažnosti [15]. Hlavními příznaky jsou svalová dystrofie, poruchy centrální nervové soustavy a zraku [16]. Dají se rozdělit na primární, sekundární a terciární alfa-dystroglykanopatie. Primární α-DGP jsou způsobené mutací v genu DAG1 kódujícím přímo dystroglykan (DG) [17]. Sekundární skupina je nejrozšířenější a řadí se do ní poruchy enzymů zapojujících se do samotné glykosylace [18] a do terciární skupiny patří defekty v syntéze sacharidových donorů účastnících se posttranslační glykosylace α-DG [19]. V současné době je známo okolo 20 genů (seznam viz Tabulka 1), jejichž mutace vedou k těmto onemocněním. Incidence je zatím neznámá.

Diagnostika alfa-dystroglykanopatií

Diagnostická analýza je založena na kombinaci podrobného klinického popisu, biochemických nálezů a molekulárně genetických analýz. Mezi nejzávažnější α-DGP patří Walker-Warburgův syndrom (z angl. „Walker-Warburg syndrome”, WWS) [21], kterému ve většině případů pacient podlehne do věku tří let. Jedná se o velice závažnou svalovou dystrofii spojenou s abnormální oční a mozkovou strukturou a intelektuální zaostalostí. Dalšími syndromy jsou pak „Muscle-Eye-Brain“ syndrom (z angl. „Muscle-Eye-Brain syndrome”, MEB), Fukuyamova kongenitální svalová dystrofie (z angl. „Fukuyama congenital muscular dystrophy”, FCMD) [15] a některé typy pletencové svalové dystrofie (z angl. „Limb-girdle muscular dystrophy”, LGMD) [22], vyznačující se svalovou dystrofií, hypotonií a ve většině případů i intelektuálním deficitem. Je velice těžké definovat genotyp-fenotypovou korelaci, neboť mutace v jednom genu může vést k téměř jakémukoli fenotypovému znaku. K určení diagnózy je vhodné provedení biochemické analýzy, která může nasměrovat vyšetřování ke konkrétnímu genu, paralelně s molekulárně-genetickou analýzou.

Současné možnosti laboratorní diagnostiky alfa-dystroglykanopatií

V dnešní době je biochemická diagnostika CDG založena na více metodách postupně zužujících výběr kandidátních genů. Prvním krokem je selektivní screening, v rámci něhož je detekována hypoglykosylace markerů, tedy vybraných sérových glykoproteinů. Tyto analýzy však mohou zachytit pouze část typů poruch glykosylace. Jsou to metody isoelektrické fokusace transferinu v séru detekující poruchy v N-glykosylaci a isoelektrické fokusace apolipoproteinu C-III detekující poruchy O-glykosylace přes N-acetylgalaktosamin. Tyto metody však umožňují odhalit jen malou podskupinu α-DGP (např. deficit podjednotek dolichyl-fosfátmannosasyntázy v důsledku mutací v genech DPM1-3). Pro diagnostiku α-DGP jsou nejčastěji používány metody Western Blot a imunohistochemie ve svalu, které jsou založeny na schopnosti vazby protilátky IIH6C4 proti specifickému epitopu oligosacharidového řetězce na α-DG [15]. Novou alternativou je použití průtokové cytometrie, kterou lze provádět i ve fibroblastech pacientů [15]. Za účelem definitivního potvrzení diagnózy jsou pak prováděny molekulárně-genetické analýzy, často s využitím metody „Next-generation sequencing“. V případě nalezení nových mutací s neznámým dopadem v genech zodpovědných za α-DG mohou být pak biochemické metody využity i k ověření patogenicity nalezených variant.

Závěr

α-DGP jsou vzácná onemocnění s rozsáhlou škálou klinických příznaků, která jsou způsobena sníženou O-glykosylací vázanou přes mannosu na mucinové doméně proteinu alfa-dystroglykanu. Jedná se o onemocnění, která doposud nebyla plně prozkoumána a pro která zatím neexistuje žádný účinný lék. Správné a včasné určení diagnózy je nezbytné pro genetické poradenství v postižených rodinách.

Seznam zkratek

CDG dědičné poruchy glykosylace (z angl. Congenital disorders of glycosylation)

DG dystroglykan

DAG1 gen kódující dystroglykan

α-DG alfa-dystroglykan

β-DG beta-dystroglykan

α-DGP alfa-dystroglykanopatie

kDa kilo Dalton

WWS Walker-Warburgův syndrom (z angl. „Walker-Warburg syndrome”)

LGMD Pletencová svalová dystrofie (z angl. „Limb-girdle muscle dystrophy”)

FCMD Fukuyamova kongenitální svalová dystrofie (z angl. „Fukuyama congenital muscular dystrophy”)

FKRP enzym „Fukutin related protein“

FKTN fukutin

POMT1 gen kódující enzym protein O-mannosyltransferáza 1

POMT2 gen kódující enzym protein O-mannosyltransferáza 2

POMGNT1 gen kódující enzym protein O-mannosa-β 1,2-N acetylglukosaminyltransferáza 1

POMGNT2 gen kódující enzym protein O-mannosa-β 1,4-N acetylglukosaminyltransferáza 2

MEB „Muscle-Eye-Brain” syndrom (z angl. „Muscle-Eye-Brain syndrome”)

Práce vznikla za podpory projektu AZV 16-31932A a RVO-VFN64165.

Do redakce došlo 3. 4. 2017

Adresa pro korespondenci:

RNDr. Hana Hansíková, CSc.

1. LF UK a VFN v Praze

Laboratoř pro studium mitochondriálních poruch

Klinika dětského a dorostového lékařství

Ke Karlovu 2, 128 08 Praha 2

e-mail: hana.hansikova@lf1.cuni.cz