Zespół paznokciowo-patellarny
Patofizjologia i mechanizm
Zespół paznokciowo-patellarny (ZPP) to rzadkie autosomalnie dominujące zaburzenie spowodowane heterozygotycznymi mutacjami utraty funkcji w genie LMX1B, zlokalizowanym na chromosomie 9q34.1, kodującym czynnik transkrypcyjny LIM-homeodomena. Mutacje te prowadzą do haploinsuficjencji, co jest głównym mechanizmem patogenetycznym choroby. Gen LMX1B reguluje rozwój grzbietowo-brzusznego wzorca kończyn, różnicowanie neuronów dopaminergicznych i serotoninergicznych, a także rozwój podocytów nerkowych i struktur oka. Fenotypowa tetrada obejmuje dysplazję paznokci, aplazję lub hipoplazję rzepki, artrodysplazję stawu łokciowego oraz obecność rogów biodrowych. Zmienność fenotypowa jest znaczna, nawet w obrębie rodzin, a około 12% mutacji powstaje de novo. Występuje białkomocz, często z krwiomoczem, który może prowadzić do niewydolności nerek, a także jaskra pierwotna z otwartym kątem przesączania jako powikłanie okulistyczne. Mutacje w homedomenie genu LMX1B mogą korelować z cięższym zajęciem nerek, jednak ogólna korelacja genotyp-fenotyp pozostaje niejasna.
- Mechanizm patogenezy zespołu paznokciowo-patellarnego
- Rola genu LMX1B w patogenezie
- Molekularny mechanizm haploinsuficjencji
- Struktura genu LMX1B i typy mutacji
- Regulacja ekspresji genu LMX1B
- Patofizjologia narządowa w zespole paznokciowo-patellarnym
- Korelacje genotyp-fenotyp
- Mozaicyzm i nowe mutacje
- Hipoteza heterogenności genetycznej
- Podsumowanie mechanizmów patogenetycznych
Mechanizm patogenezy zespołu paznokciowo-patellarnego
Zespół paznokciowo-patellarny (ZPP, ang. Nail-Patella Syndrome, NPS) jest rzadkim autosomalnie dominującym zaburzeniem, które charakteryzuje się klasyczną tetradą objawów klinicznych obejmujących dysplazję paznokci, aplazję lub hipoplazję rzepki, artrodysplazję stawu łokciowego oraz obecność tzw. rogów biodrowych. Częstość występowania tego schorzenia szacuje się na około 1:50 000 urodzeń.12 Patogeneza zespołu paznokciowo-patellarnego jest ściśle związana z mutacjami genu LMX1B, które prowadzą do zaburzeń rozwojowych wielu tkanek i narządów.
Rola genu LMX1B w patogenezie
Zespół paznokciowo-patellarny jest spowodowany patogennymi wariantami utraty funkcji w genie LMX1B, kodującym czynnik transkrypcyjny, który kieruje grzbietowo-brzusznym wzorcem rozwoju kończyn oraz formowaniem przedniej części oka i podocytów w nerkach. Wyjaśnia to fenotypowe cechy zaburzeń stawów kolanowych i łokciowych (stan embrionalny, w którym kończyny dolne są ułożone grzbietowo), jaskry oraz choroby nerek związanej z białkomoczem.3
Gen LMX1B, zlokalizowany na chromosomie 9q34.1, koduje czynnik transkrypcyjny typu LIM-homeodomena, który odgrywa kluczową rolę w rozwoju grzbietowo-brzusznego wzorca kończyn, różnicowaniu neuronów dopaminergicznych i serotoninergicznych, kształtowaniu czaszki, rozwoju mezenchymy okołoocznej oraz rozwoju podocytów nerkowych.4 Do tej pory zidentyfikowano co najmniej 142 różne mutacje genu LMX1B, które powodują zespół paznokciowo-patellarny.5
Czynnik transkrypcyjny LMX1B jest wyrażany w podocytach w życiu postnatalnym, co sugeruje, że jego rola polega na regulacji różnych genów w tej komórce, takich jak NPHS2 i CD2AP.6 LMX1B bierze również udział we wczesnym kształtowaniu błony podstawnej kłębuszków nerkowych.
Molekularny mechanizm haploinsuficjencji
Głównym mechanizmem patogenetycznym leżącym u podstaw autosomalnie dominującego zespołu paznokciowo-patellarnego jest haploinsuficjencja. Identyfikacja całkowitych delecji genu LMX1B potwierdza, że haploinsuficjencja jest głównym mechanizmem patogenetycznym tego zespołu.78
Większość pacjentów posiada warianty LMX1B lub całkowite lub częściowe delecje odpowiedzialne za haploinsuficjencję poprzez ścieżkę rozkładu mRNA zależnego od nonsensowności.9 Hipoteza, że haploinsuficjencja jest głównym mechanizmem patogenetycznym leżącym u podstawy dominującego dziedziczenia zespołu paznokciowo-patellarnego u ludzi, opiera się na fakcie, że ta sama zmienność fenotypowa jest obserwowana u osób z mutacjami typu missense, nonsensownymi, przesunięcia ramki odczytu lub w miejscu splicingu genu LMX1B oraz że zakres i nasilenie objawów różni się zarówno w obrębie rodzin z zespołem paznokciowo-patellarnym, jak i między nimi.8
Patogenne mutacje typu missense w obrębie homeodomeny zmniejszają lub eliminują wiązanie DNA. Uważa się, że patogenne mutacje typu missense w obrębie domen LIM wpływają na strukturę drugorzędową palców cynkowych.10 Bongers i współpracownicy (2005) zasugerowali potencjalny mechanizm choroby polegający na efekcie dominująco-negatywnym na normalny produkt genu, ale nie zostało to potwierdzone w późniejszych badaniach.10
Struktura genu LMX1B i typy mutacji
Większość (~80%) patogennych wariantów genu LMX1B znajduje się w domenach LIM, a pozostałe w homedomenie.3 W zespole paznokciowo-patellarnym opisano ponad 130 różnych mutacji, głównie polegających na zmianie tylko jednego nukleotydu. Są one głównie rozmieszczone między eksonami 2 i 6. Opisano także serię częstszych mutacji, które razem stanowią 30% wszystkich mutacji. 12% mutacji powstaje de novo.11
U około 9% badanych rodzin nie wykryto żadnej zmiany w genie LMX1B w rutynowych badaniach przesiewowych.12 Pacjenci ci klinicznie nie różnili się od pacjentów z wykrytą zmianą w genie LMX1B. Hipoteza heterogenności genetycznej nigdy nie była badana w zespole paznokciowo-patellarnym. Biorąc pod uwagę dużą liczbę genów zaangażowanych w szlak sygnałowy WNT, potencjalne geny kandydujące są liczne. Istnieje również hipoteza o deregulacji LMX1B spowodowanej zmianą genomową w innym locus.12
Regulacja ekspresji genu LMX1B
Niedawno odkryto dwa konserwatywne moduły cis-regulatorowe związane z Lmx1b (LARM1 i LARM2), które są wiązane przez Lmx1b, wzmacniają ekspresję Lmx1b z unikalną modularnością przestrzenną w kończynie i są niezbędne do grzbietowości kończyn zależnej od Lmx1b.13 Zaobserwowano również dwie rodziny pacjentów z zespołem paznokciowo-patellarnym z prawidłową sekwencją kodującą LMX1B, ale z wariantami utraty funkcji w regionie LARM1/2, co podkreśla rolę modułów regulatorowych w patogenezie choroby.13
Patofizjologia narządowa w zespole paznokciowo-patellarnym
Zaburzenia rozwoju kończyn
Patofizjologia zespołu paznokciowo-patellarnego koncentruje się wokół roli białka LMX1B w rozwoju embrionalnym. LMX1B jest zaangażowany w kształtowanie wzorca grzbietowo-brzusznego kończyn i ma normalny gradient ekspresji od dystalnego do proksymalnego i od przedniego do tylnego. Ten wzorzec ekspresji prawdopodobnie wyjaśnia zajęcie paznokci i rzepki (będącej odpowiednikiem nasady) ze zmniejszającą się ciężkością objawów od przodu do tyłu, a także od dystalnego do proksymalnego.14
Wykazano również, że migracja aksonalna silnika z bocznych kolumn motorycznych staje się przypadkowa przy mutacjach w LMX1B.14 Brak rozwoju lub całkowita nieobecność paznokci wynika z mutacji utraty funkcji w genie LMX1B. Ta mutacja może powodować zmniejszenie sygnałów dorsalizujących, co następnie prowadzi do nieprawidłowego rozwoju struktur specyficznych dla strony grzbietowej, takich jak paznokcie i rzepki.15
U pacjentów z zespołem paznokciowo-patellarnym często występują hipoplastyczne i bocznie podwichnięte lub zwichnięte rzepki oraz ból przedniej części kolana. U tych pacjentów wcześniej opisano grube przegrody w kłykciach kości udowej. W literaturze etiologia i znaczenie tej przegrody nie są całkowicie jasne. Czynnik transkrypcyjny LMX1B, który jest dotknięty u pacjentów z zespołem paznokciowo-patellarnym, odgrywa ważną rolę we wczesnym rozwoju mezenchymalnym. Przetrwała przegroda może być wadą procesów apoptotycznych niezbędnych do odpowiedniego kształtowania przedniej jamy stawu kolanowego.16
Patofizjologia zaburzeń nerkowych
LMX1B odgrywa istotną rolę w embrionalnym rozwoju nerek, szczególnie w odniesieniu do podocytów i kłębuszków nerkowych. Wypustki podocytów mogą być złuszczone i wykazywać nieprawidłowe diafragmy szczelinowe, powodując rozszczepienie błony podstawnej kłębuszków oraz zmniejszenie fenestracji śródbłonka. Te mikroskopowe zmiany wyjaśniają, dlaczego pacjenci z zespołem paznokciowo-patellarnym mogą prezentować białkomocz z krwiomoczem lub bez niego.17
Mutacja LMX1B upośledza rozwój i funkcjonowanie podocytów oraz szczelin filtracyjnych kłębuszków, co jest silnie związane z mechanizmem uszkodzenia nerek.18 Badania na myszach z wyłączonym genem (knockout) w układzie homozygotycznym oraz testy in vitro wykazały, że białko LMX1B wyrażane w podocytach kłębuszków nerkowych pomaga kontrolować transkrypcję wielu genów integralnych dla właściwego tworzenia błony podstawnej kłębuszków i/lub różnicowania podocytów kłębuszków i ich funkcji podczas wczesnych etapów rozwoju nerek.7
Najpoważniejszym problemem, który może być śmiertelny w zespole paznokciowo-patellarnym, jest niewydolność nerek. Patofizjologia tego problemu wiąże się z defektem błony podstawnej kłębuszków. Pierwszym objawem zajęcia nerek jest najczęściej białkomocz, który może również występować z krwiomoczem. Białkomocz może być obecny od urodzenia lub później i może być również przerywany. Ciąża może powodować wystąpienie lub pogorszenie dysfunkcji nerek i może być związana ze stanem przedrzucawkowym.2
Zaburzenia oczne i układ nerwowy
Przednie struktury oka, w tym rogówka, siatka beleczkowa i głębokość przedniej komory, są pod wpływem LMX1B podczas rozwoju. To właśnie nieprawidłowa głębokość przedniej komory u pacjentów z zespołem paznokciowo-patellarnym jest najprawdopodobniej odpowiedzialna za jaskrę pierwotną z otwartym kątem przesączania, która jest najczęstszym i potencjalnie najpoważniejszym powikłaniem ocznym w tym zespole.14
Analizy mutacji LMX1B ujawniają rolę tego genu w rozwoju neuronów dopaminergicznych i serotoninergicznych śródmózgowia.18 Może to mieć związek z obserwowanymi u niektórych pacjentów objawami neurologicznymi, takimi jak depresja, zaburzenia lękowe i padaczka.19
Korelacje genotyp-fenotyp
W zespole paznokciowo-patellarnym występuje zmienność fenotypu zarówno między rodzinami, jak i w obrębie tej samej rodziny, nawet przy tym samym patogennym wariancie LMX1B. Z tego powodu trudno jest przewidzieć ciężkość choroby na podstawie genotypu.3 Jednak wydaje się, że u osób z chorobą nerek występuje więcej patogennych wariantów w homedomenie.3
Chociaż nie zaobserwowano wyraźnej korelacji genotyp-fenotyp dla objawów pozanerkowych, Bongers i współpracownicy zaobserwowali, że osoby z wariantami zlokalizowanymi w homedomenie (HD) miały znacznie większe zajęcie nerek, co sugeruje możliwość dominująco-negatywnych i/lub efektów związanych z nabyciem funkcji.9
Wykazano, że mutacje w homedomenie genu LMX1B wpływają na interakcje z PAX2, co rodzi pytanie o rolę tego ostatniego w zmienności fenotypowej zespołu paznokciowo-patellarnego, chociaż potrzebne byłyby dalsze badania, aby przetestować tę możliwość.4 Czynnik transkrypcyjny PAX2 był badany pod kątem jego interakcji z LMX1B, ponieważ oba białka są zaangażowane w rozwój nerek i oczu.4
Mutacje w homedomenie LMX1B w porównaniu z LIM-A lub LIM-B mogą być związane z białkomoczem. Jednak dalsze badania większej populacji pacjentów z zespołem paznokciowo-patellarnym (najlepiej sporadycznych) są potrzebne, aby ustalić, czy ta korelacja genotyp-fenotyp jest ważna poza dużymi rodowodami zespołu paznokciowo-patellarnego, które mogą jednocześnie segregować geny związane z nefropatią.20
Obecnie brak jest dowodów na korelację między obecnością i nasileniem anomalii nerkowych i pozanerkowych a genotypem LMX1B.21 Analiza mutacji LMX1B jest możliwa, również w diagnostyce prenatalnej, ale typ mutacji zwykle nie przewiduje ciężkości klinicznej.22
Mozaicyzm i nowe mutacje
W zespole paznokciowo-patellarnym zgłaszano mozaicyzm somatyczny i germinalny u nietkniętych rodziców.23 Istnieją dowody na mozaicyzm somatyczny, który występuje u nietkniętych rodziców pacjentów dotkniętych autosomalnie dominującymi zaburzeniami. Jest to stan, w którym niektóre komórki mają mutację genetyczną powodującą zespół, podczas gdy inne nie.5
Około 10% przypadków zespołu paznokciowo-patellarnego jest spowodowanych przez nowy patogenny wariant de novo.23 Około 20% przypadków jest sporadycznych, w wyniku nowej mutacji.24 W przypadkach, gdy żadne z rodziców nie ma zespołu paznokciowo-patellarnego, dziecko może nadal rozwinąć ten zespół z powodu losowych mutacji wpływających na gen sprawczy. Warunki mutacji genu są nadal badane przez naukowców genetycznych.25
Hipoteza heterogenności genetycznej
Niektórzy ludzie mają objawy przedmiotowe i podmiotowe zespołu paznokciowo-patellarnego bez zmian w genie LMX1B, ale jest to rzadkie. Naukowcy uważają, że inne geny mogą odgrywać rolę, i nadal szukają więcej wskazówek.26 Hipoteza heterogenności genetycznej nigdy nie była badana w zespole paznokciowo-patellarnym.12
Biorąc pod uwagę dużą liczbę genów zaangażowanych w szlak sygnałowy WNT, potencjalne geny kandydujące są liczne. Deregulacja LMX1B spowodowana zmianą genomową w innym locus mogłaby również być hipotezą.12 Ghiggeri i współpracownicy (1993) zasugerowali, że mutacje w genie COL5A1 mogą być zaangażowane w patogenezę zespołu paznokciowo-patellarnego.27
Podsumowanie mechanizmów patogenetycznych
Podsumowując, zespół paznokciowo-patellarny jest rezultatem heterozygotycznych mutacji utraty funkcji w genie kodującym czynnik transkrypcyjny LMX1B. Głównym mechanizmem patogenetycznym jest haploinsuficjencja, co zostało potwierdzone przez identyfikację całkowitych delecji genu LMX1B u pacjentów z tym zespołem. Mutacje wpływają na rozwój embrionalny wielu tkanek i narządów, w tym kończyn, nerek i oczu, co prowadzi do charakterystycznych objawów klinicznych.
Mimo że zespół paznokciowo-patellarny wykazuje autosomalnie dominujący wzorzec dziedziczenia z pełną penetracją genu, występuje duża zmienność ekspresji klinicznej, nawet w obrębie tej samej rodziny. Nie zaobserwowano wyraźnych korelacji genotyp-fenotyp, z wyjątkiem możliwego związku między mutacjami w homedomenie a zwiększonym ryzykiem zajęcia nerek. Zrozumienie molekularnych mechanizmów patogenezy zespołu paznokciowo-patellarnego jest kluczowe dla rozwoju ukierunkowanych terapii i lepszego zarządzania tą rzadką chorobą genetyczną.
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.