Fenylketonuria
Etiologia i przyczyny
Fenyloketonuria (PKU) to autosomalnie recesywna choroba genetyczna spowodowana mutacjami w genie PAH kodującym hydroksylazę fenyloalaniny, enzym przekształcający fenyloalaninę (Phe) do tyrozyny (Tyr) z udziałem kofaktora tetrahydrobiopteryny (BH4). Mutacje te prowadzą do akumulacji toksycznych poziomów Phe we krwi i tkankach, co skutkuje uszkodzeniem neurologicznym i intelektualnym. PKU charakteryzuje się dużą heterogennością genotypową, z ponad 900 mutacjami opisanymi w genie PAH, w tym delecjami i duplikacjami. Klinicznie wyróżnia się formy klasyczną (Phe > 1200 μmol/l), umiarkowaną (900-1200 μmol/l), łagodną (600-900 μmol/l) oraz hiperfenyloalaninemię (HPA) o stężeniach Phe od 120 do 600 μmol/l. Diagnostyka i leczenie są kluczowe, zwłaszcza u kobiet w ciąży, aby zapobiec uszkodzeniom płodu (matczyna PKU). Występowanie PKU jest zróżnicowane etnicznie, najczęściej dotyczy populacji kaukaskiej.
- Etiologia fenylketonurii
- Defekt genetyczny jako podstawowa przyczyna PKU
- Różnorodność mutacji w genie PAH
- Autosomalny recesywny model dziedziczenia
- Typy kliniczne fenylketonurii
- Defekty w metabolizmie tetrahydrobiopteryny (BH4)
- Plejotropia w fenylketonurii
- Konsekwencje biologiczne defektu enzymatycznego
- Różnorodność etniczna w występowaniu PKU
- Nowe kierunki terapeutyczne w leczeniu PKU
Etiologia fenylketonurii
Fenylketonuria (PKU) to rzadka choroba genetyczna dziedziczona w sposób autosomalny recesywny, charakteryzująca się zaburzeniem metabolizmu aminokwasu fenyloalaniny. Jest ona jednym z najczęstszych wrodzonych błędów metabolizmu aminokwasów u ludzi. Światowa częstość występowania PKU szacowana jest na około 1 na 23 930 żywych urodzeń, przy czym choroba ta dotyka około 0,45 miliona osób na całym świecie, z których co najmniej dwie trzecie wymaga leczenia1.
Defekt genetyczny jako podstawowa przyczyna PKU
Podstawową przyczyną fenylketonurii są mutacje w genie PAH (fenyloalanino-hydroksylaza), który znajduje się na chromosomie 12q23.2. Gen ten obejmuje około 90 kb i składa się z 13 eksonów, które nie są równomiernie rozmieszczone, ponieważ eksony są bardziej zagęszczone w drugiej części genu12. Sekwencja kodująca genu PAH liczy 1359 par zasad i koduje polipeptyd składający się z 452 aminokwasów o masie cząsteczkowej około 52 kDa1.
Gen PAH dostarcza instrukcji do produkcji enzymu zwanego hydroksylazą fenyloalaniny, który jest odpowiedzialny za przekształcanie aminokwasu fenyloalaniny w tyrozynę w reakcji wymagającej kofaktora tetrahydrobiopteryny (BH4)34. Mutacje w genie PAH prowadzą do produkcji zmienionych wersji hydroksylazy fenyloalaniny, które nie mogą efektywnie przetwarzać fenyloalaniny, co powoduje jej gromadzenie się do toksycznych poziomów we krwi i innych tkankach5.
Różnorodność mutacji w genie PAH
PKU charakteryzuje się znaczną heterogennością genotypową, zarówno w obrębie populacji, jak i między różnymi populacjami6. Do tej pory zidentyfikowano ponad 900 różnych mutacji w genie PAH, a witryna www.biopku.org stanowi rosnące źródło korelacji genotyp-fenotyp lub opisów6. Patogenne mutacje zostały opisane we wszystkich 13 eksonach genu PAH i jego regionie flankującym6.
Większość wariantów genetycznych występuje w domenie centralnej (59,2%), a następnie w N-końcowej i C-końcowej części monomeru PAH (odpowiednio 17,5% i 5,4%)78. Chociaż ich proporcja może być niedoszacowana, w genie PAH opisano duże genomowe delecje i duplikacje (odpowiednio 12,9% i 2,1%) w różnych populacjach etnicznych78.
Pierwszą zidentyfikowaną mutacją PKU w genie PAH była pojedyncza zmiana zasady (GT-do-AT) w kanonicznym miejscu donorowym 5-prime splicingu intronu 12 (612349.0001). Eksperymenty z transferem i ekspresją genów wykazały, że mutacja w miejscu donorowym splicingu powodowała nieprawidłowe przetwarzanie mRNA PAH i utratę aktywności PAH9.
Większość mutacji typu missense w PAH upośledza aktywność enzymu poprzez zwiększoną niestabilność białka i jego agregację9. Defekty PAH mogą obejmować łagodne defekty fałdowania białka aż do całkowitego braku lub niedoboru ekspresji PAH1011.
Autosomalny recesywny model dziedziczenia
Fenylketonuria jest dziedziczona w sposób autosomalny recesywny, co oznacza, że dziecko musi odziedziczyć dwie kopie zmutowanego genu (po jednej od każdego rodzica) aby rozwinąć chorobę1213. Jeśli osoba odziedziczy tylko jedną kopię zmutowanego genu, będzie nosicielem PKU, ale nie rozwinie samej choroby1314.
Gdy oboje rodzice są nosicielami zmutowanego genu PAH, prawdopodobieństwo, że ich dziecko będzie miało PKU wynosi 25% (1 na 4)1516. Istnieje również 25% szansa, że oboje rodzice przekażą typowy gen PAH, a w takim przypadku dziecko nie będzie miało choroby. Jednak istnieje 50% szansa, że dziecko odziedziczy jeden typowy gen od jednego rodzica i jeden atypowy gen od drugiego rodzica, co sprawia, że dziecko będzie nosicielem15.
Rodzice, którzy są nosicielami wadliwego genu PAH, zazwyczaj nie mają objawów choroby i często nie wiedzą, że posiadają tę mutację, ponieważ bycie nosicielem nie powoduje problemów medycznych17. Jeśli tylko jeden z rodziców jest nosicielem zmutowanego genu, dziecko nie rozwinie PKU, ale może być nosicielem18.
Typy kliniczne fenylketonurii
W zależności od stopnia aktywności enzymatycznej hydroksylazy fenyloalaniny wyróżnia się różne typy kliniczne fenylketonurii:
- Klasyczna PKU – najcięższa forma choroby, występuje u osób z bardzo niską aktywnością hydroksylazy fenyloalaniny lub całkowitym jej brakiem. U osób z nieleczoną klasyczną PKU poziom fenyloalaniny jest wystarczająco wysoki, aby spowodować poważne uszkodzenie mózgu i inne poważne problemy zdrowotne5. W klasycznej PKU stężenie fenyloalaniny w surowicy u nieleczonego, nowo zdiagnozowanego niemowlęcia przekracza 20 mg/dl (1200 μmol/l)19.
- Umiarkowana PKU – charakteryzuje się stężeniem fenyloalaniny 900-1200 μmol/l19.
- Łagodna PKU – stężenie fenyloalaniny wynosi 600-900 μmol/l19.
- Łagodna hiperfenyloalaninemia (HPA) – stężenie fenyloalaniny wynosi 360-600 μmol/l19.
- Łagodna łagodna HPA – nie wymaga zazwyczaj leczenia, stężenie fenyloalaniny wynosi 120-360 μmol/l19.
Warianty w genie PAH, które pozwalają enzymowi zachować pewną aktywność, prowadzą do łagodniejszych wersji tej choroby, takich jak wariantowa PKU lub non-PKU hiperfenyloalaninemia5. Zmiany w innych genach mogą wpływać na nasilenie PKU, ale niewiele wiadomo o tych dodatkowych czynnikach genetycznych5.
Defekty w metabolizmie tetrahydrobiopteryny (BH4)
Chociaż większość przypadków PKU (~98%) jest spowodowana wariantami w genie kodującym hydroksylazę fenyloalaniny, niewielka liczba przypadków hiperfenyloalaninemii (HPA) jest spowodowana defektami w metabolizmie BH4 lub patogennymi wariantami w genie DNAJC122021.
Opisano kilka genów związanych z BH4 (na przykład GCH1 GTPCH, PTS, PCBD1, QDPR i SPR), które są powiązane z HPA78. Pozostała część osób dotkniętych fenylketonurią ma niedobory tetrahydrobiopteryny (BH4), chemicznego kofaktora wymaganego do aktywności hydroksylazy fenyloalaniny22.
Autosomalne recesywne defekty w enzymach, które syntetyzują tetrahydrobiopterynę lub przywracają jej aktywność katalityczną, mogą prowadzić do ogólnego zaburzenia zwanego hiperfenyloalaninemią, charakteryzującego się nieprawidłowo wysokim poziomem fenyloalaniny we krwi i moczu22.
Plejotropia w fenylketonurii
Plejotropia może być opisana, gdy jeden gen może wpływać na dwie lub więcej pozornie niepowiązanych cech fenotypowych23. W przypadku PKU gen odpowiedzialny za PAH może być szkodliwy i korzystny, co określa się jako plejotropię antagonistyczną23.
Konsekwencje biologiczne defektu enzymatycznego
Hydroksylaza fenyloalaniny, enzym ekspresjonowany głównie w wątrobie (ale także w nerkach i trzustce), jest odpowiedzialna za konwersję fenyloalaniny do tyrozyny w reakcji, która wymaga kosubstratu tetrahydrobiopteryny (BH4)2425.
W PKU enzym, który normalnie przekształca fenyloalaninę (Phe) w aminokwas tyrozynę (Tyr), nie działa prawidłowo26. Gdy Phe nie jest przekształcana w Tyr, jej poziom wzrasta we krwi i mózgu. Wysokie poziomy Phe są toksyczne dla mózgu26.
Ponieważ enzym PAH katalizuje hydroksylację Phe do tyrozyny (Tyr), konwersja Phe do Tyr jest upośledzona. Powoduje to gromadzenie się Phe we krwi i mózgu, prowadząc do szeregu niepełnosprawności intelektualnych, a także konsekwencji neurologicznych, neuropsychiatrycznych i psychospołecznych27.
Jeśli poziomy fenyloalaniny nie są odpowiednio kontrolowane, nadmiar Phe, który jest toksyczny dla mózgu, zakłóca normalną neurofizjologię. Wysokie poziomy Phe mogą prowadzić do poważnych powikłań neurologicznych i neuropsychologicznych, wpływając na sposób myślenia, odczuwania i działania osób z PKU11. Toksyczne poziomy Phe w pierwszych latach życia mogą powodować nieodwracalne uszkodzenia, w tym wpływ neurologiczny i powikłania takie jak utrata IQ, utrata pamięci, drgawki, trudności w uczeniu się i problemy emocjonalne28.
PKU u kobiet w ciąży i jej wpływ na płód
Kobiety z PKU, które nie kontrolują poziomu fenyloalaniny podczas ciąży, narażają swoje nienarodzone dzieci na wysokie ryzyko uszkodzeń. U dzieci urodzonych przez matki z nieleczoną PKU (tj. z wysokim poziomem fenyloalaniny) występuje wysokie ryzyko rozwoju nieprawidłowo małej głowy (mikrocefalii) i problemów rozwojowych. Stan ten nazywany jest matczyną PKU29.
Dodatkowo, kobiety w ciąży z nieleczoną PKU są bardziej narażone na urodzenie dzieci z mikrocefalia, wrodzonymi wadami serca i nieprawidłowościami twarzy30. Brak leczenia może również prowadzić do zwiększenia częstości samoistnych poronień lub opóźnienia wzrostu płodu30.
To bardzo ważne, aby kobiety z PKU ściśle przestrzegały diety z niską zawartością fenyloalaniny zarówno przed zajściem w ciążę, jak i w trakcie ciąży. Nagromadzenie fenyloalaniny uszkodzi rozwijające się dziecko, nawet jeśli dziecko nie odziedziczyło pełnej choroby31.
Różnorodność etniczna w występowaniu PKU
Rozpowszechnienie PKU różni się znacznie w zależności od grupy etnicznej i regionu geograficznego32. Istnieją dowody na istnienie wariantów założycielskich w obrębie genów PAH i genów związanych z BH4 wśród różnych populacji etnicznych733.
W Stanach Zjednoczonych występuje wyższe ryzyko zachorowania na PKU u osób pochodzenia europejskiego lub rdzennych Amerykanów34. PKU jest znacznie częstsza wśród osób rasy kaukaskiej niż w jakiejkolwiek innej populacji etnicznej35.
Nowe kierunki terapeutyczne w leczeniu PKU
Chociaż obecnie nie ma lekarstwa na PKU, istnieją nowe opcje leczenia, które mogą pomóc w zarządzaniu poziomem fenyloalaniny we krwi36. Wśród dostępnych metod leczenia wymienia się:
- Sapropteryna dihydrochlorek (Kuvan) – syntetyczny analog BH4 zatwierdzony przez FDA, wskazany do leczenia HPA u pacjentów z PKU lub niedoborem BH423.
- Pegwaliaza – terapia substytucji enzymatycznej wykorzystująca PEGylowaną rekombinowaną PAL z Anabaena variabilis do obniżenia poziomu fenyloalaniny we krwi do normalnego zakresu niezależnie od resztkowej PAH23.
- Terapia genowa – ogólnie zajmująca się modyfikacją genów w komórkach w celu uzyskania efektu terapeutycznego lub leczenia choroby poprzez naprawę lub rekonstrukcję wadliwego materiału genetycznego23.
Ze względu na wady tych podejść, opracowywane są inne metody leczenia, takie jak terapia mRNA i terapia genowa37. Ponadto, powstające terapie genowe i terapie substytucji enzymatycznej są badane w celu rozwiązania podstawowej przyczyny genetycznej. Terapie te mają na celu wprowadzenie funkcjonalnych kopii genu PAH lub podanie egzogennych enzymów hydroksylazy fenyloalaniny, oferując potencjalne przyszłe drogi leczenia, które mogłyby normalizować poziom fenyloalaniny bez ścisłych ograniczeń dietetycznych38.
Mimo że niedobór PAH jest najczęstszym defektem metabolizmu aminokwasów u ludzi, dysfunkcja mózgu u osób z PKU wciąż nie jest dobrze zrozumiana i potrzebne są dalsze badania, aby ułatwić rozwój metod leczenia opartych na patofizjologii37.
Kolejne rozdziały
Zapraszamy do dalszego czytania naszego leksykonu.
Wybierz kolejny rozdział z menu poniżej, aby otworzyć nową podstronę kompedium wiedzy i uzyskać szczegółowe informację o leku, substancji lub chorobie.