Acta Sci. Pol., Medicina Veterinaria 5(1) 2006, 3-9

Transkrypt

1 Acta Sci. Pol., Medicina Veterinaria 5(1) 2006, 3-9 WYBRANE ZABURZENIA STEROIDOGENEZY NADNERCZOWEJ LUDZI I ZWIERZĄT O CHARAKTERZE DZIEDZICZNYM 1 Katarzyna Brzezińska, Barbara Kosowska, Magdalena Moska, Tomasz Strzała Akademia Rolnicza we Wrocławiu Streszczenie. W artykule przedstawiono etiologię oraz objawy kliniczne dziedzicznych schorzeń ludzi i zwierząt, związanych z niedostateczną syntezą hormonów kory nadnerczy. W medycynie człowieka najczęściej diagnozowanym schorzeniem tego typu jest wrodzony rozrost kory nadnerczy (ang. Congenital Adrenal Hyperplasia CAH). Choroba ta wynika głównie z niedoboru 21-hydroksylazy steroidowej, ale przyczyną jej wystąpienia moŝe być równieŝ niedobór bądź osłabienie funkcji innych enzymów, zaangaŝowanych w steroidogenezę nadnerczową. Wrodzone zaburzenia syntezy glikokortykoidów i mineralokortykoidów o podobnej etiologii występują takŝe u zwierząt domowych. Słowa kluczowe: steroidogeneza nadnerczowa, wrodzony rozrost kory nadnerczy WSTĘP Utrzymanie równowagi ustrojowej jest najwaŝniejszym zadaniem dla kaŝdego Ŝywego organizmu, poniewaŝ jej zachwianie grozi utratą zdrowia, a nawet Ŝycia. Jednym z mechanizmów, które mają go przed tym chronić, jest zrównowaŝone wydzielanie hormonów. Szczególną rolę w zachowaniu homeostazy odgrywają hormony kory nadnerczy: gliko- i mineralokortykoidy. Glikokortykoidy, reprezentowane u większości ssaków głównie przez kortyzol, oddziałują na gospodarkę cukrową, białkową oraz tłuszczową organizmu. W komórkach wątrobowych stymulują glikogenogenezę oraz syntezę białek. W komórkach pozawątrobowych, odmiennie niŝ w wątrobie, pobudzają rozkład białek, a powstałe w tym procesie aminokwasy są częściowo wykorzystywane w procesie syntezowania glukozy. W tkance tłuszczowej glikokortykoidy stymulują lipolizę, co powoduje wzrost poziomu wolnych kwasów tłuszczowych we krwi. Ponad- Adres do korespondencji Corresponding author: Katarzyna Brzezińska, Katedra Genetyki i Ogólnej Hodowli Zwierząt, Akademia Rolnicza we Wrocławiu, ul. KoŜuchowska 7, Wrocław, kasbedko@poczta.onet.pl

2 4 K. Brzezińska i in. to hormony te osłabiają odpowiedź immunologiczną, upośledzając fagocytozę i hamując podziały komórkowe, a takŝe stabilizując błony lizosomalne. Z kolei mineralokortykoidy, a więc aldosteron, kortykosteron i 11-dezoksykortykosteron, czuwają nad utrzymaniem równowagi wodno-elektrolitowej, stałego ciśnienia tętniczego krwi oraz stałej objętości wyrzutowej serca. Zarówno mineralo-, jak i glikokortykoidy, we współpracy z hormonami rdzenia nadnerczy, umoŝliwiają właściwą reakcję organizmu na stres. Synteza hormonów kory nadnerczy jest procesem złoŝonym, w którego przebieg zaangaŝowane są liczne enzymy błonowe, m.in. naleŝące do rodziny cytochromu P450: CYP11A 2 (desmolaza cholesterolowa), CYP11B1 (enzym o aktywności 11ß- -hydroksylazy), CYP11B2 (enzym o aktywności 11ß-hydroksylazy, 18-hydroksylazy i 18-oksydazy), CYP17 (enzym o aktywności 17α-hydroksylazy i 17,20 liazy) oraz CYP21 (21-hydroksylaza steroidowa) [Nerbert i in. 1991]. Oprócz nich, w steroidogenezie nadnerczowej uczestniczą 3β-HSD (3β-dehydrogenaza steroidowa) oraz białko StAR 3. Białko StAR nie posiada aktywności enzymatycznej, ale jest niezbędne do zapoczątkowania steroidogenezy, poniewaŝ pośredniczy w przezbłonowym transporcie cholesterolu, prekursora wszystkich hormonów kory nadnerczy [Arakane i in. 1998]. Schemat steroidogenezy przedstawiono na rysunku 1 CHOLESTEROL CYP11A PREGNENOLON CYP17 CYP17 CYP17 17-HYDROKSYPREGNENOLON ANDROGENY 3 beta HSD 3beta HSD PROGESTERON CYP17 17-HYDROKSYPROGESTERON CYP17 ANDROGENY CYP21 CYP21 11-DEOKSYKORTYKOSTERON CYP11B2 11-DEOKSYKORTYZOL CYP11B1 KORTYKOSTERON CYP11B2 KORTYZOL ALDOSTERON Rys.1. Schemat steroidogenezy nadnerczowej Fig. 1. Schedule of adrenocortical steroidogenesis 2 Białka oznaczono duŝymi literami, geny małymi 3 Steroidogenic acute regulatory protein (ang.) Acta Sci. Pol.

3 Wybrane zaburzenia steroidogenezy nadnerczowej 5 Synteza steroidów przebiega w ciągu następujących po sobie reakcji, których produkty są jednocześnie substratami dla kolejnych enzymów. Kiedy jeden z enzymów jest nieaktywny, wykazuje obniŝoną aktywność lub jego koncentracja jest zbyt niska, wówczas katalizowana przez niego reakcja nie zachodzi lub wydajność tej reakcji jest ograniczona. Prowadzi to do zakłócenia przebiegu kolejnych etapów steroidogenezy i w konsekwencji braku lub niedoboru produkowanego hormonu. Jedną z przyczyn opisanej sytuacji moŝe być mutacja w locus genu, kodującego dowolny enzym, zaangaŝowany w steroidogenezę. Najczęściej spotykaną, dziedziczną postacią zakłóceń steroidogenezy jest syndrom CAH (Congenital Adrenal Hyperplasia), czyli wrodzony rozrost kory nadnerczy. WRODZONY ROZROST KORY NADNERCZY U LUDZI Ponad 90% przypadków wrodzonego rozrostu kory nadnerczy u ludzi jest spowodowanych niedoborem enzymu 21-hydroksylazy steroidowej [Stratakis i in. 1999]. Przyczyną niedoboru są mutacje genu Cyp21b, spowodowane istnieniem w niedalekim sąsiedztwie jego nieaktywnej, zduplikowanej formy, tzw. pseudogenu (Cyp21a) [Higashi i in. 1986]. Pseudogen zawiera liczne mutacje, stąd rekombinacje pomiędzy nim a genem aktywnym skutkują przeniesieniem tychŝe mutacji na sekwencję prawidłową. Skutkiem konwersji między genami jest znaczny polimorfizm genu Cyp21b; dotychczas wykryto w nim ponad 50 mutacji, osłabiających w róŝnym stopniu aktywność enzymatyczną 21-hydroksylazy, a nawet znoszących całkowicie ekspresję genu [Hughes 2002]. Skutkiem niedoboru enzymu jest blok syntezy zarówno mineralokortykoidów, jak i glikokortykoidów. W jego następstwie dochodzi do gromadzenia w komórkach korowo-nadnerczowych nadmiaru substratów steroidogenezy progesteronu oraz 17- -hydroksyprogesteronu (17-OHP). Związki te zostają całkowicie skierowane na szlak syntezy androgenów. Brak syntezy kortyzolu, który u zdrowego człowieka jest zasadniczym produktem steroidogenezy nadnerczowej i zarazem głównym czynnikiem, hamującym oś podwzgórzowo-przysadkową, powoduje nasilenie wydzielania CRH i ACTH, które stymulują rozrost kory nadnerczy [Speiser i in. 2003]. Gdy blok metaboliczny jest silny, organizm nie jest w stanie zapewnić sobie wystarczającej podaŝy aldosteronu i kortyzolu, przez co dochodzi w nim do zaburzenia równowagi wodno-elektrolitowej, utraty sodu, dehydratacji i wstrząsu hipowolemicznego. PoniewaŜ choroba jest wrodzona, w nierozpoznanych i nie leczonych przypadkach śmierć następuje w ciągu pierwszych 4 tygodni Ŝycia [Whitehead i in. 1996]. U dziewczynek rozpoznanie jest prostsze, niŝ u chłopców, gdyŝ po urodzeniu obserwuje się u nich symptomy hiperandrogenizacji, takie jak: zrośnięte wargi sromowe, przerośnięta łechtaczka, a w skrajnych przypadkach obupłciowe lub męskie zewnętrzne narządy płciowe [Grumbach i in. 1960]. U obu płci występują równieŝ objawy niespecyficzne, takie jak osłabienie apetytu, zahamowanie przyrostu masy ciała i śpiączka [Whitehead i in. 1996]. W przypadku kiedy aktywność 21-hydroksylazy jest tylko w niewielkim stopniu osłabiona, przebieg choroby jest znacznie łagodniejszy, a objawy stają się zauwaŝalne zazwyczaj dopiero w okresie pokwitania. Na skutek zwiększonej ekspozycji na androgeny, dziewczynki i chłopcy dojrzewają wcześniej niŝ ich rówieśnicy, szybciej rosną, ale nie osiągają wysokiego wzrostu ze względu na przedwczesne kostnienie chrząstek Medicina Veterinaria 5(1) 2006

4 6 K. Brzezińska i in. nasadowych kości długich [Jaaskelainen i in. 1997]. U obu płci obserwuje się problemy skórne, a u dziewcząt dodatkowo hirsutyzm, zaburzenia cyklu płciowego oraz dysfunkcję jajników, z policystowatością i brakiem owulacji włącznie [London 1987]. U młodych kobiet jedynym objawem CAH moŝe być łysienie typu męskiego, a u męŝczyzn spadek płodności. Zdarzają się takŝe przypadki bezobjawowego przebiegu choroby [New 2004]. Wrodzony rozrost kory nadnerczy u ludzi moŝe być równieŝ efektem niedostatecznej syntezy CYP11B1 (5-8% przypadków CAH) [White 2001]. Sporadycznie odnotowuje się zaburzenia steroidogenezy na tle niedoboru CYP17, 3β-HSD oraz StAR [Maitra 2003]. WRODZONE ZABURZENIA STEROIDOGENEZY NADNERCZOWEJ ZWIERZĄT Gatunkiem, który moŝe słuŝyć jako modelowy w badaniach nad wrodzonym rozrostem kory nadnerczy u ludzi, jest mysz domowa (Mus musculus). Mysz wykazuje bowiem analogiczną do człowieka, tandemową duplikację genu Cyp21. Spośród dwóch genów: Cyp21a1 i Cyp21a2, tylko jeden jest aktywny, drugi zaś, podobnie jak u człowieka, jest pseudogenem [Chaplin i in. 1986]. Dowiedziono, Ŝe mutacje genu Cyp21 pozostają u myszy w ścisłym związku z sąsiedztwem pseudogenu [Riepe i in. 2005]. W sekwencji kodującej genu 21-hydroksylazy steroidowej myszy znaleziono i opisano zarówno rozległe delecje, jak i punktowe mutacje, które w formie homozygotycznej powodują znaczny niedobór enzymu, nie dający zwierzętom szans na przeŝycie [Chaplin i in. 1986]. U gryzoni aktywność glikokortykoidową, inaczej niŝ u większości ssaków, wykazuje kortykosteron. Ekspresja genu Cyp17 zachodzi więc u myszy wyłącznie pozanadnerczowo, w gonadach i łoŝysku [Greco i in. 1994]. Mogłoby się wydawać, Ŝe mutacja tego genu nie będzie miała powaŝnych konsekwencji dla zdrowia, a tym bardziej dla Ŝycia myszy. Okazuje się jednak, Ŝe występująca w formie homozygotycznej delecja genu Cyp17 wywołuje śmierć embrionów mysich we wczesnym etapie rozwoju, bo juŝ w 7. dniu po zapłodnieniu. Przyczyną tak wczesnego obumierania płodów jest prawdopodobnie udział produktu genu Cyp17 w migracji komórek endodermalnych i tworzeniu podłuŝnej osi ciała embrionu [Bair i in. 2004]. Badania nad enzymami steroidogenezy nadnerczowej, prowadzone na myszach domowych, przyczyniły się w znacznym stopniu do odkrycia nowej formy CAH tłuszczowego rozrostu kory nadnerczy. U podstaw tej choroby leŝą mutacje genu, kodującego białko StAR. Embriony ze znokautowanym genem początkowo rozwijają się prawidłowo, gdyŝ steroidogeneza łoŝyskowa jest niezaleŝna od StAR, a przezbłonowy transport cholesterolu realizowany jest dzięki innemu białku MLN64 4 [Watari i in. 1997]. Jedyną obserwowaną nieprawidłowością jest kształtowanie się zewnętrznych narządów płciowych Ŝeńskich, niezaleŝnie od płci gonadalnej płodów. Większość zwierząt umiera jednak wkrótce po urodzeniu na skutek niewydolności oddechowej, spowodowanej niedorozwojem tkanki płucnej. Świadczy to o duŝej roli glikokortykoidów w procesie dojrzewania płuc. Pozostałe osobniki przeŝywają pierwsze 1-2 tygodnie, a następnie umierają wskutek wstrząsu hipowolemicznego. Najbardziej charakterystyczny 4 Metastatic lymph node 64 Acta Sci. Pol.

5 Wybrane zaburzenia steroidogenezy nadnerczowej 7 jest obraz histologiczny kory nadnerczy zwierząt z tłuszczową formą CAH. Na skutek nadmiernej akumulacji cholesterolu dochodzi w niej do degeneracji i obumierania komórek, a następnie odkładania się złogów tłuszczu, które niszczą strukturę kory, a w szczególności jej warstwę pasmowatą [Caron i in. 1997]. U królików (Oryctolagus cuniculus) przyczyną wrodzonego, tłuszczowego rozrostu kory nadnerczy, jest rozległa delecja w genie desmolazy cholesterolowej [Yang i in. 1993]. Skutkiem mutacji genu kodującego enzym, katalizujący początkowy etap steroidogenezy nadnerczowej, jest zaburzenie procesu syntezy wszystkich hormonów kory nadnerczy. W tkance korowo-nadnerczowej dochodzi do gromadzenia złogów tłuszczu. Nadmierna sekrecja ACTH prowadzi do znacznego rozrostu gruczołu. Śmierć królicząt, obarczonych mutacją, następuje w ciągu pierwszych dni Ŝycia, a bezpośrednią jej przyczyną jest hiperkaliemia. Sekcja wykazuje nawet 300-krotny rozrost nadnerczy i całkowitą feminizację zewnętrznych narządów płciowych samców [Pang i in. 1992]. U kota domowego (Felis catus) opisano wrodzony rozrost kory nadnerczy, wywołany niedoborem enzymu CYP11 5. U kotek, obarczonych tym syndromem, obserwuje się silną androgenizację, prowadzącą w Ŝyciu płodowym do wytworzenia zewnętrznych i wewnętrznych narządów płciowych męskich. Dominujące objawy choroby są charakterystyczne dla niskiej koncentracji aldosteronu we krwi, potwierdzonej laboratoryjnie, i obejmują zwiększone łaknienie oraz wielomocz. W surowicy stwierdza się wielokrotnie przekraczający wartości referencyjne poziom dezoksykortyzolu i dezoksykortykosteronu [Knighton 2004]. Dezoksykortykosteron jest słabym mineralokortykoidem, więc jego nadmierna akumulacja moŝe prowadzić do retencji sodu i nadciśnienia. Mechanizm genetyczny CAH kota domowego nie został jeszcze poznany. U psów (Canis familiaris) znany jest zespół przypominający wrodzony rozrost kory nadnerczy (ang. CAH-like syndrome), zwany inaczej łysieniem X (ang. Alopecia X) [Schmeitzel i in. 1995]. Silną predyspozycję do zapadania na tę chorobę wykazują psy ras pomeranian i pudel miniaturowy. Objawy choroby są mało specyficzne, typowe dla wielu innych zaburzeń hormonalnych. Na jej obraz składają się obustronne, symetryczne wyłysienia na tułowiu, udach, szyi i ogonie, a takŝe hiperpigmentacja miejsc, pozbawionych włosów. Choroba jest diagnozowana na podstawie wyników badań laboratoryjnych, które wykazują wysoki poziom 17-hydroksyprogesteronu, analogicznie do CAH na tle niedoboru 21-hydroksylazy, stwierdzonego u ludzi [Frank i in. 2003]. Szczegółowe badania genetyczne wykluczyły jednak mutacje genu Cyp21 z kręgu potencjalnych przyczyn choroby u psów [Takada i in. 2002]. Etiologia schorzenia jest prawdopodobnie bardziej złoŝona. W jaki sposób bowiem wyjaśnić zwiększone stęŝenie kortyzolu we krwi chorych zwierząt [Frank i in. 2003], albo pozytywną reakcję na leczenie inhibitorem 3-β dehydrogenazy steroidowej [Cerundolo i in. 2004]? Wyjaśnienie tych problemów mogą przynieść dalsze, wnikliwe badania. PODSUMOWANIE Wrodzone zaburzenia steroidogenezy nadnerczowej występują zarówno u ludzi, jak i u zwierząt, przybierając bardzo podobne formy kliniczne. Wynika to z analogicznych mechanizmów biochemicznych, sterujących biosyntezą hormonów kory nadnerczy 5 U kota domowego istnienie dwóch form enzymu CYP11: CYP11B1 i CYP11B2 nie zostało udowodnione Medicina Veterinaria 5(1) 2006

6 8 K. Brzezińska i in. ssaków. Znajomość tych analogii moŝe okazać się bardzo pomocna w prawidłowym diagnozowaniu przypadków chorobowych zwierząt. PIŚMIENNICTWO Arakane F., Kallen C.B., Watari H., Foster J.A., Sepuri N.B., Pain D., Stayrook S.E., Lewis M., Gerton G.L., Strauss J.F., The mechanism of action of steroidogenic acute regulatory protein (StAR). StAR acts on the outside of mitochondria to stimulate steroidogenesis. J. Biol. Chem., 273, Bair S.R., Mellon S.H., Deletion of the mouse P450c17 gene causes early embryonic lethality. Mol. Cell Biol., 24, Caron K.M., Soo S.C., Wetsel W.C., Stocco D.M., Clark B.J., Targeted disruption of the mouse gene encoding steroidogenic acute regulatory preotein provides insights into congenital lipoid adrenal hyperplasia. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 94, Cerundolo R., Lloyd D.H., Persechino A., Evans H., Cauvin A., Treatment of canine Alopecia X with triolstane. Vet. Dermatology 15, Chaplin D.D., Galbraith L.J., Seidman J.G., White P.C., Parker K.L., Nucleotide sequence analysis of murine 21-hydroxylase genes: mutations affecting gene expression. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 83, Frank L.A., Hnilica K.A., Rohrbach B.W., Oliver J.W., Retrospective evaluation of sex hormones and steroid hormone intermediates in dogs with alopecia. Vet. Dermatol., 14, Greco T.L., Payne A.H., Ontogeny of expression of the genes for steroidogenic enzymes P450 side-chain cleavage, 3-beta hydroxysteroid dehydrogenase, P450 17alpha hydroxylase/c17-20 lyase and P450 aromatase in fetal mouse gonads. Endocrinology, 135, Grumbach M.M., Ducharme J.R., The effects of androgens on fetal sexual development. Androgen-induced female pseudohermaphroditism. Fertil. Steril., 11, Higashi Y., Yoshioka H., Yamane M., Gotoh O., Fujii-Kuriyama Y., Complete nucleotide sequence of two steroid-hydroxylase genes tandemly arranged in human chromosome: a pseudogene and a genuine gene. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 83, Hughes I., Congenital adrenal hyperplasia: phenotype and genotype.j. Pediatr. Endocrinol. Metab., 15, Suppl 5, Jaaskelainen J., Voutilainen R., Growth of patients with 21 hydroxylase deficiency: an analysis of the factors influencing adult height. Pediatr. Res., 41, Knighton E.L., Congenital adrenal hyperplasia secondary to 11-beta-hydroxylase deficiency in a domestic cat. J. Am. Vet. Med. Assoc., 225, London D.R., The consequences of hyperandrogenism in young women. J. R. Soc. Med., 80, Maitra A., Shirwalkar H., Congenital adrenal hyperplasia: biochemical and molecular perspectives. Indian J. Exp. Biol., 41, Nerbert D.W., Nelson D.R., Coon M.J., Estabrook R.W., Feyereisen R., Fujii-Kuriyama Y., Gonzalez F.J., Guengerich F.P., Gunsalus I.C., Johnson E.F., Loper J.C., Sato R., Waterman M.R., Waxman D.J., The P450 superfamily: update on new sequences, gene mapping, and recommended nomenclature. DNA Cell Biol., 10, New M.I., An update of congenital adrenal hyperplasia. Ann. N. Y. Acad. Sci., 1038, Pang S., Yang X., Wang M., Tissot R., Nino M., Manaligod J., Bullock L.P., Mason J.I., Inherited congenital adrenal hyperplasia in the rabbit: absent cholesteron side-chain cleavage cytochrome P450 gene expression. Endocrinology, 31, Acta Sci. Pol.

7 Wybrane zaburzenia steroidogenezy nadnerczowej 9 Riepe F.G., Tatzel S., Sippel W.G., Pleiss J., Krone N., Congenital adrenal hyperplasia: the molecular basis of 21-hydroxylase deficiency in H-2(aw18) mice. Endocrinology, 146, Schmeitzel L.P., Lothrop C.D., Rosenkrantz W.S., Congenital adrenal hyperplasia-like syndrome. In:Bonagura JD ed. Kirk s Current Veterinary Therapy XII. Philadelphia: WB Saunders, Speiser P.W., White P.C., Congenital adrenal hyperplasia. N. Engl. J. Med., 349, Stratakis C.A., Rennert O.M., Congenital adrenal hyperplasia: molecular genetics and alternative approaches to treatment. Crit. Rev. Clin. Lab. Sci. 36, Takada K., Kitamura H., Takiguchi M., Saito M., Hashimoto A., Cloning of canine 21- -hydroxylase gene and its polymorphic analysis as a candidate gene for congenital adrenal hyperplasia-like syndrome in Pomeranians. Res. Vet. Sci. 73, Watari H., Arakane F., Moog-Lutz C., MLN64 contains a domain with homology to the steroidogenic acute regulatory protein (StAR) that stimulates steroidogenesis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 94, White P.C., Steroid 11β hydroxylase deficiency and related disorders. Endocrinol. Metab. Clin. North Am., 30, Whitehead F.J., Couper R.T., Moore L., Bourne A.J., Byard R.W., Dehydration deaths in infants and young children. Am. J. Forensic Med. Pathol. 17, Yang X., Iwamoto K., Wang M., Artwohl J., Mason J.I., Pang S., Inherited congenital adrenal hyperplasia in the rabbit is caused by a deletion in the gene encoding cytochrome P450 cholesterol side-chain cleavage enzyme. Endocrinology, 132, CHOSEN, INHERITED DISORDERS OF CORTICOSTEROIDOGENESIS PATHWAY IN PEOPLE AND ANIMALS Abstract. This article describes both ethiology and clinical signs of inherited diseases in people and animals which are related to insufficient biosynthesis of adrenocortical steroids. In human medicine the most often diagnosed disease of such kind is Congenital Adrenal Hyperplasia due to 21-steroid hydroxylase deficiency but also due to impaired activity or deficiency of further enzymes involved in corticosteroidogenesis. Inherited disorders of steroid biosynthesis similar to human diseases are also present in domestic animals. Key words: adrenocortical steroidogenesis, Congenital Adrenal Hyperplasia Zaakceptowano do druku Accepted for print: Medicina Veterinaria 5(1) 2006