#PAGE_PARAMS# #ADS_HEAD_SCRIPTS# #MICRODATA#

Dědičné poruchy glykosylace: alfa-dystroglykanopatie


Authors: L. Zdražilová;  N. Ondrušková;  T. Honzík;  H. Hansíková
Authors‘ workplace: Laboratoř pro studium mitochondriálních poruch, Klinika dětského a dorostového lékařství, 1. lékařská ;  fakulta Univerzity Karlovy a Všeobecná fakultní nemocnice v Praze, Ke Karlovu 2, Praha 2, 128 Česká republika 08
Published in: Klin. Biochem. Metab., 25, 2017, No. 3, p. 96-100

Overview

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].

Fig. 1. Dystrophin-glycoprotein complex in muscle and it’s ligands. α-DG oligosacharide chains binds laminin G domain in extracellular matrix. β-DG is transmembranal protein and binds dystrophin in cytosol. nNOS- NO synthase proteins, SSPN-Sarcospan.
Fig. 1. Dystrophin-glycoprotein complex in muscle and it’s ligands. α-DG oligosacharide chains binds laminin G domain in extracellular matrix. β-DG is transmembranal protein and binds dystrophin in cytosol. nNOS- NO synthase proteins, SSPN-Sarcospan.

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.

Fig. 2. Dystroglycan domain organization. α-DG binds noncovalently at β-DG. α-DG has a signal peptide (SP), <i>N</i>-terminal domain with one <i>N</i>-linked sugar (N), mucin domain (M) with extensive <i>O</i>-glycosylation (circles indicates <i>O</i>-linked sugar) and on the right side has <i>C</i>-terminal domain with two <i>N</i>-linked sugars. β-DG has one <i>N</i>-linked sugar, transmembrane domain (TM) and dystrophin biding site (DBS).
Fig. 2. Dystroglycan domain organization. α-DG binds noncovalently at β-DG. α-DG has a signal peptide (SP), &lt;i&gt;N&lt;/i&gt;-terminal domain with one &lt;i&gt;N&lt;/i&gt;-linked sugar (N), mucin domain (M) with extensive &lt;i&gt;O&lt;/i&gt;-glycosylation (circles indicates &lt;i&gt;O&lt;/i&gt;-linked sugar) and on the right side has &lt;i&gt;C&lt;/i&gt;-terminal domain with two &lt;i&gt;N&lt;/i&gt;-linked sugars. β-DG has one &lt;i&gt;N&lt;/i&gt;-linked sugar, transmembrane domain (TM) and dystrophin biding site (DBS).

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 POMT1POMT2) [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 FKTNFKRP, 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.

Table. 1. Summary of genes whose mutations cause alpha-dystroglycanopathy. Genes, whose mutations cause primary α-DGP are shown with white background, secondary α-DGP with light grey and tertiary α-DGP with dark grey colour. Adjusted by [20].
Table. 1. Summary of genes whose mutations cause alpha-dystroglycanopathy. Genes, whose mutations cause primary α-DGP are shown with white background, secondary α-DGP with light grey and tertiary α-DGP with dark grey colour. Adjusted by [20].

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


Sources

1. Freeze, H. H., Chong, J. X., Bamshad, M. J., Ng, B.G. Solving glycosylation disorders: Fundamental approaches reveal complicated pathways. Am. J Hum. Genet., 2014, 94 (2), p. 161-175

2. Ibraghimov-Beskrovnaya, O., Milatovich, A., Ozcelik T. et al. Human dystroglycan: skeletal muscle cDNA, genomic structure, origin of tissue specific isoforms and chromosomal localization. Hum. Mol. genet., 1993, 2 (10), p. 1651-1657.

3. Ibraghimov-Besrovnaya, O.,Ervasti, J. M., Leveille, C. J., Slaughter, C. A., Sernett, S. W., Campbell, K. P. Primary structure of dystrophin-associated glycoproteins linking dystrophin to the extracellular matrix. Nature.,1992, 355, p. 696-702.

4. Brancaccio, A., Schulthess, T., Gesemann, M., Engel, J. Electron microscopic evidence for a mucin-like region in chick muscle α-dystroglycan. FEBS lett., 1995, 368 (1), p. 139-142.

5. Ervasti, J. M., Campbell, K. P. Membrane organization of the dystrophin-glycoprotein complex. Cell., 1991, 66 (6), p. 1121-1131.

6. Blake, D. J., Weir, A., Newey, S. E., Davies, K. E. Function and genetics of dystrophin and dystrophin-related proteins in muscle. Physiol. Rev., 2002, 82 (2), p. 291-329.

7. Bowe, M. A., Deyst, K. A., Leszyk, J. D., Fallon, J. R. Identification and purification of an agrin receptor from Torpedo postsynaptic membranes: a heteromeric complex related to the dystroglycans. Neuron, 1994, 12 (5), p. 1173-1180.

8. Saito, F., Moore, S. A., Barresi, R. et al. Unique role of dystroglycan in peripheral nerve myelination, nodal structure, and sodium channel stabilization. Neuron, 2003, 38 (5), p. 747-758.

9. Winder, S. J. The complexities of dystroglycan. Trends Biochem. Sci., 2001, 26 (2), p. 118-124.

10. UniProt [Online], [Citace: 21. 2 2016.], Dostupný na www: <http://www.uniprot.org/uniprot/Q14118>

11. Chiba, A. K., Matsumura, H., Yamada, T. et al. Structures of sialylated O-linked oligosaccharides of bovine peripheral nerve α-dystroglycan. The role of a novel O-mannosyl-type oligosaccharide in binding of α-dystroglycan with laminin. J Biol. Chem., 1997, 272 (4), p. 2156-2162.

12. Willer, T., Valero, M. C., Tanner, W., Cruces, J., Strahl, S. O-mannosyl glycans: from yeast to novel associations with human disease. Curr. Opin. Struct. Biol., 2003, 13 (5), p. 621-630.

13. Live, D., Wells, L., Boons, G. J. Dissecting the Molecular Basis of the Role of the O-Mannosylation Pathway in Disease: α-Dystroglycan and Forms of Muscular Dystrophy. Chembiochem, 2013, 14 (18), p. 2392–2402.

14. Kanagawa, M., Kobayashi, K., Tajiri, M. et al. Identification of a Post-translational Modification with Ribitol-Phosphate and Its Defect in Muscular Dystrophy, Cell Rep., 2016, 14 (9), p. 2209-2223.

15. Stevens, E., Torelli, S., Feng, L. et al. Flow cytometry for the analysis of α-dystroglycan glycosylation in fibroblasts from patients with dystroglycanopathies. PLoS ONE., 2013, 8 (7), e68958

16. Hewitt, J.E. Abnormal glycosylation of dystroglycan in human genetic disease. Biochim. Biophys. Acta., 2009, 1792 (9), p. 853-861.

17. Geis, T., Marquard, K., Rodl, T. et al. Homozygous dystroglycan mutation associated with a novel muscle-eye-brain disease-like phenotype with multicystic leucodystrophy. Neurogenetics, 2013,14 (3), p. 205-213.

18. Wells, L. The O-mannosylation pathway: glycosyltransferases and proteins implicated in congenital muscular dystrophy. J Biol. Chem., 2013, 288 (10), p. 6930-6935.

19. Riemersma, M., Froese, D. S., van Tol W. et al. Human ISPD Is a Cytidyltransferase Required for Dystroglycan O-Mannosylation. Chem. Biol., 2015, 22 (12), p. 1643-1652

20. Zdražilová, L. Dědičné poruchy glykosylace: alfa-dystroglykanopatie., Univerzita Karlova v Praze, 2016, Bakalářská práce.

21. Wang, C. H., Bonnemann, C. G., Rutkowski, A. et al. Consensus statement on standard of care for congenital muscular muscular dystrophies. J Child. Neurol., 2010, 25 (12), p. 1559-1581.

22. Mahmood O. A., Jiang X, Zhang Q. Limb-girdle muscular dystrophy subtypes: First-reported cohort from northeastern China. Neural Regen. Res., 2013, 8 (20), p. 1907-1918.

Labels
Clinical biochemistry Nuclear medicine Nutritive therapist
Topics Journals
Login
Forgotten password

Enter the email address that you registered with. We will send you instructions on how to set a new password.

Login

Don‘t have an account?  Create new account

#ADS_BOTTOM_SCRIPTS#