Oftalmogenetyka - ebook

AUTORZY

Prof. dr hab. n. med. Maciej Robert Krawczyński

Katedra i Zakład Genetyki Medycznej Uniwersytetu Medycznego im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu Pracownia Poradnictwa Genetycznego w Chorobach Narządu Wzroku

Dr n. med. Zuzanna Niedziela-Schwartz

Uniwersytecki Szpital Kliniczny Uniwersytetu Medycznego im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu

Oddział Kliniczny Okulistyki z Pododdziałem Okulistyki Dziecięcej

Dr hab. n. med. Anna Skorczyk-Werner

Katedra i Zakład Genetyki Medycznej Uniwersytetu Medycznego im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu Pracownia Poradnictwa Genetycznego w Chorobach Narządu Wzroku

Dr hab. n. med. Anna Wawrocka

Katedra i Zakład Genetyki Medycznej Uniwersytetu Medycznego im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu Pracownia Poradnictwa Genetycznego w Chorobach Narządu WzrokuPRZEDMOWA

Kiedy przed ponad 30 laty, po ukończeniu studiów, marzyłem o zatrudnieniu w Zakładzie Genetyki Klinicznej Instytutu Pediatrii w Poznaniu, nie przypuszczałem, że moja zawodowa przygoda z genetyką zostanie nierozerwalnie związana z okulistyką. Stało się tak dzięki wizjonerskiej zachęcie do podjęcia szkolenia specjalizacyjnego w tym zakresie ze strony Pani Prof. Anny Latos-Bieleńskiej – ówczesnego kierownika Zakładu Genetyki Klinicznej oraz zgody na jego odbycie ze strony Pani Prof. Krystyny Pecold – ówczesnego kierownika Katedry i Kliniki Okulistycznej Uniwersytetu Medycznego w Poznaniu. To właśnie Paniom Profesor winien jestem szczególne podziękowania za inspirację, zachętę do aktywności naukowej, wysyłanie na zagraniczne staże, a nade wszystko za naukę opartą na własnym przykładzie. Bez nich nie byłoby „mojej oftalmogenetyki” – zarówno w rozumieniu codziennej aktywności klinicznej, naukowej i dydaktycznej, jak i tej książki.

Cieszę się bardzo, że moją pasją zaraziłem grupę podążających tą drogą młodych naukowców, co zaowocowało nie tylko ich pracami doktorskimi i habilitacyjnymi, ale też współautorstwem tej książki. Bardzo dziękuję dr hab. n. med. Annie Wawrockiej, dr hab. n. med. Annie Skorczyk-Werner i dr n. med. Zuzannie Niedzieli-Schwartz za zapał i pracę włożone w to opracowanie.

Znaczenie genetyki w okulistyce było znane od dawna, jednak to właśnie w okresie wspomnianych 30 lat byłem świadkiem i uczestnikiem poznawania podłoża genetycznego większości genetycznie uwarunkowanych chorób oczu oraz ogromnego postępu w zakresie ich diagnostyki molekularnej. Dziś można powiedzieć, że znamy podłoże genetyczne niemal wszystkich chorób z tej grupy i możemy spodziewać się tylko nielicznych nowych odkryć. Współcześnie znajomość etiopatogenezy oraz możliwości szybkiej i skutecznej diagnostyki pozwalają nie tylko na rozpoznanie tych chorób, ale też coraz częściej na zaproponowanie optymalnego postępowania profilaktycznego i leczniczego.

Niniejsza książka jest pierwszym polskojęzycznym i jednym z zaledwie kilku na świecie monograficznych opracowań dotyczących genetycznie uwarunkowanych chorób oczu, wypełniającym olbrzymią lukę w obowiązujących podręcznikach okulistyki oraz genetyki. Myślę, że wielu odbiorców zadziwi mnogość opisanych jednostek chorobowych oraz złożoność poruszonych problemów.

„Oftalmogenetyka” skierowana jest przede wszystkim do lekarzy posiadających specjalizację oraz specjalizujących się w zakresie okulistyki oraz genetyki klinicznej, ale może być również źródłem cennej wiedzy dla innych specjalistów i ambitnych studentów medycyny. Autorzy podjęli trudną próbę pogodzenia dwóch zadań: kształcenia okulistów w zakresie genetyki i kształcenia genetyków w zakresie okulistyki, choć siłą rzeczy konieczne było uzyskanie kompromisu pomiędzy szczegółowością wiedzy teoretycznej i praktyczną stroną wiedzy klinicznej.

Wierzę, ze oddajemy w ręce Czytelników nowoczesne i kompletne opracowanie oparte na najnowszym piśmiennictwie fachowym i wieloletnim doświadczeniu autorów. Opisy poszczególnych jednostek chorobowych zostały poprzedzone przedstawieniem ich nazw synonimicznych i anglojęzycznych, a także numeracją nadaną im w bazach danych OMIM i ORPHA, co ma dopomóc w nowoczesnym kodowaniu i rejestrowaniu chorób rzadkich. Jestem przekonany, że książka ta powinna długo zachować aktualność w zakresie opisywanej etiologii genetycznych chorób oczu, ale myśląc o moich pacjentach mam nadzieję, że szybko stanie się nieaktualna w zakresie nowoczesnych technik diagnostyki klinicznej i genetycznej, a nade wszystko możliwości leczenia.

Wszystkim Czytelnikom życzę fascynacji oftalmogenetyką i wykorzystania zdobytej wiedzy dla dobra naszych pacjentów.

Maciej R. Krawczyński2
WRODZONE WADY ROZWOJOWE OCZU

2.1. Spektrum małoocze, bezocze, szczelina rozwojowa oka (spektrum MAC)

Anna Wawrocka, Zuzanna Niedziela-Schwartz

Z klinicznego punktu widzenia różnicowanie i rozpoznanie wrodzonych wad rozwojowych oczu, takich jak bezocze, małoocze oraz szczelina błony naczyniowej lub innych struktur oka, na ogół nie budzi wątpliwości. Wady te mogą współwystępować w jednej rodzinie, a nawet u jednego pacjenta, a u ich podłoża leżą mutacje tych samych genów. W związku z tym obecnie uważa się, że stanowią one przebiegającą z różnym nasileniem manifestację tego samego spektrum zaburzeń rozwojowych, określanego mianem spektrum małoocze, bezocze, szczelina rozwojowa oka (microftalmia-anoftalmia-coloboma spectrum, MAC spectrum; spektrum MAC). Wady te mogą występować jako cechy izolowane, jednak w ⅔ przypadków są elementem złożonych wad rozwojowych oczu lub zespołów wad wrodzonych. Ze względu na mnogość fenotypów, jednostek chorobowych i genów przyczynowych klasyfikacja kliniczna i genetyczna tych wad jest skomplikowana.

Rycina 2.1.

Schemat embrionalnego rozwoju gałki ocznej

2.1.1. Małoocze i bezocze

(microphthalmia, anophthalmia, A/M; mikroftalmia, anoftalmia)

ORPHA #2542 (A/M izolowane) lub #98555 (A/M ogółem)
OMIM # wiele różnych (tab. 2.1–2.3)
Geny: SOX2, PAX6, OTX2, CHX10, RAX i wiele innych (tab. 2.1–2.3).

Etiopatogeneza

Małoocze i bezocze są opisywane razem, ponieważ stanowią różnie nasilone warianty kliniczne ciężkich zaburzeń rozwoju gałek ocznych, powodowanych przez te same lub podobne czynniki przyczynowe (schemat embrionalnego rozwoju gałki ocznej przedstawiono na ryc. 2.1). Niekiedy u członków jednej rodziny lub nawet u jednego pacjenta współistnieją obie patologie i trudno jest wskazać przyczynę obserwowanych różnic. Małoocze występuje oczywiście wielokrotnie częściej niż bezocze (ryc. 2.2).

Częstość występowania małoocza/bezocza szacuje się na 1–3 na 10 tysięcy żywych urodzeń, przy czym małoocze stanowi ponad 80% przypadków. Etiologia tych wad jest bardzo złożona i może obejmować zarówno czynniki genetyczne (jednogenowe oraz chromosomowe), jak i środowiskowe, jednak najczęstszą ich przyczyną jest defekt genetyczny. Większość przypadków małoocza i bezocza występuje sporadycznie, ale mogą one być także dziedziczone – w sposób autosomalny recesywny, autosomalny dominujący lub w sprzężeniu z chromosomem X. Do tej pory opisano ponad 30 genów zaangażowanych w patogenezę małoocza i bezocza, jednak niemal u połowy pacjentów nadal nie udaje się zidentyfikować genetycznego podłoża choroby. Główne geny odpowiedzialne za rozwój małoocza i bezocza to: SOX2, OTX2 oraz RAX.

Rycina 2.2.

Znacznego stopnia małoocze lewego oka

Dane kliniczne

Bezocze i małoocze są najcięższymi wadami rozwojowymi oczu. Bezocze prawdziwe jest związane z całkowitym brakiem nerwu wzrokowego i zawiązka gałki ocznej, natomiast w bezoczu rzekomym (zwanym także klinicznym) nerw wzrokowy jest obecny, a w worku spojówkowym znajduje się jedynie zawiązek niewykształconej gałki ocznej. Wady te mogą występować jedno- lub obustronnie. Małoocze stwierdza się, gdy całkowita długość osiowa gałki ocznej jest mniejsza o ponad dwa odchylenia standardowe od średniej dla wieku, czyli gdy u noworodka wynosi poniżej 14 mm, u rocznego niemowlęcia – poniżej 19 mm, a u osób dorosłych – poniżej 21 mm. Małoocze rzadko występuje jako wada izolowana (tzw. małoocze proste, na ogół w stosunkowo łagodnej formie, zwanej nanoftalmią – patrz niżej), a częściej w połączeniu z innymi wadami oczu (tzw. małoocze złożone, zwykle ze szczeliną błony naczyniowej) lub jako element zespołów wad wrodzonych (tzw. małoocze zespołowe) z dodatkowymi wadami pozaocznymi, najczęściej w obrębie układu kostnoszkieletowego, twarzoczaszki, ośrodkowego układu nerwowego (OUN) lub układu pokarmowego (np. zespół Goltza i zespół Lenza).

Małoocze SOX2-zależne

Głównym genem przyczynowym małoocza/bezocza, odpowiedzialnym nawet za 40% przypadków tych wad, jest gen SOX2 położony na chromosomie 3 w regionie 3q26. Koduje on czynnik transkrypcyjny, który ulega ekspresji podczas embrionalnego rozwoju zarodka i współdziała z innymi czynnikami transkrypcyjnymi, odpowiadając za regulację tego procesu. Białko SOX2 jest niezbędne m.in. do proliferacji i różnicowania prekursorów siatkówki. Najczęstsze warianty patogenne identyfikowane w genie SOX2 to: zmiany nonsensowne, zmiany ramki odczytu oraz delecje – zarówno wewnątrzgenowe, jak i większe, obejmujące cały gen. Mutacje genu SOX2 są odpowiedzialne za izolowane, jedno- lub obustronne małoocze i bezocze, a także za formy złożone i małoocze zespołowe typu 3 (MCOPS3). Fenotyp pacjentów z MCOPS3 obejmuje: bezocze/małoocze, hipoplazję nerwów wzrokowych, wady rozwojowe mózgu, atrezję przełyku i hipoplazję przysadki. U pacjentów często stwierdza się: hipogonadyzm hipogonadotropowy, opóźnienie rozwoju i niepełnosprawność intelektualną, opóźnienie wzrastania, hipotonię mięśniową, drgawki oraz inne zaburzenia neurologiczne. Warianty prowadzące do utraty funkcji genu oraz delecje w obrębie genu SOX2 mogą powodować bezocze/małoocze jednostronne lub obustronne bądź z atrezją przełyku. Natomiast u pacjentów z mikrodelecjami obejmującymi gen SOX2 częściej niż u osób z wariantami typu zmiany sensu obserwuje się opóźnienie wzrastania gałek ocznych po urodzeniu, co może być spowodowane usunięciem elementów regulatorowych genu.

Małoocze OTX2-zależne

U 2–8% pacjentów z małooczem/bezoczem identyfikuje się patogenne warianty w genie OTX2, położonym na chromosomie 14 w regionie 14q22. Gen ten koduje czynnik transkrypcyjny, który odgrywa kluczową rolę w rozwoju przodomózgowia i oka, w tym nabłonka barwnikowego siatkówki oraz fotoreceptorów. Identyfikowane w genie warianty patogenne to: delecje, insercje, zmiany nonsensowne i mutacje typu zmiany sensu. W około 40% przypadków mutacje powstają de novo, a w 35% są dziedziczone po zdrowym rodzicu, co wynika z dość częstej w przypadku OTX2 niepełnej penetracji genu. Mutacje genu OTX2 są odpowiedzialne zarówno za formy izolowane małoocza/bezocza, jak i za inne wady oczu, takie jak: dystrofia siatkówki, hipoplazja i aplazja nerwu wzrokowego. Ponadto mogą powodować małoocze/bezocze zespołowe typu 5 (MCOPS5), które dodatkowo obejmuje inne wady oczu (zaćma, dystrofia siatkówki, hipoplazja lub agenezja nerwu wzrokowego), rozszczep podniebienia (u niektórych pacjentów), a także wady OUN z opóźnieniem rozwoju. Rzadko obserwuje się wady narządów płciowych u mężczyzn.

Małoocze RAX-zależne

Mutacje w genie RAX położonym w regionie 18q21 są odpowiedzialne jedynie za 2–3% przypadków małoocza/bezocza. Gen RAX odgrywa kluczową rolę w rozwoju oka i przodomózgowia u kręgowców. Bierze udział w powstawaniu i proliferacji tzw. pola oka. Aktywuje również niekanoniczny szlak WNT, kontrolujący morfogenetyczne ruchy komórek oka. Warianty utraty funkcji identyfikowane w genie RAX obejmują mutacje: zmiany sensu, nonsensowne, zmiany ramki odczytu i splicingowe oraz delecje obejmujące cały gen RAX. Gen RAX jest związany z szeroką gamą zaburzeń rozwojowych oka – od małoocza/bezocza do wad siatkówki. Ponadto niekiedy współistnieją wady rozwojowe OUN i upośledzenie umysłowe. Wszystkie zaburzenia są dziedziczone w sposób autosomalny recesywny.

Postępowanie kliniczne

Diagnoza opiera się zwykle na badaniach klinicznych i obrazowych. Badanie ultrasonograficzne jest stosowane w celu określenia długości osiowej gałki ocznej, natomiast skany uzyskane podczas tomografii komputerowej (TK) i rezonansu magnetycznego (magnetic resonance, MR) ułatwiają diagnozę bezocza.

Diagnostyka molekularna

Ze względu na dużą heterogenność genetyczną w celu identyfikacji podłoża małoocza i bezocza zaleca się wykorzystanie metod sekwencjonowania następnej generacji (next generation sequencing, NGS), takich jak panele diagnostyczne (obejmujące około 70 genów związanych z rozwojem embrionalnym oka) oraz sekwencjonowanie całoeksomowe (whole exome sequencing, WES) lub całogenomowe (whole genome sequencing, WGS). U części pacjentów przyczyną wspomnianych wad mogą być rearanżacje genomowe, np. delecje lub duplikacje obejmujące jeden gen bądź kilka genów. W takich przypadkach można zastosować porównawczą hybrydyzację genomową do mikromacierzy (array comparative genomic hybrydization, arrayCGH, aCGH).

Leczenie

Brak jest skutecznego leczenia bezocza i małoocza, można jednak poprawić komfort życia i wygląd pacjentów. Okulista może zalecić operacyjną korekcję oczodołu lub zastosowanie protezy oka. Niezwykle istotne jest odpowiednio wczesne przeprowadzenie u dzieci leczenia za pomocą implantów, a potem protezy gałki ocznej – tak aby kości twarzoczaszki i tkanki miękkie oczodołu mogły rozwijać się we właściwy sposób.

Tabela 2.1.

Geny związane z etiopatogenezą izolowanego małoocza/bezocza bez szczeliny błony naczyniowej (microphthalmia, isolated, MCOP)

Postać choroby

OMIM #

Locus

Gen

Produkt białkowy

Dziedziczenie

MCOP1

251600

14q32

?

?

AR

MCOP2

610093

14q24

VSX2

Czynnik transkrypcyjny specyficzny dla siatkówki

AR

MCOP3

611038

18q21

RAX

Czynnik transkrypcyjny uczestniczący w rozwoju oka

AR

MCOP4

613094

8q22

GDF6

Białko z rodziny TGF-beta uczestniczące w rozwoju kości i stawów

AD

MCOP5

611040

11q23

MFRP

Bierze udział w rozwoju embrionalnym oka

AR

MCOP6

613517

2q37

PRSS56

Prawdopodobnie bierze udział w rozwoju embrionalnym oka

AR

MCOP7

613704

12p13

GDF3

Białko z rodziny GDF uczestniczące w rozwoju oka i kości

AD

MCOP8

615113

15q26

ALDH1A3

Bierze udział w biosyntezie kwasu retinowego podczas okulogenezy

AR

Własne dane

?

Xp11

PORCN

Acylotransferaza ważna w szlaku Wnt w trakcie rozwoju embrionalnego

XR

AD (autosomal dominant) – dziedziczenie autosomalne dominujące; AR (autosomal recessive) – dziedziczenie autosomalne recesywne; GDF (growth and differentiation factor) – czynnik wzrostu i aktywowania; TGF-beta (transforming growth factor beta) – transformujący czynnik wzrostu beta; XR (X-linked recessive inheritance) – dziedziczenie sprzężone z chromosomem X recesywne.

Tabela 2.2.

Geny związane z etiopatogenezą izolowanego małoocza/bezocza złożonego ze szczeliną błony naczyniowej (colobomatous microphthalmia, MCOPCB)

Postać choroby

OMIM #

Locus

Gen

Produkt białkowy

Dziedziczenie

MCOPCB1

300345

?

?

?

XR

MCOPCB2

605738

15q12-q15

?

?

AD?

MCOPCB3

610092

14q24

VSX2

Czynnik transkrypcyjny specyficzny dla siatkówki

AR

MCOPCB4

251505

?

?

?

AR?

MCOPCB5

611638

7q36

SHH

Odgrywa kluczową rolę we wczesnym rozwoju zarodka

AD

MCOPCB6

613703

8q2

GDF6

Białko z rodziny TGF-beta uczestniczące w rozwoju kości i stawów

AD

12p13

GDF3

Odgrywa rolę w rozwoju oka i szkieletu

AD

MCOPCB7

614497

2q35

ABCB6

Białko mitochondrialne transportujące porfiryny

AD

MCOPCB8

601186

15q24

STRA6

Białko zaangażowane w syntezę retinolu

AR

MCOPCB9

615145

4q35

TENM3

Teneuryna 3, ważna w rozwoju ośrodkowego układu nerwowego

AR

MCOPCB10

616428

10q23

RBP4

Białko wiążące i transportujące retinol w surowicy

AD

AD (autosomal dominant) – dziedziczenie autosomalne dominujące; AR (autosomal recessive) – dziedziczenie autosomalne recesywne; TGF-beta (transforming growth factor beta) – transformujący czynnik wzrostu beta; XR (X-linked recessive inheritance) – dziedziczenie sprzężone z chromosomem X recesywne.

Tabela 2.3.

Geny związane z etiopatogenezą małoocza/bezocza zespołowego (microphthalmia, syndromic, MCOPS)

Postać choroby

OMIM #

Locus

Gen

Produkt białkowy

Dziedziczenie

MCOPS1
(zespół Lenza)

309800

Xq28

NAA10

Brak białka NAA10 jest letalny dla zarodka

XL

MCOPS2
(zespół oczno-twarzowo-sercowy)

300166

Xp11

BCOR

Pełni ważną rolę w rozwoju embrionalnym

XL

MCOPS3
(małoocze z wadami przełyku i narządów płciowych)

206900

3q26

SOX2

Czynnik transkrypcyjny regulujący rozwój embrionalnego zarodka

AD

MCOPS4

Tożsame z MCOPS1

MCOPS5
(małoocze z wczesną dystrofią siatkówki i dysfunkcją przysadki)

610125

14q22

OTX2

Czynnik transkrypcyjny odgrywający istotną rolę w rozwoju przodomózgowia i oka

AD

MCOPS6
(małoocze z zaburzeniami rozwoju mózgu i palców)

607932

14q22

BMP4

Odgrywa istotną rolę w rozwoju embrionalnym

AD

MCOPS7
(małoocze z wadami skóry i rogówki) (MIDAS)

309801

Xp22

HCCS

Białko mitochondrialne, syntaza cytochromu C

XD

MCOPS8
(małoocze z małogłowiem, rozszczepem stóp oraz prognatyzmem)

601349

6q21

?

?

AD?

MCOPS9
(małoocze z cechami dysmorfii twarzy oraz wadami płuc, przepony i serca)

601186

15q24

STRA6

Białko zaangażowane w syntezę retinolu

AR

MCOPS10
(małoocze i zanik mózgu)

611222

?

?

?

AR?

MCOPS11
(małoocze z wadami ośrodkowego układu nerwowego)

614402

10q25

VAX1

Reguluje rozwój ciała i morfogenezę

AR

MCOPS12 (małoocze z hipoplazją płuc, wadą serca i przepukliną przeponową

615524

3p24

RARB

Receptor kwasu retinowego

AD, AR

MCOPS13 (małoocze z niskorosłością i opóźnieniem rozwoju)

300915

Xq28

HMGB3

Kontroluje populację komórek macierzystych

XL

MCOPS14 (małoocze z dysplazją kostną)

615877

4q31

MAB21L2

Białko odgrywające kluczową rolę w rozwoju oka i kości

AD, AR

MCOPS15 (małoocze z opóźnieniem rozwoju)

615145

4q35

TENM3

Teneuryna 3, ważna w rozwoju ośrodkowego układu nerwowego

AR

AD (autosomal dominant) – dziedziczenie autosomalne dominujące; AR (autosomal recessive) – dziedziczenie autosomalne recesywne; MIDAS (microphthalmia, dermal aplasia and sclerocornea) – zespół małoocza, aplazji skóry głowy i szyi, i rogówkotwardówki; XD (X-linked dominant inheritance) – dziedziczenie sprzężone z chromosomem X dominujące; XL (X-linked inheritance) – dziedziczenie sprzężone z chromosomem X.