Genotípus-fenotípus korreláció, avagy a tünettan és a Duchenne / Becker féle izomsorvadást (DMD/BMD) okozó genetikai eltérések összefüggései

A DMD/BMD betegségeket a disztrofin gén kóros eltérése okozza, ami a génről képződő fehérje szerkezetét károsítja, funkcióját vagy mennyiségét csökkenti. Ha a génben olyan nagymértékű vagy jelentős változás következik be, ami a működőképes fehérje mennyiségét nagyon lecsökkenti, akkor a súlyosabb tünettanú DMD, ha a fehérje mennyiségét csak kismértékben csökkenti, akkor az enyhébb tünettanú BMD alakul ki a betegben.

Ahhoz, hogy ezeket az összefüggéseket megértsük, érdemes a betegség kialakulásában alapvető szereplőket és folyamatokat áttekinteni. A gén a sejt számára a génről képződő fehérje leírása, ami alapján a sejt tudja, hogy milyen funkciót betöltő fehérjét kell pontosan képeznie. A disztrofin egy nagy méretű gén. A gén a örökítőanyag azon rövid szakasza, amely egy funkciót ellátó egységet, vagyis fehérjét kódol. A génről a fehérje két fő lépésben képződik, méghozzá úgy, hogy a gén információtartalmát egy köztes képződményre, úgynevezett RNS-re fordítja át egy összetett sejten belüli fordítóegység. Az RNS-ről egy másik összetett egység képezi a fehérjét. Ezt a két lépést úgy kell elképzelnünk, mintha egy szöveges leírásból kellene ruhát készítenünk, vagyis a szöveges utasítás alapján szabásmintát, majd a ruha darabjait készítjük el, melyek együttesen – ha meg van minden darab és azok jó méretűek és alakúak is – akkor egy megfelelő, használható ruhadarabot kapunk. Ha a leírás (vagyis a gén) valamilyen hibát tartalmaz, akkor a szabásminta (RNS) és a fehérje (a ruha adott darabja) sem lesz megfelelő és a ruha teljesen hordhatatlan vagy hordható, de kényelmetlen lesz. Attól függ tehát, hogy milyen lesz a ruha (a fehérje), hogy a leírásban (génben) hol, mekkora és milyen súlyos hiba szerepel. Ha tehát a teljes szöveg (gén) hibás, akkor nyilván nagyobb lesz az abból eredő hiba (sokkal kevesebb vagy rossz funkciójú fehérje képződik), ha enyhébb, akkor kevésbé lesz súlyos a következmény.

A disztrofin gén összesen 79 exonból áll, melyeket 78 intron választ el egymástól. Az exonok a gén azon szakaszai, melyek a fehérjébe ténylegesen belekerülnek, köztük az intronok olyan szünetek melyek nem kerülnek a fehérjébe, szerepük kevésbé ismert, de eltéréseik bizonyos esetekben befolyásolhatják a képződő fehérje szerkezetét. Az intronokat érintő, betegségokozó génvariációk sokkal ritkábbak, vizsgálatuk a szokványos genetikai vizsgálómódszerekkel csak nagyon korlátozott mértékben lehetséges.

A disztrofin génről képződő fehérjének – más fehérjékhez hasonlóan – az egyik vége az ún. N-terminális, a másik az ún. C-terminális, melyek más-más funkciót látnak el.

Az idő előrehaladtával egyre több géneltérésről ismert, hogy várhatóan milyen mértékben csökkenti a róla képződő disztrofin fehérje termelődését, tehát milyen súlyos tüneteket, DMD-t vagy BMD-t okoz. Ez az ismeret annak köszönhető, hogy az elmúlt években a genetikai vizsgálómódszerek fejlődésével egyre több DMD-s vagy BMD-s tünettanú betegnél sikerült a tüneteket okozó pontos géneltérést azonosítani. Ebből adódik, hogy a gyakoribb, úgymond típusosabb disztrofin géneltérésekről sokkal több és megbízhatóbb tapasztalati ismeret áll rendelkezésre, mint a ritka variációkról.

További nehezítő körülmény, hogy az adott géneltérés okozta tüneteket számos környezeti és egyéb genetikai tényező is befolyásolhatja, így akár egy teljesen azonos disztrofin géneltéréssel rendelkező egypetéjű ikerpár esetében sem lesz feltétlenül azonos a DMD/BMD lefolyása. Mivel az ember környezete és genetikai állománya egyaránt rendkívül összetett, szinte képtelenség minden tényezőt ismerni és az egyes eltérések külön-külön vagy együttesen várható hatását megbecsülni. Csak hogy el tudjuk képzelni a helyzet bonyolultságát, jelenleg kb. 22.000 gén ismert, és ezeken kívül nagyságrendekkel több a még alig ismert géneket szabályozó régiók száma, melyek egymásra hálózatszerűen hatnak és szerteágazó kapcsolataik alig ismertek. Ugyancsak számos környezeti tényező hat ránk életünk során, melyek szerepének megismerése, a hosszú és rövidtávú hatások sokfélesége miatt szinte lehetetlen.

A fenti korlátozó tényezőket figyelembe véve az alábbiakban a jelenleg viszonylag már körvonalazódott ismereteket tárgyaljuk.

Régebb óta ismert az az általános megfigyelés, hogy a génben nagyobb vagy a fehérje szempontjából kulcsfontosságú helyen bekövetkező eltérés súlyosabb tünetekkel, DMD-vel társul, míg a kisebb méretű vagy a fehérje működése szempontjából kevésbé fontos helyet érintő géneltérések enyhébb, BMD-hez társuló tüneteket okoznak. Súlyosabb, DMD-t okozó eltérésnek felel meg a disztrofin gén ún. „out of frame” (vagyis leolvasási kereteltolódást okozó) mutációk. Enyhébbek a leolvasási keretet el nem toló (ún. „in frame”) eltérések, melyek BMD-nek megfelelő tüneteket eredményeznek. A leolvasási keretet úgy kell elképzelni, mint a szövegben a szóközöket, mivel a génről történő információátírás is alegységenként történik, vagyis a bevezetőben használt példánál maradva szavanként. Ha a génben olyan eltérés következik be, ami a szóközöket eltolja, akkor a teljes hibát követő szöveg értelmetlenné válik, ezért súlyosabbak a következményei. Vannak olyan géneltérések is, melyek nem változtatják meg a leolvasási keretet, vagyis a hibát követő egységek nem változnak meg, így a hiba utáni részek a génről zavartalanul tudnak átíródni. Ezektől az általánosan érvényes szabályoktól szinte minden esetben lehetnek kivételek, melyeket az alábbiakban a megfelelő helyen ismertetünk.

Az eddigi ismereteket egy nagyobb kanadai DMD-s és BMD-s betegcsoport adatait feldolgozó szakirodalmi közlemény alapján vesszük végig, mely saját kutatási eredményeit az addigi szakirodalmi ismeretek alapján elemezte (Lim és Nguyen és mtsuk, 2020). A közlemény szerzői a kanadai Neuromuszkuláris Betegség Regiszter 2012-2019 közötti betegadatait dolgozták fel, mely összesen 342 DMD-s és 60 BMD-s beteg adatait tartalmazta. Az összesen 402 beteg genetikai eltérésének jelentős része, 71%-a gén valamely nagyobb szakaszának hiánya (ún. deléciója) volt. Második leggyakoribb eltérések a kis méretű mutációk voltak (17%), ezt a rövid szakaszok hiányai (10%), végül a tünetileg DMD-s és BMD-s, de a szokványos genetikai vizsgálómódszerekkel nem kimutatható eltérések esetei követték (2%). A deléciók nagy része két génterületre csoportosult, ezek az úgynevezett mutációs „hot spot”-ok (vagyis forrópontok), amik alatt a gyakran érintett génterületeket értjük. Az egyik ilyen gyakran érintett hely a disztrofin gén 3-20-as, a másik a 45-55-ös exonjai közötti. Ezen két mutációs forrópont a disztrofin gén szakaszhiányainak a jelentős részét, 86%-át képezi.

A disztrofin fehérje C-terminális doménjén (működési egységén) lévő mutációk enyhébb tünetekkel, vagyis későbbi kerekesszék használattal és jobb légzőfunkcióval társulnak.

A génről szövetenként különböző fehérje formák, ún. izoformák képződnek. Ezek közül a 71-es és 116-os izoformák mutációi ugyancsak enyhébb tünetekkel társulnak, a 140-es izoforma egyértelműen nem okoz jelentős szívizomérintettséget.

A fenti betegcsoport genetikai eltéréseinek 12,3%-ában volt alkalmazható a mutáció típusa alapján az 51-es, és a betegek 7%-ában az 53-as exont áthidalni képes, elterjedt, célzott terápia.

A leolvasási keretet érintő általános szabály a DMD-s betegek 87%-ánál és a BMD-s betegek 84%-ánál volt alkalmazható, a maradék 13%-ban és 16%-ban a szabálynak ellentmondóan a leolvasási kereteltolódást nem okozó deléciók DMD-t, a kereteltolódást okozó hiányok BMD-t okoznak. A leolvasási kereteltolódással nem járó delécióknál a hiány helye és mérete a meghatározó a tünettan súlyossága szempontjából, vagyis a súlyosabb DMD-s tünettan akkor várható, ha az ilyen leolvasási kereteltolódást nem okozó hiányok a fehérje egyéb molekulákat kötő működési egységeit érintik, melyek a fehérje N-végén halmozódnak.

A fehérje úgynevezett pálca részét kódoló, 45-ös exont követő génszakaszát érintő, kereteltolódást nem okozó hiányai - melyek nem kódolnak semmilyen egyéb fehérjét kötő működési egységet - leginkább BMD-t okoznak. Ugyanakkor az, hogy hány fehérjekötő domént érint a deléció, nem minden esetben magyarázza az ilyen kereteltolódást nem okozó hiányok tüneteinek súlyosságát.

A 13-as exontól kezdődő, kereteltolódást nem okozó hiányok közül a 13-tól 44-ig, és a 13-tól 53-ig terjedő hiányok BMD-t, míg a 13-tól 47-ig terjedő deléciók DMD-t eredményeznek annak ellenére, hogy mindhárom hiány azonos fehérjekötő doméneket érint a képződő disztrofin fehérjén. Lehetséges, hogy ezen eltérések olyan, eddig még ismeretlen doméneket értintenek, melyek másképp befolyásolják a várható tünettant. Ezen domének megismerése a jövőben segítheti a leolvasási kereteltolódásra vonatkozó általános szabálytól eltérő esetek megértését. Ehhez az idővel egyre növekvő betegszámból eredő ismeretek bővülése és a sejtett összefüggések kísérleti bizonyítása fog vezetni. Ezen eltérések ismerete nem csak a megértést, de a terápiás lehetőségek fejlődését is segíti.

A fehérje pálca szerkezeti részét érintő, kereteltolódással nem járó deléciói esetében az is kulcskérdés, hogy azok károsítják-e vagy sem ezt a botszerű szerkezetet. Ha ez az egyébként fontos struktúra jelentősen nem változik, akkor értelemszerűen enyhébb, BMD-s tünetek várhatók.

Összességében tehát a várható tünettan szempontjából meghatározó, hogy a génhiány okoz-e vagy sem leolvasási kereteltolódást, mely szerkezeti egységet érinti és miként befolyásolja a disztrofin fehérje szerkezetét és funkcióját. Néhány esetben azonban ez sem magyarázza meg, hogy hasonló eltéréssel rendelkező betegeknél miért alakul ki különböző súlyosságú betegség (például az alábbi exondeléciók esetében: 45–47, 45–49, 48, 48–49, 49–51). Ezekben az esetekben egyéb genetikai és környezeti módosító tényezők, spontán exon „átugró/áthidaló” (ún. skipping) események okozhatják a disztrofin géneltérés változatos kifejeződését.

Nem csak a leolvasási kereteltolódást nem okozó, mégis DMD-hez vezető eltérések között vannak gyakrabban kivételt képező, ismert deléciók, hanem a leolvasási kereteltolódást okozó, mégis enyhe BMD-s exonhiányok között is (pl.: 3–6, 3–7, 3–21, 7–8, 42–43, 43-as exonok deléciói). Utóbbiak hátterében két mechanizmus feltételezett. Az egyik a génről képződő RNS ún. alternatív átíródása (transzlációja) fehérjévé, ami azt jelenti, hogy a disztrofin génen nem csak egy olyan terület van, amely a róla képződő RNS-en a fehérje átíródás startpontjául szolgálhat. Ezt úgy kell elképzelni a kezdeti szabásminta-ruhavarrás példánál maradva, hogy a szöveges leírás alapján nem csak akkor készíthetünk használható ruhadarabot, ha a leírást teljesen a szöveg elejétől kezdjük értelmezni. A szövegben ugyanis több olyan hely van, melyektől értelmezve a leírást kevésbé pontos, de ugyancsak használható utasításokat kapunk. Ilyen alternatív átírási startpont lehet egy kutatás alapján a 8-as exon kezdeti részében. Ez magyarázhatja azt a megfigyelést, mely szerint a 3-7-es exonok közötti hiányok általában BMD-t vagy enyhébb DMD-t okoznak. A másik mechanizmus a spontán exonátugrás, mely egy leolvasási kereteltolódást okozó delécióból kereteltolódást nem okozó deléciót tud képezni. Ilyen ismert módostó hatás a 44-es exon átugrása, mely akkor következik be, ha az őt határoló exonok hiányoznak. A 44-es exont áthidaló deléciók általában nagyobb mennyiségű, a mutáció következtében rövidebb disztrofin fehérjét eredményeznek, így enyhébb DMD-s tünetekkel, hosszabb ideig fennmaradó járóképességgel társulnak. Az ilyen deléciók úgy vezethetnek exonátugráshoz, ha az exon-intron szakaszok határán lévő hasítási helyeket megváltoztatják azáltal, hogy az ilyen vágási helyeket működtető vagy gátló génszakaszokat hoznak létre. Korábbi tanulmányok azt mutatják, hogy az ilyen exonáthidaló disztrofin rúddomén mutációk némelyike DMD-ben hosszabb ideig fennmaradó járóképességgel társul. A tünetek várható súlyosságának megítélését a jövőben várhatóan segíteni fogja, ha jobban tisztázódik ezen rúddoménen belül a különböző alrégiók funkcióban betöltött szerepe.

A disztrofin fehérje C-végéhez közeli doménje ismerten kulcsfontosságú annak izomrost membránhoz (a rostot határoló burokhoz) való kötődésében, ezáltal a fehérje megfelelő funkciójában. Ezzel ellentétben meglepő módon több kutatási eredmény is egybehangzóan azt mutatja, hogy ezen régió eltérései a várthoz képest az esetek többségében mégsem járnak súlyos DMD-s tünetekkel, kevésbé romlik a betegek légzésfunkciója. A korábban említett 71-es és 116-os fehérje izoforma mozgásfunkcióra gyakorolt hatása is hasonlóan meglepő megfigyeléssel társul, mivel ezen fehérjevariációk normál esetben nem, vagy csak alig fejeződnek ki (nem képződnek) a vázizomzatban, eltéréseik mégis enyhébb DMD-s tüneteket okoznak. A 140-es fehérje izoforma mutációi több vizsgálati eredmény alapján egyértelműen nem társulnak jelentős szívizom érintettséggel (ún. kardiomiopátiával). A szívizom érintettség és a különböző disztrofin géneltérések kapcsolata közül ismert továbbá, hogy a fehérje N-végét (vagyis képződésének elejét) érintő mutációk általában súlyosabb szívizomérintettséghez vezetnek, mint a C-vég eltérései.

Az évek múlásával a tudomány fejlődik és az ismeretek várhatóan bővülnek, így egyre többet fogunk tudni a különböző disztrofin géneltérések tünettannal való összefüggéséről.

Lim KRQ és Nguyen Q, Yokota T. (2020) Genotype–Phenotype Correlations in Duchenne and Becker Muscular Dystrophy Patients from the Canadian Neuromuscular Disease Registry. J Pers Med; 10: 241. https://doi.org/10.3390/jpm10040241

A DMD tüneteit módosító egyéb genetikai tényezők

Egy kutatócsoport több korábbi összefoglaló közlemény elemzése alapján határozta meg a DMD-tünettanát ezidáig ismerten módosító egyéb gének szerepét (Pascual-Morena és mtsai, 2021). Ezen gének az ún. béta-transzformáló növekedési faktor (TGFβ) jelátviteli útban töltenek be különböző szerepet. A szervezet minden sejtjében rengeteg jelátviteli útvonal ismert, melyeket úgy kell elképzelnünk, mint egy adott információ sejten belül A-pontból B-pontba történő eljutását számos, hálózatszerűen egymásra ható molekulán keresztül. Egyik ilyen a TGFβ jelátviteli útvonal, melynek résztvevői közül az alábbiak szerepe vesz részt bizonyítottan a DMD tünettanának módosításában: LTBP4 (látens transzformáló növekedési faktor béta kötőfehérje 4), SPP1 (szekretált foszfoprotein 1).

A szervezetben kulcsfontosságú, alapvetően szükséges TGFβ jelátviteli útvonal számos funkciója közül a DMD szempontjából az izomsejtek gyulladás okozta károsítása és regenrációjának gátlása jelentős. A TGFβ jelátviteli útvonal DMD-tünetmódosító hatása akkor következik be, ha a jelátviteli útvonal fenti két meghatározó szereplőjének bizonyos genetikai eltérései a jelátviteli útvonal működésének megváltozásához vezetnek. Normál esetben a TGFβ egy meghatározott „intenzitással” működik, túl- és alulműködését számos, szervezetbe „beépített” védő tényező akadályozza meg. A TGFβ DMD-ben „megengedi” az izomrostokba a gyulladásos sejtek beáramlását és gátolja a gyulladás okozta sejtregenerációt/-helyreállást, helyette izomfunkcióra képtelen kötőszövetes átépülést indukál. Az LTBP4 normál esetben a TGFβ-ra mérsékelt gátló hatással bír, mint egy túlnyomás szabályzó, ami felelős a rendszer közel állandó mértékű működéséért. Amennyiben tehát az LTBP4 génben olyan változás következik be, ami erősebben csökkenti a TGFβ működését, az a DMD szempontjából előnyös, ennek ellentéte (vagyis az LTBP4 funkciócsökkenését okozó génvariáció) hátrányos. Ezidáig ismert LTBP4 tünetmódosító eltérések, melyek a DMD tüneteit enyhítik, azok a gén mindkét alléljének (példányának) az ún. V194I, T787A, T820A, és T1140M variánsai. Az LTBP4 fenti előnyös génvariánsai bizonyítottan a járóképesség hosszabb ideig történő megőrzését segítik.

Az SPP1 az LTBP4-gyel ellentétben fokozza a TGFβ termelődését és hatását, vagyis a DMD szempontjából az SPP1 olyan eltérései előnyösek, melyek csökkentik annak TGFβ-át potencírozó hatását, az SPP1 hatását fokozó génvariánsai a DMD szempontjából tehát hátrányosak. Eddig az SPP1 ismert tünetmódosító hatással rendelkező eltérése az rs28357094 variánsa, mely korábbi járóképesség-vesztéssel társulhat, mivel a DMD-s betegek kezelésében alapvető, gyulladáscsökkentő glükokortikoid gyógyszerrel szemben részleges hatékonyságcsökkenést okoz

Kiemelendő, hogy a TGFβ jelátviteli útvonal önmagában DMD-ben (és BMD-ben is) a szervezet normál válaszreakciója, melynek alulműködése egészségesekben káros lenne, a DMD-s és BMD-s betegek esetében azonban előnyös, ezért képezi az ilyen betegek kezelésének alapját a gyulladás- (és annak részét képező TGFβ jelátviteli útvonal működését) csökkentő glükokortikoid alkalmazása.

A fenti korlátozott ismeretek bővítéséhez, más egyéb előnyös és hátrányos DMD tünetmódosító géneltérések, egyéb gének szerepének megismeréséhez további kutatások szükségesek a jövőben.

Pascual-Morena C, Cavero-Redondo I, Saz-Lara A, Sequí-Domínguez I, Lucerón-Lucas-Torres M, Martínez-Vizcaíno V. Genetic Modifiers and Phenotype of Duchenne Muscular Dystrophy: A Systematic Review and Meta-Analysis. 2021; 14: 798. https://doi.org/10.3390/ph14080798

Készítette: dr. Pinti Éva