#PAGE_PARAMS# #ADS_HEAD_SCRIPTS# #MICRODATA#

Dědičné poruchy glykosylace: alfa-dystroglykanopatie


Congenital disorders of glycosylation: alpha-dystroglycanopathies

Alpha-dystroglycanopathies are rare inherited diseases that belong to the group of congenital disorders of glycosylation, and due to their clinical symptoms they also fall into the category of hereditary muscular dystrophies. They are caused by deficient glycosylation of alpha-dystroglycan’s mucin domain, resulting in reduced affinity of this protein to the laminin G-domain of extracellular matrix ligands. Alpha-dystroglycan is most represented in muscles, but it is also expressed in nerve cells, eyes, epithelium and other organs and tissues. The most common forms of alpha-dystroglycanopathies manifest with muscular dystrophy, ocular malformations and defects of central nervous system. To this date, mutations in about 20 different genes have been described to cause alpha-dystroglycanopaties.

Keywords:
alpha-dystroglycan, alpha-dystroglycanopathy, congenital disorders of glycosylation.


Autoři: L. Zdražilová;  N. Ondrušková;  T. Honzík;  H. Hansíková
Působiště autorů: Laboratoř pro studium mitochondriálních poruch, Klinika dětského a dorostového lékařství, 1. lékařská ;  fakulta Univerzity Karlovy a Všeobecná fakultní nemocnice v Praze, Ke Karlovu 2, Praha 2, 128 Česká republika 08
Vyšlo v časopise: Klin. Biochem. Metab., 25, 2017, No. 3, p. 96-100

Souhrn

Alfa-dystroglykanopatie jsou vzácná dědičná onemocnění patřící do skupiny dědičných poruch glykosylace a díky svým klinickým příznakům spadají i do skupiny kongenitálních svalových dystrofií. Jsou způsobeny deficity v glykosylaci mucinové domény proteinu alfa-dystroglykanu, což má za následek snížení afinity tohoto proteinu k lamininové G-doméně ligandů extracelulárního matrixu. Alfa-dystroglykan je nejvíce zastoupen ve svalech, ale vyskytuje se i v nervových buňkách, očích, epitheliích a dalších orgánech a tkáních. Nejčastějšími klinickými příznaky alfa-dystroglykanopatií jsou svalová dystrofie, porucha centrální nervové soustavy a periferního nervstva a oční malformace. V dnešní době je známo okolo 20 genů, jejichž mutace vedou k těmto onemocněním.

Klíčová slova:
alfa-dystroglykan, alfa-dystroglykanopatie, dědičné poruchy glykosylace.


Dědičné poruchy glykosylace (CDG, z anglického “Congenital disorders of glycosylation”) jsou vzácná dědičná většinou autosomálně recesivní onemocnění, která jsou způsobena poruchami téměř všech kroků glykosylační dráhy od biosyntézy glykosylačních substrátů až po proteinový transport v Golgiho aparátu. V dnešní době je známo přes 100 genů [1], jejichž mutace vedou k těmto onemocněním a tento seznam nadále roste. Vzhledem k široké distribuci glykoproteinů a glykolipidů v lidském organismu je i spektrum klinických příznaků široké a zahrnuje poruchy téměř všech tkání a orgánů. Tato onemocnění jsou dále rozdělena do menších skupin podle typu glykosylace, která se rozlišuje podle způsobu navázání oligosacharidového řetězce na daný protein či lipid. Jedná se o N-glykosylaci navázanou před amidovou skupinu asparaginu a O-glykosylaci navázanou přes hydroxylovou skupinu serinu nebo threoninu. Alfa-dystroglykanopatie (α-DGP) jsou skupina dědičných onemocnění, která se také řadí do skupiny dědičných poruch glykosylace, a to konkrétně do poruch O-glykosylace.

Dystroglykan

Transmembránový protein dystroglykan je nejvíce zastoupen v kosterním svalstvu, ale je i součástí dalších orgánů a tkání, jako např. epithelií, očí a nervové tkáně. Je kódován genem DAG1 [MIM 128239] [1], který je umístěn na 3. lidském chromozomu [2]. Jeho sekvence se skládá ze dvou kódujících exonů rozdělených dlouhým intronem [2]. Dystroglykan je posttranslačně rozštěpen na proteiny alfa-dystroglykan (α-DG) a beta-dystroglykan (β-DG), které jsou na sebe navázány nekovalentně (viz obr.1) [3].

Fig. 1. Dystrophin-glycoprotein complex in muscle and it’s ligands. α-DG oligosacharide chains binds laminin G domain in extracellular matrix. β-DG is transmembranal protein and binds dystrophin in cytosol. nNOS- NO synthase proteins, SSPN-Sarcospan.
Fig. 1. Dystrophin-glycoprotein complex in muscle and it’s ligands. α-DG oligosacharide chains binds laminin G domain in extracellular matrix. β-DG is transmembranal protein and binds dystrophin in cytosol. nNOS- NO synthase proteins, SSPN-Sarcospan.

Alfa-dystroglykan

Tento protein obsahuje dvě globulární domény, které jsou propojeny centrální mucinovou doménou [4] (obr. 2). Tato doména je bohatá na serinové a threoninové zbytky, které mohou být dále ve velké míře O-glykosylovány. Predikovaná molekulová hmotnost proteinového jádra α-DG je 72 kDa [3], ale díky své rozsáhlé posttranslační glykosylaci je jeho výsledná molekulová hmotnost mnohem vyšší a pohybuje se okolo 120 kDa v mozku a 156 kDa v kosterním svalstvu [5]. Posttranslační glykosylace tohoto proteinu je tkáňově specifická.

Fig. 2. Dystroglycan domain organization. α-DG binds noncovalently at β-DG. α-DG has a signal peptide (SP), <i>N</i>-terminal domain with one <i>N</i>-linked sugar (N), mucin domain (M) with extensive <i>O</i>-glycosylation (circles indicates <i>O</i>-linked sugar) and on the right side has <i>C</i>-terminal domain with two <i>N</i>-linked sugars. β-DG has one <i>N</i>-linked sugar, transmembrane domain (TM) and dystrophin biding site (DBS).
Fig. 2. Dystroglycan domain organization. α-DG binds noncovalently at β-DG. α-DG has a signal peptide (SP), <i>N</i>-terminal domain with one <i>N</i>-linked sugar (N), mucin domain (M) with extensive <i>O</i>-glycosylation (circles indicates <i>O</i>-linked sugar) and on the right side has <i>C</i>-terminal domain with two <i>N</i>-linked sugars. β-DG has one <i>N</i>-linked sugar, transmembrane domain (TM) and dystrophin biding site (DBS).

Hlavní funkcí tohoto proteinu je vytvořit vazby s určitými ligandy extracelulárního matrix [6], a to pomocí oligosacharidových zbytků napojených O-glykosidickou vazbou přes mannosu, čímž udává strukturní stabilitu daných buněk. Ve svalových buňkách tak zajišťuje jakousi pevnost svalových vláken při svalovém stahu díky navázání na proteiny laminin, agrin a perlecan [7], v nervových buňkách ovlivňuje jejich funkci, strukturu a vývoj díky interakci s neurexinem, pikachurinem [8] a v očích je důležitý pro fotoreceptorovou signalizaci, a to díky interakci α-DG s ligandem pikachurinem [9]. Na α-DG je navázán transmembránový protein β-DG, který zajišťuje svoji intracelulární doménou vazbu na dystrofin [9].

Posttranslační modifikace alfa-dystroglykanu

α-DG je posttranslačně velmi hojně glykosylován. V současné době jsou na jeho povrchu známá tři N-glykosylační místa, na kterých se napojuje oligosacharidový řetězec přes N-acetylglukosamin [10]. Na jeho mucinové doméně je zatím známo deset O-glykosylačních míst, kam se váží oligosacharidové řetězce hlavně přes mannosu a dva jsou napojeny přes N-acetylgalaktosamin [10].

O-vázaná glykosylace alfa-dystroglykanu

Všechny O-glykosidicky vázané oligosacharidové řetězce přes mannosu jsou funkčně důležité pro navázání na lamininovou G-doménu daných ligandů extracelulárního matrix [11]. Posttranslační O-glykosylace začíná navázáním mannosy na α-DG v endoplasmatickém retikulu pomocí enzymů protein O-mannosyltransferázy 1 a 2 (kódované geny POMT1POMT2) [12]. Dalším krokem je navázání N-acetylglukosaminu na mannosu a to vazbou β-1,2 pomocí enzymu protein O-mannosa-β 1,2-N-acetylglukosaminyltransferázy 1 (kódován genem POMGNT1) nebo vazbou β-1,4 pomocí enzymu protein O-mannosa β 1,4-N-acetylglukosaminyltransferázy 2 (kódován genem POMGNT2) [3]. Následující kroky biosyntézy těchto oligosacharidových řetězců jsou velmi rozmanité a některé doposud nejsou popsány. Dalšími důležitými enzymy jsou také glykosyltransferázy kódované geny FKTNFKRP, které přenáší ribitol-5-fosfát na vznikající oligosacharidový řetězec [14].

Alfa-dystroglykanopatie

Alfa-dystroglykanopatie jsou vzácná dědičná onemocnění, která patří do skupiny dědičných poruch glykosylace a zároveň do skupiny dědičných svalových dystrofií. Jsou to autosomálně recesivně dědičná onemocnění s rozmanitými klinickými příznaky a tedy i variabilními stupni klinické závažnosti [15]. Hlavními příznaky jsou svalová dystrofie, poruchy centrální nervové soustavy a zraku [16]. Dají se rozdělit na primární, sekundární a terciární alfa-dystroglykanopatie. Primární α-DGP jsou způsobené mutací v genu DAG1 kódujícím přímo dystroglykan (DG) [17]. Sekundární skupina je nejrozšířenější a řadí se do ní poruchy enzymů zapojujících se do samotné glykosylace [18] a do terciární skupiny patří defekty v syntéze sacharidových donorů účastnících se posttranslační glykosylace α-DG [19]. V současné době je známo okolo 20 genů (seznam viz Tabulka 1), jejichž mutace vedou k těmto onemocněním. Incidence je zatím neznámá.

Diagnostika alfa-dystroglykanopatií

Diagnostická analýza je založena na kombinaci podrobného klinického popisu, biochemických nálezů a molekulárně genetických analýz. Mezi nejzávažnější α-DGP patří Walker-Warburgův syndrom (z angl. „Walker-Warburg syndrome”, WWS) [21], kterému ve většině případů pacient podlehne do věku tří let. Jedná se o velice závažnou svalovou dystrofii spojenou s abnormální oční a mozkovou strukturou a intelektuální zaostalostí. Dalšími syndromy jsou pak „Muscle-Eye-Brain“ syndrom (z angl. „Muscle-Eye-Brain syndrome”, MEB), Fukuyamova kongenitální svalová dystrofie (z angl. „Fukuyama congenital muscular dystrophy”, FCMD) [15] a některé typy pletencové svalové dystrofie (z angl. „Limb-girdle muscular dystrophy”, LGMD) [22], vyznačující se svalovou dystrofií, hypotonií a ve většině případů i intelektuálním deficitem. Je velice těžké definovat genotyp-fenotypovou korelaci, neboť mutace v jednom genu může vést k téměř jakémukoli fenotypovému znaku. K určení diagnózy je vhodné provedení biochemické analýzy, která může nasměrovat vyšetřování ke konkrétnímu genu, paralelně s molekulárně-genetickou analýzou.

Table. 1. Summary of genes whose mutations cause alpha-dystroglycanopathy. Genes, whose mutations cause primary α-DGP are shown with white background, secondary α-DGP with light grey and tertiary α-DGP with dark grey colour. Adjusted by [20].
Table. 1. Summary of genes whose mutations cause alpha-dystroglycanopathy. Genes, whose mutations cause primary α-DGP are shown with white background, secondary α-DGP with light grey and tertiary α-DGP with dark grey colour. Adjusted by [20].

Současné možnosti laboratorní diagnostiky alfa-dystroglykanopatií

V dnešní době je biochemická diagnostika CDG založena na více metodách postupně zužujících výběr kandidátních genů. Prvním krokem je selektivní screening, v rámci něhož je detekována hypoglykosylace markerů, tedy vybraných sérových glykoproteinů. Tyto analýzy však mohou zachytit pouze část typů poruch glykosylace. Jsou to metody isoelektrické fokusace transferinu v séru detekující poruchy v N-glykosylaci a isoelektrické fokusace apolipoproteinu C-III detekující poruchy O-glykosylace přes N-acetylgalaktosamin. Tyto metody však umožňují odhalit jen malou podskupinu α-DGP (např. deficit podjednotek dolichyl-fosfátmannosasyntázy v důsledku mutací v genech DPM1-3). Pro diagnostiku α-DGP jsou nejčastěji používány metody Western Blot a imunohistochemie ve svalu, které jsou založeny na schopnosti vazby protilátky IIH6C4 proti specifickému epitopu oligosacharidového řetězce na α-DG [15]. Novou alternativou je použití průtokové cytometrie, kterou lze provádět i ve fibroblastech pacientů [15]. Za účelem definitivního potvrzení diagnózy jsou pak prováděny molekulárně-genetické analýzy, často s využitím metody „Next-generation sequencing“. V případě nalezení nových mutací s neznámým dopadem v genech zodpovědných za α-DG mohou být pak biochemické metody využity i k ověření patogenicity nalezených variant.

Závěr

α-DGP jsou vzácná onemocnění s rozsáhlou škálou klinických příznaků, která jsou způsobena sníženou O-glykosylací vázanou přes mannosu na mucinové doméně proteinu alfa-dystroglykanu. Jedná se o onemocnění, která doposud nebyla plně prozkoumána a pro která zatím neexistuje žádný účinný lék. Správné a včasné určení diagnózy je nezbytné pro genetické poradenství v postižených rodinách.

Seznam zkratek

CDG dědičné poruchy glykosylace (z angl. Congenital disorders of glycosylation)

DG dystroglykan

DAG1 gen kódující dystroglykan

α-DG alfa-dystroglykan

β-DG beta-dystroglykan

α-DGP alfa-dystroglykanopatie

kDa kilo Dalton

WWS Walker-Warburgův syndrom (z angl. „Walker-Warburg syndrome”)

LGMD Pletencová svalová dystrofie (z angl. „Limb-girdle muscle dystrophy”)

FCMD Fukuyamova kongenitální svalová dystrofie (z angl. „Fukuyama congenital muscular dystrophy”)

FKRP enzym „Fukutin related protein“

FKTN fukutin

POMT1 gen kódující enzym protein O-mannosyltransferáza 1

POMT2 gen kódující enzym protein O-mannosyltransferáza 2

POMGNT1 gen kódující enzym protein O-mannosa-β 1,2-N acetylglukosaminyltransferáza 1

POMGNT2 gen kódující enzym protein O-mannosa-β 1,4-N acetylglukosaminyltransferáza 2

MEB „Muscle-Eye-Brain” syndrom (z angl. „Muscle-Eye-Brain syndrome”)

Práce vznikla za podpory projektu AZV 16-31932A a RVO-VFN64165.

Do redakce došlo 3. 4. 2017

Adresa pro korespondenci:

RNDr. Hana Hansíková, CSc.

1. LF UK a VFN v Praze

Laboratoř pro studium mitochondriálních poruch

Klinika dětského a dorostového lékařství

Ke Karlovu 2, 128 08 Praha 2

e-mail: hana.hansikova@lf1.cuni.cz


Zdroje

1. Freeze, H. H., Chong, J. X., Bamshad, M. J., Ng, B.G. Solving glycosylation disorders: Fundamental approaches reveal complicated pathways. Am. J Hum. Genet., 2014, 94 (2), p. 161-175

2. Ibraghimov-Beskrovnaya, O., Milatovich, A., Ozcelik T. et al. Human dystroglycan: skeletal muscle cDNA, genomic structure, origin of tissue specific isoforms and chromosomal localization. Hum. Mol. genet., 1993, 2 (10), p. 1651-1657.

3. Ibraghimov-Besrovnaya, O.,Ervasti, J. M., Leveille, C. J., Slaughter, C. A., Sernett, S. W., Campbell, K. P. Primary structure of dystrophin-associated glycoproteins linking dystrophin to the extracellular matrix. Nature.,1992, 355, p. 696-702.

4. Brancaccio, A., Schulthess, T., Gesemann, M., Engel, J. Electron microscopic evidence for a mucin-like region in chick muscle α-dystroglycan. FEBS lett., 1995, 368 (1), p. 139-142.

5. Ervasti, J. M., Campbell, K. P. Membrane organization of the dystrophin-glycoprotein complex. Cell., 1991, 66 (6), p. 1121-1131.

6. Blake, D. J., Weir, A., Newey, S. E., Davies, K. E. Function and genetics of dystrophin and dystrophin-related proteins in muscle. Physiol. Rev., 2002, 82 (2), p. 291-329.

7. Bowe, M. A., Deyst, K. A., Leszyk, J. D., Fallon, J. R. Identification and purification of an agrin receptor from Torpedo postsynaptic membranes: a heteromeric complex related to the dystroglycans. Neuron, 1994, 12 (5), p. 1173-1180.

8. Saito, F., Moore, S. A., Barresi, R. et al. Unique role of dystroglycan in peripheral nerve myelination, nodal structure, and sodium channel stabilization. Neuron, 2003, 38 (5), p. 747-758.

9. Winder, S. J. The complexities of dystroglycan. Trends Biochem. Sci., 2001, 26 (2), p. 118-124.

10. UniProt [Online], [Citace: 21. 2 2016.], Dostupný na www: <http://www.uniprot.org/uniprot/Q14118>

11. Chiba, A. K., Matsumura, H., Yamada, T. et al. Structures of sialylated O-linked oligosaccharides of bovine peripheral nerve α-dystroglycan. The role of a novel O-mannosyl-type oligosaccharide in binding of α-dystroglycan with laminin. J Biol. Chem., 1997, 272 (4), p. 2156-2162.

12. Willer, T., Valero, M. C., Tanner, W., Cruces, J., Strahl, S. O-mannosyl glycans: from yeast to novel associations with human disease. Curr. Opin. Struct. Biol., 2003, 13 (5), p. 621-630.

13. Live, D., Wells, L., Boons, G. J. Dissecting the Molecular Basis of the Role of the O-Mannosylation Pathway in Disease: α-Dystroglycan and Forms of Muscular Dystrophy. Chembiochem, 2013, 14 (18), p. 2392–2402.

14. Kanagawa, M., Kobayashi, K., Tajiri, M. et al. Identification of a Post-translational Modification with Ribitol-Phosphate and Its Defect in Muscular Dystrophy, Cell Rep., 2016, 14 (9), p. 2209-2223.

15. Stevens, E., Torelli, S., Feng, L. et al. Flow cytometry for the analysis of α-dystroglycan glycosylation in fibroblasts from patients with dystroglycanopathies. PLoS ONE., 2013, 8 (7), e68958

16. Hewitt, J.E. Abnormal glycosylation of dystroglycan in human genetic disease. Biochim. Biophys. Acta., 2009, 1792 (9), p. 853-861.

17. Geis, T., Marquard, K., Rodl, T. et al. Homozygous dystroglycan mutation associated with a novel muscle-eye-brain disease-like phenotype with multicystic leucodystrophy. Neurogenetics, 2013,14 (3), p. 205-213.

18. Wells, L. The O-mannosylation pathway: glycosyltransferases and proteins implicated in congenital muscular dystrophy. J Biol. Chem., 2013, 288 (10), p. 6930-6935.

19. Riemersma, M., Froese, D. S., van Tol W. et al. Human ISPD Is a Cytidyltransferase Required for Dystroglycan O-Mannosylation. Chem. Biol., 2015, 22 (12), p. 1643-1652

20. Zdražilová, L. Dědičné poruchy glykosylace: alfa-dystroglykanopatie., Univerzita Karlova v Praze, 2016, Bakalářská práce.

21. Wang, C. H., Bonnemann, C. G., Rutkowski, A. et al. Consensus statement on standard of care for congenital muscular muscular dystrophies. J Child. Neurol., 2010, 25 (12), p. 1559-1581.

22. Mahmood O. A., Jiang X, Zhang Q. Limb-girdle muscular dystrophy subtypes: First-reported cohort from northeastern China. Neural Regen. Res., 2013, 8 (20), p. 1907-1918.

Štítky
Biochemie Nukleární medicína Nutriční terapeut

Článek vyšel v časopise

Klinická biochemie a metabolismus

Číslo 3

2017 Číslo 3
Nejčtenější tento týden
Nejčtenější v tomto čísle
Kurzy Podcasty Doporučená témata Časopisy
Přihlášení
Zapomenuté heslo

Zadejte e-mailovou adresu, se kterou jste vytvářel(a) účet, budou Vám na ni zaslány informace k nastavení nového hesla.

Přihlášení

Nemáte účet?  Registrujte se

#ADS_BOTTOM_SCRIPTS#