Gregor Mendel a řízení růstu dítěte: geny, molekuly a pediatrická klinická praxe

Overview

Růst člověka je řízen z 80 % geneticky, jen 20 % se na něm podílejí vlivy prostředí. Pro růst jsou klíčové geny kódující proteohormony a podobné molekuly (růstový hormon, IGF-1, IGF-2, acidolabilní pojednotku ALS), hormonální receptory (receptor pro růstový hormon, pro IGF a pro spouštěcí hormony hypofýzy – GHRH a ghrelin) a v omezené míře enzymy (PAPPA 2). Důležité jsou geny pro transkripční faktory, které řídí morfogenezi (kaskáda sonic hedgehog a další) a diferenciaci adenohypofýzy (PROP1, POU1F1), ale také geny kódující transkripční faktory chondrocytů (SHOX). Ze strukturálních molekul jsou v popředí zájmu součásti chrupavčité mezibuněčné matrix (geny pro aggrecan, kolageny, matrilin, fibrilin a další). Spektrum genů zodpovědných jak za závažné růstové poruchy, tak za běžnou variabilitu růstu doplňují geny pro parakrinní signalizaci chondrocytu (systém FGFR3/NPR2), pro nitrobuněčnou signalizaci (Ras-MAPK kaskáda, JAK-STAT signalizační dráha) a pro fundamentální nitrobuněčné procesy, mezi které patří regulace epigenetických modifikací DNA a kontrola integrity DNA. Genetické testování má dvojí smysl: okamžitý, protože přináší důležitou informaci pro pacienta a jeho rodinu o podstatě odchylky, o jejím budoucím vývoji a o dědičném přenosu – a dlouhodobý, protože pomáhá porozumět mechanismu nemoci a navrhovat nové terapie.

Klíčová slova:

geny – Mendel – regulace longitudinálního růstu – hypofýza – chondrocyt

* tito tři autoři přispěli ke vzniku článku stejnou měrou

Gregor Johann Mendel představil výsledky svých experimentů a základní zákony dědičnosti na setkání Brněnského přírodovědného spolku (Naturforschendes Verein in Brünn) v roce 1865.(1) O několik let později, v roce 1869, objevil Friedrich Miescher v jádře buňky sloučeninu s nejasnou funkcí – deoxyribonukleovou kyselinu (DNA). V roce 1896 začal Archibald Edward Garrod studovat původ alkaptonurie – nápadné enzymatické poruchy. Nositelé patogenní varianty genu HGD, který kóduje enzym homogentisát 1,2-dioxygenázu, vylučují moč tmavnoucí na vzduchu. Na příkladu alkaptonurie ukázal, že enzymatické poruchy se v rodinách přenášejí podle Mendelových zákonů dědičnosti. Mendelovy zákony přenesl do klinické medicíny.(2)

V roce 1941 George Beadle a Edward Tatum prokázali, že geny kódují proteiny a předložili hypotézu „jeden gen = jeden protein“. Nastával zlatý věk genetiky. V roce 1953 Francis Crick a James Watson rozpoznali dvoušroubovici DNA jako nositelku genetické informace a za svůj objev byli oceněni Nobelovou cenou. V roce 1958 Crick navrhl systém tripletů jako klíčový princip zápisu genetické informace v DNA, rozpoznal výkonnou roli molekuly RNA a definoval „centrální dogma“ transkripce a translace genetické informace.

V roce 1961 další budoucí nobelista Marshall Nirenberg, mladý biochemik v americkém Národním institutu kloubních a metabolických onemocnění, identifikoval první triplet kódující aminokyselinu (TTT pro fenylalanin) a v následujících pěti letech se osobně přičinil o identifikaci kompletní sady 64 tripletů.(3) Začalo čtení genetické informace.

V roce 1972 Walter Fiers určil první genovou sekvenci a Fred Sanger v roce 1977 přečetl genom prvního celého organismu, fágu Phi-X174. Jeho tým v roce 1981 sekvenoval genom lidské mitochondrie.

Na přelomu tisíciletí byla postupně publikována sekvence celého lidského genomu jako výsledek jednoho z nejambicióznějších vědeckých projektů historie biomedicíny – Human Genome Project.(4) Díky technikám sekvenování nové generace (NGS) poznáváme v posledním desetiletí téměř každý týden funkce dalších a dalších genů, stále lépe rozumíme etiopatogenezi geneticky přenosných znaků, vývojových a funkčních variant i skutečných nemocí a umíme je mnohem lépe diagnostikovat a některé z nich cíleně léčit.

Geny, bílkoviny a růst dítěte

Poznávání spektra strukturálních i funkčních proteinů a jejich biologické úlohy v lidskému organismu krok za krokem odhalovalo podstatu biologických procesů.

Geny kódují: (1) proteohormony, (2) hormonální receptory, (3) enzymy, (4) transkripční faktory, (5) strukturální proteiny, (6) parakrinní regulační molekuly a jejich receptory, (7) nitrobuněčné signální molekuly, (8) molekuly řídící epigenetické modifikace – které řídí strukturu a přístupnost chromatinu, acetylaci a metylaci histonů či metylaci DNA, (9) reparační molekuly potřebné k zachování integrity DNA, (10) řadu dalších. Tyto jednotlivé skupiny proteinů se uplatňují také v řízení longitudinálního růstu člověka.

Genetické testování má dvojí smysl. Okamžitý – protože přináší důležitou informaci pro pacienta a jeho rodinu o podstatě poruchy, o jejím budoucím vývoji a dědičném přenosu. A dlouhodobý – protože pomáhá porozumět mechanismu nemocí a vývojových odchylek a navrhovat nové léčebné postupy.

Proteohormony

Prvními kandidáty při hledání genetické podmíněnosti růstu byly geny, které kódují cirkulující hormony s přímým vlivem na tělesný růst. Patří mezi ně gen GH1 pro molekulu lidského růstového hormonu a geny IGF1 a IGF2, které kódují oba růstové faktory podobné inzulinu – IGF-1 a IGF-2.

Těžký izolovaný deficit růstového hormonu (IGHD) je vzácnou nemocí s incidencí 1 : 4000 až 1 : 10 000.(5) Patogenní varianty GH1 genu jsou málo častou příčinou IGHD. Autozomálně recesivní přenos IGHD byl nejdříve prokázán u dětí s homozygotní delecí celého GH1 genu.(6) Děti s delecí genu GH1 mají nulové hladiny růstového hormonu a těžce zaostávají v růstu od prvního půlroku života. Některé z nich při léčbě růstovým hormonem začnou vytvářet neutralizační protilátky, protože si vůči molekule růstového hormonu nevyvinuly imunologickou toleranci (obr. 1).

Patogenní varianty genu IGF1 byly u člověka dlouho považované za neslučitelné s přežitím, i když knock-out model myši s chybějícím Igf1 genem je dlouho známý a přežití umožňuje. Až v roce 1996 Woods se spolupracovníky popsala 15letého chlapce s částečnou delecí IGF1. Po těžké intrauterinní růstové restrikci (37. t.t., 1400 g / 38 cm, obvod hlavy 27 cm) následovala postnatálně závažná růstová retardace spojená s progredující mikrocefalií, senzorineurální hluchotou a mentálním deficitem (obr. 2).(7)

IGF-1 cirkuluje v krvi převážně ve formě ternárního komplexu – ve spojení s vazebným proteinem IGFBP-3 a s acidolabilní podjednotkou (ALS). Tento ternární komplex chrání IGF-1 před rychlou degradací, významně prodlužuje jeho biologický poločas, a zajišťuje tak jeho dlouhodobé a vyvážené působení.

Zatímco v genu IGFBP3 dosud patogenní varianty popsány nebyly, patogenní varianty genu IGFALS, který kóduje molekulu ALS, způsobují mírnou až střední růstovou retardaci a mohou se přenášet autozomálně dominantně (monoalelicky).(8)

Molekula IGF-2 je důležitá zejména pro intrauterinní růst. Exprese genu IGF2 je narušena u nejčastější varianty Silverova–Russelova syndromu (11p15-SRS), v tomto případě ale jde o imprintingovou poruchu, nikoliv o mendelovskou dědičnost. Nedávno byla nalezena autozomálně dominantně přenesená patogenní varianta genu IGF2. Klinický obraz a růstový vzorec intrauterinní růstové restrikce s pomalým růstem v dětství se podobá Silverovu–Russelovu syndromu, nejsou vyznačené další známky syndromu.(9)

Zatím nebyly nalezeny patogenní varianty v genech, které kódují regulátory hypofyzární sekrece růstového hormonu – GHRH, somatostatin a ghrelin.(10)

Hormonální receptory

Patogenní varianty genu GHR, který kóduje receptor pro lidský růstový hormon, jsou příčinou necitlivosti k růstovému hormonu, pro kterou se vžil název Laronův syndrom – na počest objevitele této poruchy, žijícího klasika dětské endokrinologie prof. Zvi Larona z Izraele, který ji popsal již v roce 1966 v populaci aškenázských Židů (obr. 3).(11) Nositelé poruchy měli vysoké hladiny růstového hormonu, ale nízké IGF-1. Podávání růstového hormonu po dobu 7 dnů hladinu IGF-1 nezvýšilo.(12) Její molekulární podstata – neschopnost vazby růstového hormonu na receptor – byla prokázána v roce 1984.(13)

Stejná porucha byla rozpoznána v židovských i arabských populacích severní Afriky, Blízkého východu a v importované podobě v několika vesnicích v ekvádorských Andách. V oblastech se zvýšeným výskytem je příčinou kombinace příbuzenských sňatků a tzv. efektu zakladatele – tedy vznik patogenní varianty u dávného předka, od kterého se varianta začala šířit v uzavřených populacích. Úlohu konsanguinity v hledání molekulární podstaty autozomálně recesivně podmíněných onemocnění, včetně porušené regulace růstu, jsme nedávno popsali v souborném článku, ze kterého částečně čerpá i tento přehled.(14)

Gen GHRHR kóduje receptor pro growth hormone-releasing hormone (GHRH). Tento receptor se exprimuje na somatotrofních buňkách adenohypofýzy a jeho stimulace prostřednictvím molekuly GHRH je předpokladem pro syntézu a sekreci růstového hormonu. Patogenní varianty GHRHR tedy vedou ke geneticky odlišné, ale klinicky podobné formě izolovaného deficitu růstového hormonu. Tato porucha byla poprvé popsána u sourozenecké dvojice z konsanguinní rodiny v Indii(15] a následně ve větším rozsahu u dětí i dospělých ze dvou vesnic v provincii Sindh v jižním Pákistánu – opět v důsledku kombinace efektu zakladatele a konsanguinity. Nositelé poruchy mají extrémně nízkou tělesnou výšku, prominující čelo, jsou obézní, ale zpravidla nemají jiné zdravotní problémy a jsou fertilní.(16) V jiných populacích jsou patogenní varianty GHRHR vzácné, ale při cíleném vyšetřování je lze mezi osobami s těžkým izolovaným deficitem růstového hormonu občas nalézt.

V nedávné době byl popsán také deficit růstového hormonu způsobený patogenní variantou genu GHSR (growth hormone secretagogue receptor), který kóduje receptor pro ghrelin – druhý ze „spouštěcích“ hormonů, který se podílí na řízení somatotrofních buněk hypofýzy.(17)

Gen IGFR kóduje receptor pro obě molekuly IGF – pro IGF-1 i IGF-2. Jeho monoalelické patogenní varianty jsou spojené s malým vzrůstem, který se v rodinách může dědit autozomálně dominantně. Jedná se o jednu z poměrně častých geneticky podmíněných forem familiárně malého vzrůstu s různým stupněm závažnosti podle tíže genové mutace.(18)

Enzymy

Enzymy se v regulaci růstu uplatňují omezeně, protože na rozdíl od steroidních a tyreoidálních hormonů je syntéza proteohormonů na enzymech nezávislá.

Jednou z mála výjimek je nedávno objevený enzym PAPPA 2 (pregnancy-associated plasma protein A2), kódovaný genem PAPPA2. Tento enzym štěpí ternární komplex IGF-1/ IGFBP3/ALS a zajišťuje dostupnost a biologickou účinnost volného IGF-1. Děti s bialelickými patogenními variantami genu PAPPA2 špatně rostou, přestože mají nápadně vysoké hladiny celkového IGF-1, IGFBP-3, acidolabilní podjednotky, ale také IGF-2 a IGFBP-5.(19)

Transkripční faktory

Morfogeneze hypofýzy je součástí embryonálního vývoje středočárových struktur mozku, očí, zrakových nervů, chiasmatu a zrakových drah. Tento proces koordinuje kaskáda transkripčních faktorů, která v dokonalé souhře zajišťuje časově ohraničenou transkripci cílových genů a diferenciaci buněčných populací, které utvářejí struktury CNS (obr. 4). Čím dříve ve vývoji nastává porucha, tím závažnější dysmorfie vznikají – od anencefalie přes kyklopii, anoftalmii, různě vyjádřené formy holoprosencefalie (obr. 5) až po nezřídka klinicky málo nápadný obraz septooptické dysplazie. Tyto poruchy jsou spojeny s variabilními formami hypopituitarismu – izolovaného deficitu růstového hormonu (IGHD) či kombinovaného deficitu hypofyzárních hormonů (CPHD).(20)

Typickou příčinou poruchy morfogeneze hypofýzy jsou patogenní varianty genů kaskády sonic hedgehog (SHH, PTCH1, GLI2) a dále např. genů OTX2, FGF8, HESX1, RIEG, SOX2, SOX3, LHX3, LHX4 a FOXA2, které kódují jednotlivé transkripční faktory.(11,21)

Na morfogenezi hypofýzy navazuje diferenciace hypofýzy – vznik pěti buněčných linií se specifickou hormonální produkcí, tedy somatotrofů (růstový hormon), tyreotrofů (TSH), gonadotrofů (FSH, LH), kortikotrofů (ACTH) a laktotrofů (prolaktin). Tuto fázi koordinují především transkripční faktory kódované geny PROP1 a POU1F1. Patogenní varianty PROP1 jsou nejčastější příčinou kombinovaného deficitu hypofyzárních hormonů ve střední a východní Evropě (obr. 6).(22–24)

Bialelická patogenní varianta genu POU1F1 (původně nazvaného PIT1) byla poprvé popsána v roce 1992 u dvou sester z konsanguinní rodiny s klinickým obrazem podobným kretenismu. Dívky měly téměř nulové hladiny růstového hormonu, TSH a prolaktinu. Na tomto příkladu se podařilo poprvé prokázat, že defekt transkripčního faktoru ovlivní transkripci několika cílových genů (obr. 7).(25)

Transkripční faktory se uplatňují nejen v embryonálním a fetálním vývoji tkání a orgánů, ale mohou být i předpokladem jejich další funkce. Jedním z příkladů je SHOX protein, který je kódován genem SHOX – short stature homeobox-containing gene na X chromozomu. Ten je potřebný pro správnou funkci chondrocytů v růstové chrupavce. I když jeho přesná úloha není jasná, je zřejmé, že homozygotní mutace způsobují těžkou kostní dysplazii Langerova typu, zatímco monoalelické patogenní varianty stejně jako chybění genu u Turnerova syndromu vyvolají růstovou poruchu, která je někdy spojena s mírnou mezomelickou kostní dysplazií a s Madelungovou deformitou předloktí.(26,27)

Strukturální molekuly

Longitudinální růst probíhá v chrupavčité epifyzární růstové ploténce. Ta je efektorovou tkání, která zajišťuje prodlužování dlouhých kostí, zvyšování tělesné délky a výšky. Chondrocyty epifyzární růstové chrupavky procházejí řízenou buněčnou diferenciací z pluripotentních progenitorových buněk směrem k rychle proliferujícím buňkám a konečně k chondrocytům hypertrofické zóny novotvořené kosti.

Aktivní chondrocyty růstové chrupavky secernují chrupavčitou matrix, mezibuněčnou strukturu bohatou na kolageny a proteoglykany s řadou funkčních molekul významných pro tělesný růst.(11)

Gen ACAN kóduje bílkovinnou část proteoglykanu aggrecan. Aggrecan je hydrofilní proteoglykan, který přispívá k pružnosti chrupavky a podílí se na absorpci dynamického zatížení kloubů, kostí i páteře. Monoalelické patogenní varianty genu ACAN vedou ke klinickému obrazu familiárně malého vzrůstu, který může být u dospělých nositelů poruchy spojen s časnými kloubními a páteřními obtížemi.(28)

Mezi další součásti mezibuněčné matrix patří některé kolageny, fibrilin a matrilin, kódované geny COL2A1, COL9A1, COL10A1, COL11A1, FBN1, MATN3.(26,29,30) Patogenní varianty těchto genů v heterozygotní (monoalelické) formě způsobují mírnější růstovou poruchu, která může být dominantně dědičná (familiárně malý vzrůst). Homozygotní (bialelické) mutace se vyskytují častěji v konsanguinních rodinách – např. mutace MATN3 způsobuje těžkou formu autozomálně recesivní spondyloepimetafyzeální dysplazie (SEMD).(31)

Také poruchy strukturálních proteinů mimo epifyzární chrupavku mohou způsobit růstovou poruchu. Jedním z nich je lamin, protein tvořící vnitřní skelet membrány buněčného jádra. Je kódován genem LMNA. Některé patogenní varianty LMNA způsobují velmi závažný klinický obraz Hutchinsonovy– Gilfordovy progerie, syndromu předčasného stárnutí, který vede k časným úmrtím v důsledku cévních mozkových příhod (obr. 8).(32)

Parakrinní regulační molekuly a jejich receptory

Parakrinní signalizace je součástí řízení proliferace a diferenciace chondrocytů růstové ploténky a tvorby extracelulární matrix.(33) Důležité místo v parakrinní regulaci mají fibroblastové růstové faktory (FGF). Patogenní varianty genu FGFR3, který kóduje receptor pro FGF 3. typu, nepříznivě ovlivňují růst kosti a vedou ke spektru klinických fenotypů od tanatoformní dysplazie (fatální forma při bialelických patogenních variantách) přes achondroplazii, hypochondroplazii a „idiopatický malý vzrůst“ při monoalelických variantách různé tíže.(26)

Natriuretický peptid typu C (CNP) a jeho receptor NPR2 představují další parakrinní systém přímo spřažený se systémem FGF. Homozygotní inaktivační mutace genu NPR2 způsobují závažnou akromezomelickou kostní dysplazii typu Maroteaux, zatímco heterozygotní inaktivační mutace vedou k mírnější formě růstové poruchy, která se dědí autozomálně dominantně, a přestavuje tak další formu familiárně menšího vzrůstu. Vzhledem k odhadované četnosti heterozygotů 1 : 700 v běžné populaci je častou formou monogenně dědičného malého vzrůstu.(26,34,35) Aktivační mutace genu NPR2 způsobují naopak vysoký vzrůst, také dominantně dědičný.(36)

Mezi další geny zodpovědné za parakrinní regulaci chondrocytu patří například IHH, PTHLH a kostní morfogenní faktory (BMPs).(26)

Nitrobuněčné signalizační molekuly

Poruchy nitrobuněčné signalizace způsobují široké spektrum poruch, pro jejichž klinický obraz je typická také porucha růstu. Nejčastějšími jsou tzv. RASopatie, poruchy Ras/MAPK signalizační kaskády, které podle odhadů postihují 1 : 1000 osob. RASopatie zahrnují skupinu příbuzných stavů – syndrom Noonanové, Coffinův–Lowryho syndrom, Costellův syndrom, syndrom LEOPARD , Noonan-like syndrom with loose anagen hair a několik dalších.

Příčinou je abnormální aktivace Ras/MAPK signalizační dráhy, která přenáší informaci mezi membránovým receptorem pro růstové faktory a buněčným jádrem, ve kterém ovlivňuje transkripci genů důležitých pro buněčnou proliferaci, migraci, diferenciaci a apoptózu.(26,37) Pro Ras/MAPK kaskádu jsou klíčové geny PTPN11, KRAS, HRAS, SOS1, BRAF a SHOC2. 60 % případů vzniká jako de novo heterozygotní patogenní varianta, ve 40 % případů se varianta přenáší autozomálně dominantně (obr. 9).(37)

Další nitrobuněčnou signalizační kaskádou důležitou pro růst je JAK-STAT systém. Přenáší do jádra buňky informaci o stimulaci receptoru pro růstový hormon. Patogenní varianty genu STAT5B,(38) které znemožňují přenos signálu, vedou k rezistenci vůči růstovému hormonu (jedna z variant Laronova syndromu), často ve spojení se závažnými infekcemi, protože stejná signalizace je klíčová pro funkci imunitního systému. Nedávno jsme popsali chlapce s patogenní variantou genu STAT3, který měl rezistenci vůči růstovému hormonu a spektrum časně nastupujících imunopatologických projevů – diabetes 1. typu, tyreoiditidu, bicytopenii, lymfoproliferaci a časté závažné infekce.(39)

Řízení epigenetických modifikací

Molekuly, které řídí epigenetické modifikace, ovlivňují strukturu a přístupnost chromatinu, acetylaci a metylaci histonů či metylaci DNA. Tím mohou zvyšovat či tlumit expresi jednotlivých cílových genů.

Syndrom kabuki způsobují patogenní varianty genu KMT2D, který kóduje H3-lysin-4-metyltransferázu (autozomálně dominantní nebo de novo mutace), nebo vzácněji genu UTX/KDM6A, kódujícího histon-H3-lysin-27-demetylázu (X-vázaný). Příznaky syndromu kabuki vznikají v důsledku nestability chromatinu, a tím nevyváženým přepisem určitých cílových genů.(40) Děti s tímto syndromem jsou hypotonické, vývojově poněkud opožděné s autistickými rysy a mají příznačný faciální fenotyp – obličej připomíná způsob líčení herců divadla kabuki, jedné ze tří forem tradičního japonského divadla (obr. 10). Všechny děti se syndromem kabuki mají poruchu růstu, často také orgánové anomálie srdce, ledvin a gastrointestinálního traktu a v dospělosti jim hrozí zvýšené riziko nádorů. Je zřejmé, že nestabilita chromatinu ovlivňuje jak časné embryonální a fetální období, tak i postnatální růst a vývoj.(41)

Kontrola integrity DNA

Systémy, které opravují DNA, jsou potřebné pro optimální funkci všech buněk v lidském těle. Jejich porucha je příčinou těžké růstové retardace ze skupiny primordiálního nanismu. Příkladem je gen PCNT, který kóduje centrozomální protein pericentrin, důležitý pro zachování struktury DNA. Homozygotní patogenní varianty PCNT způsobují mikrocefalický osteodysplastický primordiální nanismus typu II – vzácnou poruchu, jejíž nositelé se rodí s hmotností pod 1500 g při porodu v termínu a nedosahují dospělé výšky ani 100 cm.(42)

Závěr

Lidský růst je komplexním biologickým fenoménem, který má snadno měřitelný průběh a výsledek. Až 80 % longitudinálního růstu člověka je podmíněno geneticky, jen přibližně z 20 % k němu přispívají vlivy prostředí. V nepřeberném množství genových variant se učíme nacházet ty, které pravděpodobně nebo s jistotou způsobují poruchu, a pomocí kritérií ACMG (American College of Clinical Genetics and Genomics) je odlišujeme od variant nevinných (benigních), pravděpodobně nevinných či od variant nejasného významu. Od „velké patologie“ pronikáme k subtilnějším variantám normy, uvědomujeme si obtížnost definice „zdraví“ a „nemoci“ a lépe rozumíme i vlivu genů na běžně přijímanou variabilitu tělesných znaků, mezi kterými má různorodost tělesné výšky významné místo. Bezděčně se tak vracíme k Mendelovi, který poznával principy genetiky na barvě květu a tvaru semen – tedy na variantách normy. 

Poděkování

Výzkum genetické podmíněnosti růstu probíhá s podporou grantů AZV NV18-07-00283, NU21-07-00335, NU22J-07-00014 a grantů GA UK 340420 a 408120. Autoři děkují všem spolupracujícím lékařům, kteří jim posílají svoje komplikované dětské pacienty, a také rodičům dětí a dětem samotným za jejich spolupráci. Fotografie dětských pacientů jsou zveřejněny se souhlasem rodičů, kteří si přejí, aby přispěly ke vzdělávání lékařů a studentů medicíny.

Korespondenční adresa:

prof. MUDr. Jan Lebl, CSc.

Pediatrická klinika 2. lékařské fakulty a FN Motol

V Úvalu 84

150 06 Praha

jan.lebl@lfmotol.cuni.cz