Zespół pradera-williego
Patofizjologia i mechanizm
Zespół Pradera-Williego (PWS) jest spowodowany brakiem ekspresji genów ojcowskich w regionie 15q11.2-q13, wynikającym z delecji chromosomowej (65-75% przypadków), matczynej disomii jednorodzicielskiej (20-30%) lub defektów centrum imprintingu (1-5%). Kluczową rolę w patogenezie odgrywa delecja klastra SNORD116, której skutkiem jest dysfunkcja podwzgórza prowadząca do hiperfagii, otyłości oraz zaburzeń endokrynologicznych, takich jak niedobór hormonu wzrostu (40-100% pacjentów), hipogonadyzm hipogonadotropowy, centralna niedoczynność tarczycy i niewydolność nadnerczy. Charakterystyczne jest podwyższenie poziomu greliny i leptyny, a także obniżenie BDNF, co wskazuje na złożone zaburzenia hormonalne i neuroendokrynologiczne. Mimo prób farmakologicznego obniżenia greliny, nie uzyskano poprawy w kontroli apetytu, co podkreśla złożoność mechanizmów regulujących hiperfagię w PWS.
- Patogeneza zespołu Pradera-Williego: podstawowe mechanizmy
- Dysfunkcja podwzgórza w patofizjologii PWS
- Mechanizmy hiperfagii i otyłości
- Zaburzenia hormonalne w regulacji apetytu
- Zaburzenia endokrynologiczne związane z dysfunkcją podwzgórza
- Rola genów SNORD116 w patogenezie PWS
- <a href="#rola-oksytocyny-w-patofizjologii-pws”>Rola oksytocyny w patofizjologii PWS
- Nowe kierunki badań w patogenezie PWS
- Rola innych genów i interakcje między loci
- Deficyt konwertazy prohormonów PC1
- Rola białka SMCHD1 w wyciszaniu genów
- Potencjalne terapie celujące w mechanizmy imprintingu
- Podsumowanie obecnego stanu wiedzy
Patogeneza zespołu Pradera-Williego: podstawowe mechanizmy
Zespół Pradera-Williego (PWS) jest złożonym zaburzeniem genetycznym, które wynika z braku ekspresji genów pochodzenia ojcowskiego w regionie chromosomu 15q11.2-q13. PWS był pierwszym ludzkim zaburzeniem, które przypisano imprintingowi genomowemu, co oznacza, że ekspresja genów zależy od rodzica przekazującego dany gen.12
Istnieją trzy główne mechanizmy genetyczne prowadzące do PWS:
- Delecja chromosomowa – odpowiada za około 65-75% przypadków PWS i polega na utracie fragmentu ojcowskiego chromosomu 15 w regionie 15q11.2-q1334
- Matczyna disomia jednorodzicielska (mUPD) – odpowiada za około 20-30% przypadków i polega na obecności dwóch kopii chromosomu 15 pochodzących od matki, przy braku kopii od ojca35
- Defekty centrum imprintingu – najrzadszy mechanizm (1-5% przypadków), obejmujący mutacje lub mikrodelecje w centrum kontrolującym imprinting, co prowadzi do inaktywacji genów45
Wszystkie te mechanizmy prowadzą do tego samego skutku – braku ekspresji genów pochodzenia ojcowskiego w regionie 15q11.2-q13. Z powodu zjawiska imprintingu genomowego, odpowiedniki tych genów na chromosomie pochodzącym od matki są wyciszone poprzez metylację DNA i inne modyfikacje epigenetyczne, co skutkuje całkowitym brakiem ich ekspresji u osoby dotkniętej zespołem.67
Kluczowe geny w patogenezie PWS
Region krytyczny dla PWS zawiera wiele genów podlegających imprintingowi, których brak ekspresji przyczynia się do złożonego fenotypu tego zespołu. Do najbardziej istotnych należą:
- Klaster SNORD116 (znany również jako HBII-85) – uważany za najważniejszy w patogenezie PWS. Liczne badania na ludziach i modelach mysich wykazały, że delecja 29 kopii tego klastra małych jądrowych RNA typu C/D box (snoRNA) jest główną przyczyną objawów zespołu738
- SNRPN – gen kodujący białko rybonukleoproteiny jądrowej małej (small nuclear ribonucleoprotein N)910
- NDN (necdin) – koduje białko jądrowe wyrażane wyłącznie w zróżnicowanym mózgu911
- MAGEL2 – gen, którego mutacje mogą również powodować objawy podobne do PWS12
- MKRN3 – gen kodujący białko z rodziny ring finger12
Szczególne znaczenie ma klaster SNORD116, którego delecja może odtwarzać wiele klinicznych cech PWS. Myszy z delecją Snord116 wykazują główne cechy zespołu, w tym niską masę urodzeniową, hiperfagię, otyłość i zaburzenia endokrynologiczne.136
Dysfunkcja podwzgórza w patofizjologii PWS
Centralne miejsce w patogenezie zespołu Pradera-Williego zajmuje dysfunkcja podwzgórza, która jest odpowiedzialna za wiele charakterystycznych objawów, w tym zaburzenia kontroli apetytu, nieprawidłowości endokrynologiczne i zaburzenia rytmu dobowego.1415
Mechanizmy hiperfagii i otyłości
Hiperfagia (nadmierne łaknienie) i wynikająca z niej otyłość są jednymi z najbardziej charakterystycznych cech PWS. Mechanizmy leżące u podstaw tych objawów są złożone i obejmują:
- Zaburzenia w szlakach limbiczno-podwzgórzowych kontrolujących sytość – prowadzą do uporczywego i nienasyconego apetytu, hiperfagii i zachowań związanych z jedzeniem w reakcji na głód14
- Zmiany strukturalne w mózgu – obserwuje się zmniejszoną liczbę neuronów oksytocynowych w podwzgórzu oraz zmniejszoną anizotropię frakcyjną włókien nerwowych, co może przyczyniać się do niekontrolowanej hiperfagii i braku uczucia sytości1617
- Zaburzenia w układzie nagrody – badania obrazowe wskazują na zwiększoną odpowiedź funkcjonalną podwzgórza na bodźce związane z jedzeniem, zaangażowanie ciała migdałowatego oraz zmniejszone sprzężenie prążkowia brzusznego ze strukturami limbicznymi odpowiedzialnymi za podstawową wewnętrzną homeostazę17
Zaburzenia hormonalne w regulacji apetytu
U osób z PWS obserwuje się zaburzenia w produkcji i działaniu hormonów regulujących apetyt i sytość. Najlepiej udokumentowane są:
- Podwyższony poziom greliny – grelina jest hormonem oreksygenicznym (stymulującym apetyt), wydzielanym przez żołądek podczas głodzenia. U pacjentów z PWS poziom greliny jest trwale podwyższony nawet po spożyciu posiłku, co może powodować opóźnienie uczucia sytości i prowadzić do hiperfagii141514
- Zaburzenia w poziomie leptyny – u pacjentów z PWS obserwuje się podwyższony poziom leptyny, hormonu anoreksygenicznego (hamującego apetyt), co sugeruje oporność na jego działanie16
- Obniżony poziom czynnika neurotroficznego pochodzenia mózgowego (BDNF) – niższe stężenie tego hormonu w krążeniu u pacjentów z PWS w porównaniu do osób z prostą otyłością może mieć związek przyczynowo-skutkowy z hiperfagią związaną z PWS16
Co ciekawe, pomimo prób farmakologicznego obniżenia poziomu greliny u pacjentów z PWS, nie zaobserwowano poprawy w zachowaniach związanych z jedzeniem ani redukcji apetytu, co sugeruje, że rola greliny w hiperfagii u tych pacjentów pozostaje do wyjaśnienia.1417
Zaburzenia endokrynologiczne związane z dysfunkcją podwzgórza
Dysfunkcja podwzgórza w PWS prowadzi do licznych zaburzeń endokrynologicznych, które przyczyniają się do fenotypu otyłości i innych problemów metabolicznych:
- Niedobór hormonu wzrostu (GHD) – występuje u 40-100% pacjentów z PWS i jest związany ze zmniejszoną masą mięśniową, zwiększoną masą tłuszczową, słabym napięciem mięśniowym i siłą, zmniejszoną aktywnością fizyczną oraz obniżonym wydatkiem energetycznym1418
- Hipogonadyzm hipogonadotropowy – spowodowany defektem w osi podwzgórze-przysadka lub niewydolnością gonad181
- Centralna niedoczynność tarczycy – wynikająca z dysfunkcji podwzgórza18
- Centralna niewydolność nadnerczy – wynikająca z nieprawidłowego wydzielania hormonu uwalniającego kortykotropinę przez podwzgórze18
Interesującą cechą PWS jest względna hipoinsulinemia i niska insulinooporność pomimo ciężkiej otyłości, co odróżnia otyłość w tym zespole od innych form otyłości. Nadmierna masa tłuszczowa u osób z PWS jest typowo rozmieszczona w tułowiu i proksymalnych częściach kończyn, z niższym stosunkiem tłuszczu tułowia do kończyn oraz przewagą tłuszczu podskórnego nad trzewnym.1416
Rola genów SNORD116 w patogenezie PWS
Coraz więcej dowodów wskazuje na kluczową rolę klastra genów SNORD116 w patogenezie zespołu Pradera-Williego. Wykazano, że selektywne zaburzenie ekspresji Snord116 w podwzgórzu przyśrodkowo-podstawnym odwzorowuje hiperfagię charakterystyczną dla PWS.17
Badania na modelach mysich pozbawionych Snord116 wykazały, że prowadzi to do zaburzeń równowagi w systemach neuromodulacyjnych podwzgórza, powodując nieprawidłowe zachowania związane z przyjmowaniem pokarmu oraz problemy ze snem.1619
SNORD116 należy do rodziny małych jądrowych RNA organizujących (snoRNA), które uczestniczą w przetwarzaniu innych cząsteczek RNA. Dokładny mechanizm, w jaki brak ekspresji SNORD116 przyczynia się do rozwoju PWS, nie jest w pełni poznany, ale ostatnie badania sugerują, że może to wpływać na ekspresję wielu genów zaangażowanych w kontrolę metabolizmu i rytmów dobowych.2013
Wpływ na rytmy dobowe
Interesującym aspektem patogenezy PWS jest wpływ na regulację rytmów dobowych. Badania sugerują, że SNORD116 może być zaangażowany w regulację zegara biologicznego, co może wyjaśniać zaburzenia snu i czuwania obserwowane u pacjentów z PWS.13
Ponadto, badania wstępne wskazują na powiązanie między homeostazą lipidów u pacjentów z PWS a ich zaburzeniami dobowymi. Trójwymiarowe modelowanie starożytnych wariantów genu PWS, a mianowicie NPAP1, przewiduje, że struktura jego białka jest determinantem dla zmienionych dynamik w akumulacji lipidów i homeostazy dobowej.2122
Te odkrycia mogą dostarczyć nowych mechanistycznych wglądów w epigenetyczne wpływy na rytmy dobowe i wyjaśnić, jak zmiany w regulacji rytmu dobowego przyczyniają się do objawów PWS, w tym zaburzeń snu, hiperfagii i dysfunkcji metaboliczno-endokrynologicznej.13
oksytocyny-w-patofizjologii-pws”>Rola oksytocyny w patofizjologii PWS
Ostatnie badania wskazują na zaangażowanie oksytocyny (Oxt) w etiologię zespołu Pradera-Williego. Oksytocyna jest hormonem neuroprzekaźnikowym, który odgrywa ważną rolę w regulacji metabolizmu energetycznego i termoregulacji.23
U dzieci z PWS często obserwuje się nieprawidłowości w układzie oksytocynowym. Hipoteza, że hiperfagia może być spowodowana upośledzeniem anorektycznego obwodu oksytocynowego, pojawiła się w trakcie badań, chociaż dokładna ilościowa ocena ekspresji oksytocyny u myszy modelowych nie została jednoznacznie ustalona.23
Dysfunkcyjny system oksytocynowy u osób z PWS może wykraczać poza poziom ekspresji Oxt/Oxtr i wpływać na ogólną aktywność neuronów oksytocynowych poprzez zaburzenie równowagi między pobudzeniem a hamowaniem synaptycznym, co obserwowano w neuronach oksytocynowych, w których inaktywowano gen MAGEL2.23
Oksytocyna jest głównym genem w regulacji termogenezy. Fenotyp osób z PWS wykazujących mniej receptorów oksytocynowych (Oxtr) w mózgu i wysoki poziom krążącej oksytocyny jest lustrzanym odbiciem myszy poddanych stresowi zimna w modelu wyzwania termogenicznego.23
Nowe kierunki badań w patogenezie PWS
Badania nad patogenezą zespołu Pradera-Williego nieustannie ewoluują, otwierając nowe perspektywy terapeutyczne. Oto niektóre z najnowszych kierunków badań:
Rola innych genów i interakcje między loci
Ostatnie badania z wykorzystaniem indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPSC) pochodzących od pacjentów z PWS wykazały zwiększoną regulację genów maternalnie ekspresjonowanych w imprintowanym locus DLK1-DIO3 na chromosomie 14 z powodu niedoboru ojcowskiego allelu IPW, długiego niekodującego RNA w locus 15q11-q13, które działa jako regulator regionu DLK1-DIO3. Wskazuje to, że część fenotypu PWS może wynikać z dysregulacji imprintowanego locus odrębnego od krytycznego regionu PWS na 15q11-q13.12
Deficyt konwertazy prohormonów PC1
Badania wykazały, że poziomy białka i transkryptu nescient helix loop helix 2 (NHLH2) oraz konwertazy prohormonów PC1 (kodowanej przez PCSK1) były zmniejszone w neuronach pochodzących z indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPSC) pacjentów z PWS. Sugeruje to, że główne cechy neuroendokrynologiczne PWS mogą być spowodowane niedoborem PC1.24
Deficyt PC1 stanowi intrygujący potencjalny mechanizm łączący wiele różnorodnych fenotypów obserwowanych w PWS. Jednakże, jak zauważają badacze, przedwczesne byłoby stwierdzenie, że deficyt PC1 jest jedynym wyjaśnieniem cech neuroendokrynologicznych PWS.24
Rola białka SMCHD1 w wyciszaniu genów
Niedawne badania na myszach wykazały, że białko matczyne SMCHD1 zapewnia imprinting genomowy i skuteczne wyciszanie określonych genów, chroniąc je przed białkami „aktywującymi geny” w zapłodnionej komórce jajowej. Ponieważ efekty wyciszania genów przez SMCHD1 są znane jako czynniki przyczyniające się do zespołu Pradera-Williego, odkrycia te mogą pomóc w identyfikacji nowych celów i podejść terapeutycznych dla PWS.25
Dalsze analizy sugerują, że SMCHD1 zapewnia, że specyficzne epigenetyczne znaczniki w histonach skutecznie prowadzą do wyciszenia genów, „zapobiegając działaniu… aktywatorów epigenetycznych poprzez mechanizm izolacyjny [ochronny]”. Badanie SMCHD1 we wczesnych zarodkach ujawniło nowe geny docelowe, które to białko wycisza, co może wyjaśnić, w jaki sposób zmiany w aktywności SMCHD1 przyczyniają się do chorób.25
Potencjalne terapie celujące w mechanizmy imprintingu
Badacze z Duke Health zidentyfikowali małą cząsteczkę podobną do leku, która w eksperymentach na zwierzętach wydaje się być skutecznym leczeniem zespołu Pradera-Williego. Skupili się na znalezieniu sposobu aktywacji wyciszonego genu z chromosomu matki w celu odzyskania niezbędnej funkcji genu, którą normalnie pełniłby gen ojca.26
Klasa małych cząsteczek znanych jako inhibitory G9a okazała się skuteczna zarówno w mysim modelu zespołu Pradera-Williego, jak i w ludzkich komórkach pacjentów z tym zaburzeniem. G9a jest enzymem ważnym dla regulacji genów. Odkrycia sugerują, że inhibitory G9a mogą odgrywać rolę w regulacji wyciszania chromosomów rodzicielskich w określonych genach, które wymagają procesu imprintingu dla normalnego funkcjonowania.26
Innym obiecującym podejściem terapeutycznym jest Vykat XR, preparat soli krystalicznej, diazoksydu choliny, który blokuje kanały potasowe w podwzgórzu i hamuje hormony stymulujące apetyt. Choć dokładny mechanizm powodujący hiperfagię w PWS jest nieznany, prawdopodobnie jest związany z nieprawidłowościami w rozwoju i funkcji podwzgórza.27
Podsumowanie obecnego stanu wiedzy
Patogeneza zespołu Pradera-Williego jest niezwykle złożona i obejmuje interakcje między czynnikami genetycznymi, epigenetycznymi i neuroendokrynologicznymi. Chociaż poczyniono znaczące postępy w zrozumieniu i charakteryzacji zmian genetycznych związanych z PWS, dokładny mechanizm, w jaki brak funkcjonalnego materiału genetycznego w regionie 15q11.2-q13 prowadzi do objawów związanych z PWS, nie jest w pełni poznany.2829
Naukowcy aktywnie badają normalną rolę sekwencji genetycznych w regionie PWS i to, jak ich utrata wpływa na podwzgórze i inne układy w organizmie. Coraz więcej dowodów wskazuje na kluczową rolę klastra genów SNORD116 w patogenezie tego zespołu, a dysfunkcja podwzgórza jest uważana za główny czynnik prowadzący do wielu objawów PWS, w tym hiperfagii, otyłości i zaburzeń endokrynologicznych.2815
Złożona dysregulacja podwzgórza jest obecnie uważana za odpowiedzialną za fenotyp PWS. Zmienione struktury mózgowe, w tym niedobór neuronów oksytocynowych w podwzgórzu i zmniejszona anizotropia frakcyjna włókien neuronowych, zostały powiązane z niekontrolowaną hiperfagią i brakiem sytości.1617
Lepsze zrozumienie patofizjologii PWS otwiera nowe możliwości leczenia tego złożonego zaburzenia. Badania nad epigenetycznymi mechanizmami reaktywacji genów maternalnych w regionie 15q11.2-q13, jak również terapie celujące w szlaki podwzgórzowe i hormony regulujące apetyt, mogą prowadzić do opracowania skutecznych interwencji poprawiających wyniki leczenia u osób dotkniętych tym zespołem.3026
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.