Genetyka

Wrodzona stopa końsko-szpotawa jest wadą złożoną, co oznacza, że więcej niż jeden gen jak również czynniki środowiskowe mogą odgrywać rolę w jej powstaniu. Zidentyfikowanie genów odpowiedzialnych za stopę końsko-szpotawą pozwoli ulepszyć poradnictwo genetyczne oraz może potencjalnie prowadzić do nowych i ulepszonych metod leczenia i profilaktyki tego zaburzenia.

Dr Matthew B. Dobbs

RODZINNIE

ok. 25%

wszystkich pacjentów z izolowaną stopą końsko-szpotawą posiada dodatni wywiad rodzinny pod kątem tej wady

ZAGADKA

Pewnie zastanawiasz się na tym, nad czym zastanawia się niemalże każdy rodzic dziecka z wrodzoną stopą końsko-szpotawą? Przebiegając wspomnieniami przez okres ciąży, szukasz jakiejś „luki”, która dałaby Ci odpowiedź na pytanie, na które jednak wciąż nie ma odpowiedzi…

Badania w kierunku odkrycia przyczyny powstania wady trwają nieprzerwanie od bardzo wielu lat, nurtując nie jedno pokolenie badaczy w różnych częściach globu. Genetycy nieustannie pracują nad odkryciem tego „magicznego” genu, który powoduje tę deformację. Niestety, dziś już wiadomo, że nie jest to jeden czarodziejski składnik, a wiele, co komplikuje rozwiązanie tej zagadki, a żadne z dotychczas przeprowadzonych badań nie wskazało jednoznacznie przyczyny pochodzenia tej wady. Klinicyści wysuwali wiele teorii dotyczących gentycznych podstaw wady, niektóre z nich stoją w opozycji do siebie nawzajem. Tak więc w toku historii badań można spotkać się z teorią dziedziczenia autosomalnego genu recesywnego (Fetscher (1921), Idelberger (1939), J. A. Böök (1948), Ducci and Grilli (1954)), dziedziczenia autosomalnego genu dominującego o zredukowanej penetracji (R. Palmer (1964)) czy połączonej z płcią dziedziczności genu recesywnego (E. Isigkeit (1927)).

Coraz to lepsze techniki badań oraz rozwój nauki doprowadził badaczy do wniosku, że o ile pojedyncze geny mogące brać udział w dziedziczeniu są ważne, to jednak nie można wykluczyć i pominąć wieloczynnikowego dziedziczenia kilku genów, o czym pisało w swoich badaniach wielu naukowców, np. Wynne-Davies w 1965 r., wspomniany wcześniej Palmer w 1974 r. czy Yamamoto 1979 r.

Dziś wiadomo, że zniekształcenie końsko-szpotawe jest wadą heterogeniczną (ma wiele cech) o podłożu poligenicznym, co oznacza, że bierze w niej udział wiele genów jednocześnie. Odkrycie, które to są geny jest celem badań oraz zrozumienie mechanizmu powstania pewnych anomalii w genach lub ich łączeniu i oddziaływaniu na inne geny.

ODKRYCIA Z ST.LOUIS – PITX1 ORAZ TBX4

W 2008 r. grupa naukowców z Washington University School of Medicine w St. Louis w Stanach Zjednoczonych, w której skład wszedł m.in. Dr Matthew B. Dobbs, opublikowała badania, wykorzystując do ich przeprowadzenia metodę mapowania genomów (ang. gene mapping). Jest to nowatorska metoda, dające lepsze rezultaty badawcze i dokładniejsze dane, ponieważ polega na sporządzaniu map, przedstawiających położenie poszczególnych genów na chromosomie.

 

PRZEDMIOT I METODA BADAŃ

W badaniu amerykańskich naukowców została opisana pięciopokoleniowa rodzina z Ameryki Północnej, której pochodzenie było europejskie.
Pobrane od 13 członków rodziny próbki poddano mapowaniu genomu poprzez technologię Affymetrix GeneChip Mapping 10K i przeanalizowano pod kątem wystąpienia mutacji odpowiedzialnych za rozwój kończyn we wczesnym okresie zarodkowym. Mutacje te określane są jako PITX1 oraz TBX4.
U wszystkich badanych w chromosomie 5q31 wykryto właśnie mutacje PITX1 oraz TBX4, gdzie gen PITX1 jest genem homeotycznym.

Washington University in St.Louis, Uniwersytet Waszyngtona w St. Louis, School of Medicine, szkoła medyczna, uniwersytet, Szpital Dziecięcy w St. Louis, St.Louin Children's Hospital
Szkoła medyczna Uniwersytetu Waszyngtona w St. Louis

GENY HOMEOTYCZNE

(ang. homeobox genes) to grupa genów kontrolujących rozwój morfologiczny poszczególnych części ciała w początkowych stadiach rozwoju zarodkowego, zarówno u bezkręgowców jak i kręgowców. Mutacje w obrębie tych genów zazwyczaj nie wpływają negatywnie na układ segmentów ciała, ale prowadzą do stanu określanego mianem homeosis, w którym określony segment zostaje zastąpiony przez inny. Wynika to z tego, że w przypadku takiej mutacji niektóre komórki otrzymały w czasie rozwoju zarodka błędną informację pozycyjną i dlatego zachowują się w niewłaściwy dla siebie sposób.
DNA, genes, geny, łańcuch dna, niebieski, genetyka, krzywa stopa, stopa konsko-szpotawa, stopa końsko-szpotawa, stopy konsko-szpotawe, stopy końsko-szpotawe, clubfoot, clubfeet, dziedziczna, genetyczna, wada genetyczna

REZULTATY BADANIA

Badana rodzina obarczona była głównie dominującą idiopatyczną stopą końsko-szpotawą, gdzie wada została zasegregowana jako autosomalna dominująca cecha z niepełną penetracją. Najmłodsze dziecko miało obustronną stopę końsko-szpotawą, ale także obustronną przedosiową polidaktylię palców stóp, prawostronny brak kości piszczelowej, miało także dodatkowy mały płatek skóry u wejścia do ucha. Był to jednocześnie najcięższy z badanych w rodzinie przypadków.
5 członków rodziny było dotkniętych stopą końsko-szpotawą, 3 spośród nich cięższą deformacją po prawej stronie, jeden chłopiec miał wadę po lewej stronie. Dwie osoby miały obustronną stopę płaską (pes planus) – kości skokowe ustawione były skośnie. Jedna osoba miała wrodzoną dysplazję stawu biodrowego, a dwie niedorozwój rzepki, wpływający na funkcjonalność stawu kolanowego. Pozostali członkowie mieli inne wady związane z kończyną dolną.
Ciekawostką, która ujawniła się podczas badań było, że nosicielkami mutacji były zdrowe kobiety, co mogłoby potencjalnie wyjaśniać, dlaczego z wrodzoną stopą końsko-szpotawą rodzi się mniej dziewczynek. Mężczyźni byli wolni od przenoszenia wady, mimo, że ją posiadali.

MIKRODUPLIKACJE

ok.5%

przypadków rodzin, w których występuje stopa końsko-szpotawa izolowana (bez powiązania z innymi wadami), występują mikroduplikacje w genie TBX4

Wykazano, że mutacje w genach PITX1 i TBX4 prowadzą do zmniejszenia umięśnienia kończyn dolnych i klasycznych fenotypów występujących u dzieci (i myszy) ze stopą końsko-szpotawą, a zatem nie jest wykluczone, że mutacja akurat tych genów jest odpowiedzialna za wyizolowane przypadki stopy końsko-szpotawej (osoby nie mają żadnych innych wad genetycznych). Niestety, te same mutacje mogą również być związane z syndromicznymi defektami wzrostu kości długich.
Badania nad genem TBX4 wykazały, że następują w nim mikroduplikacje (zdwojenia), które mają wpływ na kształtowanie się wady.
Niewątpliwie badania nad genami odkrytymi przez Amerykanów wymagają kontynuowania oraz doprecyzowania. Jest to światełko w tunelu dla odkrycia przyczyn powstawania stopy końsko-szpotawej.

University of Aberdeen, Uniwersytet w Aberdeen, Szkocja, Scottland, szkoła medyczna, uniwersytet medyczny, geny, genetyka, genetycznie, Limk1, Prof.Martin Collinson, krzywa stopa, stopa konsko-szpotawa, stopa końsko-szpotawa, stopy konsko-szpotawe, stopy końsko-szpotawe, clubfoot, clubfeet
Uniwersytet w Aberdeen

ABERDEEN – LIMK1

Badania przeprowadzone przez Dr. J. Martina Collinsona wraz z zespołem badaczy Uniwersytetu Medycznego w Aberdeen, pokazały, że jeden z genów, określany jako LIMK1 ulega dynamicznej ekspresji podczas embriogenezy i jest obecny we wszystkich neuronach rozwijającej się cewy nerwowej w E 11.5, czyli w 11.5 dniu życia zarodkowego myszy, na których robiono część badań, jako że mysz ma zbliżony fenotyp do ludzkiego, co daje miarodajne rezultaty. Gen LIMK1 koduje jedną z kinaz (kinaza serynowo-treoninowa) o nazwie LIM-domain kinase 1 (Limk1). Kinaza ta fosforyluje, czyli przyłącza reszty kwasu fosforowego do określonych związków chemicznych, w tym przypadku do kofiliny (rodzaj białka), hamując jej aktywność do depolimeryzacji filamentów aktynowych (włókien białkowych znajdujących się w cytoplaźmie). W ten sposób przewidywana jest nadekspresja LIMK1 hamująca obrót aktyny, która jest białkiem, które jest elementem cytoszkieletu, biorącym udział m.in. utrzymywaniu (i zmianach) kształtu oraz ruchach komórki. Zgodnie z tym zjawiskiem, badacze wykazali, że neurony ruchowe myszy w zanikłych mięśniach strzałkowych (PMA – peroneal muscular atrophy) z nadekspresją <LIMK1 mają wysokie poziomy p-kofiliny i słabiej aksonują, w porównaniu z typem dzikim. In vivo najpoważniejszą konsekwencją tego wydaje się być utrata nerwu strzałkowego w wyniku jego silnej atrofii.

PRZEDMIOT, METODA I REZULTATY BADAŃ

Przebieg, metoda i rezultaty badania

W celu empirycznego ustalenia, czy nadaktywność LIMK1 może prowadzić do defektu neuronowego, aktywność genu była naśladowana „in ovo” (czyli w zarodkach kurzego jaja) farmakologicznie za pomocą jasplakinolidu w celu hamowania obrotu aktyny.
W kończynach leczonych jasplakinolidem zaobserwowano opóźniony lub stłumiony wzrost aksonów grzbietowych, co wskazuje, że rozregulowanie ścieżki LIMK1 może zakłócać rozwój nerwu strzałkowego. Ustalenia te zostały następnie potwierdzone przez dodatkową elektroporację w neuronach bocznej kolumny nerwu kulszowego (LMC – lateral motor clumn). Ustalenia te zostały następnie potwierdzone przez dodatkową elektroporację LMC w zarodku kurzego jaja w celu indukcji nadekspresji genu podczas rozwoju „in vivo” zarodka kurczaka.
Spontaniczny autosomalny recesywny mutant „strzałkowej atrofii mięśniowej” (PMA) u myszy jest wiernym modelem morfologicznym ludzkiej stopy końsko-szpotawej. U myszy w PMA nie występują grzbietowe (strzałkowe) gałęzie nerwów kulszowych. W tym badaniu pierwotny defekt rozwojowy został zidentyfikowany jako obniżony wzrost neuronów w bocznej kolumnie nerwu kulszowego (LMC), prowadząc do wniosku, że nerw kulszowy zanika lub zostaje zredukowany, a wraz z nim cała sieć powiązanych nerwów, powodując atrofię mięśni strzałkowych.
Analizy genetyczne i molekularne wykazały, że mutacja działa na szlaku EphA4-Limk1-Cfl1 / kofilina-aktyna.
U kurczaków, zarówno eksperymentalne zwiększenie kinazy Limk1 przez elektroporację, jak i farmakologiczne hamowanie obrotu aktyny prowadziły do defektów we wzroście neuronów nerwowych kręgosłupa oraz do znalezinenia ścieżki genu oraz naśladowania zniekształcenia końsko-szpotawego.

University of Aberdeen, Uniwersytet w Aberdeen, Szkocja, Scottland, szkoła medyczna, uniwersytet medyczny, geny, genetyka, genetycznie, Limk1, Prof.Martin Collinson, krzywa stopa, stopa konsko-szpotawa, stopa końsko-szpotawa, stopy konsko-szpotawe, stopy końsko-szpotawe, clubfoot, clubfeet

WAŻNA GENETYKA?

Dlaczego badania nad genetyką są tak ważne? Odpowiedź nasuwa się niemalże sama – znając przyczynę, będzie można łatwiej tę wadę przewidzieć i zastosować leczenie skuteczniej. Mimo, że odkrywane są coraz to nowsze geny, mutacje i kombinacje, nadal nie ma jednoznacznej odpowiedzi. Jednak próby rozwiązania genetycznej zagadki należy podejmować nieustannie.

Matthew B. Dobbs, Dr Dobbs, St.Louis Children's Hospital, PITX1, genetic, genes, krzywa stopa, stopa konsko-szpotawa, stopa końsko-szpotawa, stopy konsko-szpotawe, stopy końsko-szpotawe, clubfoot, clubfeet Wrodzona stopa końsko-szpotawa jest wadą złożoną, co oznacza, że więcej niż jeden gen jak również czynniki środowiskowe mogą odgrywać rolę w jej powstaniu. Zidentyfikowanie genów odpowiedzialnych za stopę końsko-szpotawą pozwoli ulepszyć poradnictwo genetyczne oraz może potencjalnie prowadzić do nowych i ulepszonych metod leczenia i profilaktyki tego zaburzenia.
Dr Matthew B. Dobbs

Martin Collinson, Prof. Martin Collinson, University of Aberdeen, Limk1, genetic, genes, krzywa stopa, stopa konsko-szpotawa, stopa końsko-szpotawa, stopy konsko-szpotawe, stopy końsko-szpotawe, clubfoot, clubfeetJest to, miejmy nadzieję, kolejny element układanki, który powoduje stopę końsko-szpotawą u ludzi.
Prof. Martin Collinson

RASOWE PODSTAWY

Wygląda na to, że rasowe pochodzenie nie jest bez znaczenia biorąc pod uwagę genetyczne podstawy wady. Wg badań C.S. Chung, przeprowadzonych w latach 1948-1958 na Hawajach, gdzie badano populację Hawajską wraz z jej odmianami (Hawajczycy, Chińczycy, Koreańczycy, Filipińczycy, Puertorykanie oraz „mieszanki” orientalne) pod kątem występowania stopy końsko-szpotawej, przywiedzenia przodostopia lub stopy koślawej (calcaneovalgus), wśród Hawajczyków występuje zdecydowanie większy odsetek wrodzonej stopy końsko-szpotawej niż np. u innych nacji (nacja bazowa: Kaukazczycy) i w parach mieszanych, w których jedno z rodziców jest Hawajczykiem ryzyko wzrasta, podczas gdy u innych orientalnych „krzyżówek” maleje.

Aż 7 na 1000 urodzeń dzieci ze stopą końsko-szpotawą to Hawajczycy, natomiast wśród Chińczyków odsetek ten wynosi tylko 0.39 na 1000 urodzeń.
Częstość występowania stopy końsko-szpotawej biorąc pod uwagę różnice rasowe oraz genetyczne uwarunkowania nadal nie jest jednoznaczne. Trudno jest to określić głównie ze względu na np. niewielką populację bazową, tak jak w badaniach Jianhua Wang z 1988 lub na zbyt niski odsetek innych nacji oraz częstą ich migrację. Nie można natomiast całkowicie wykluczyć, że rasa czy pochodzenie nia ma znaczenia w określeniu dziedziczenia wady.

ILOŚĆ/1000 URODZEŃ ŻYWYCH KRAJ ŹRÓDŁO DANYCH
3,49 Australia: Aborygeni M. Carey, C. Bower i inni (2003): „Talipes equinovarus in Western Australia. Paediatric Perinatal Epidemiology”
1,11 Australia: Kaukazi M. Carey, C. Bower i inni (2003): „Talipes equinovarus in Western Australia. Paediatric Perinatal Epidemiology”
1,6 Belgia R. Paton, A. Fox i inni (2010): „Incidence and aetiology of talipes equino-varus with recent population changes.”
1,2 Dania M. Krogsgaard, P. Jensen i inni (2006): „Increasing incidence of club foot with higher population density: incidence and geographical variation in Denmark over a 16 year period.”
6,8 Hawaje F. Dietz (2002): „The genetics of idiopathic clubfoot. Clinical Orthopaedics and Related Research”
0,9 Indie R. Mittal, A. Sekhon i inni: „The presence of congenital orthopaedic anomalies in a rural community.”
0,87 Japonia H. Yamamoto (1979): „A clinical, genetic and epidemiologic study of congenital club foot.”
2 Malawi N. Mkandawire, E. Kaunda (2004): „Incidence and patterns of congenital talipes equinovarus (clubfoot) deformity at Queen Elizabeth Central Hospital”
2.7 Papua Nowa Gwinea A. Culverwell, C. Tapping (2009): „Congenital Talipes Equinovarus in Papua New Guinea: a difficult yet potentially manageable situation.”
0.76 Filipiny J. Aguilar (nd): „Ponseti method for treating clubfoot in older children and children with previous unsuccessful subtalar releases: short term results.”
1.4 Szwecja H. Wallander, L. Hovelius i inni (2006): „Incidence of congenital clubfoot in Sweden.”
1.2 Uganda S. Pirani, E. Maddumba i inni (2009): „Towards effective Ponseti clubfoot care: the Uganda Sustainable Clubfoot Care Project.”
1 Stany Zjednoczone F. Dietz (2002): „The genetics of idiopathic clubfoot.”

OGÓLNE RYZYKO WYSTĄPIENIA STOPY KOŃSKO-SZPOTAWEJ JEST TAKIE SAMO DLA CAŁEJ POPULACJI. W PRAKTYCE OZNACZA TO, ŻE NAWET GENETYCZNIE ZDROWA PARA MOŻE MIEĆ DZIECKO Z TĄ WADĄ, ALE RÓWNIEŻ PARA OBCIĄŻONA MOŻE MIEĆ DZIECKO BEZ WADY (ACZKOLWIEK RYZYKO JEJ WYSTĄPIENIA W TAKIM WYPADKU JEST WYŻSZE.)

STATYSTYKI

Wiele badań w kierunku „genetycznej” podstawy wady sugeruje, że pewne dane są spójne niezależnie od miejsca ich wykonywania i czasu oraz od czynników środowiskowych. Proste zestawienie znajduje się poniżej.

2:1
wada występuje DWA RAZY CZĘŚCIEJ u chłopców niż u dziewczynek
50%
w około 50% przypadków zniekształcenia dotyczy OBU stóp
KOLEJNE
jeśli rodzice są wolni od wady i urodzi im się dziecko z wadą, to ryzyko, że kolejne dziecko będzie miało wadę wynosi 3%
JEDEN
jeżeli jedno z rodziców ma tę wadę, prawdopodobieństwo, że jego dziecko będzie dotknięte wynosi 3,57%
DWOJE
jeżeli dwoje rodziców ma tę wadę, prawdopodobieństwo, że dziecko będzie nią dotknięte wynosi 10-15%
BLIŹNIĘTA
w przypadku bliźniąt jednojajowych deformacja może wystąpić u obojga rodzeństwa w 32,5%, u dwujajowych w 2,9%
I LINIA
ryzyko wady w pierwszej linii pokrewieństwa (relacja rodzic-dziecko lub rodzeństwo-rodzeństwo) wynosi około 3%
II LINIA
ryzyko wady w drugiej linii pokrewieństwa (dziadkowie, ciotka, wuj) wynosi 0,5-0,6%
III LINIA
ryzyko wady w trzeciej linii pokrewieństwa (kuzyni) wynosi 0,2%

ŹRÓDŁA

WIEDZA:
1. Idelberger K.: „Die Zwillingspathologie des angeborenen Klumpfußes.”, Stuttgart, 1939
2. Chung C.S. i inni: „Genetic and Epidemiological Studies of Clubfoot in Hawaii: Ascertainment and Incidence.”
3. Dane tabelarycznie
4. Dodatkowe źródła naukowe z tabeli
5. Wang J. i inni: „The Role of Major Gene in Clubfoot.”
6. Palmer R. i inni: „The genetics of talipes equinovarus.”, The Journal of Bone & Joint Surgery (JBJS), 1964
7. Palmer R. i inni: „Studies of the inheritance of idiopathic talipes equinovarus.”, 1974
8. Wynne-Davies R. i inni: „Family studies and the cause of congenital clubfoot.”, The Journal of Bone & Joint Surgery (JBJS), 1964
9. Wynne-Davies R. i inni: „Aetiology and interrelationship of some common skeletal deformities.”
10. Yamamoto H.: „Clinical, genetic and epidemiologic study of congenital club foot.”
11. Kurcek A.: Mapowanie genomów.”
12. Gurnett C.A., Dobbs M.B. i inni: „Asymmetric Lower-Limb Malformations in Individuals with Homeobox PITX1 Gene Mutation.”
13. Alvarado D.M. i inni: „Familial Isolated Clubfoot Is Associated with Recurrent Chromosome 17q23.1q23.2 Microduplications Containing TBX4.”
14. Alvarado D.M. i inni: „Pitx1 haploinsufficiency causes clubfoot in humans and a clubfoot-like phenotype in mice.”
15. Alvarado D.M. i inni: „Copy number analysis of 413 isolated talipes equinovarus patients suggests role for transcriptional regulators of early limb development.”
16. Gurnett C.A., Dobbs M.B. i inni: „Genetics of Clubfoot.”
17. Weymouth K.S., Dobbs M.B. i inni: „Variants in Genes That Encode Muscle Contractile
Proteins Influence Risk for Isolated Clubfoot.”

18. Alvarado D.M. i inni: „Deletions of 5′ HOXC genes are associated with lower extremity malformations, including clubfoot and vertical talus.”
19. Collinson J.M. i inni: „The developmental and genetic basis of ‚clubfoot’ in the peroneal muscular atrophy mutant mouse.”
20. Kinaza serynowo-treoninowa
21. Fosforylacja
22. Ostrowska Z., Moraczewska J.: „Kofilina – białko kontrolujące dynamikę filamentów aktynowych*”
23. Filamenty
24. Mikrofilamenty
25. Aktyna
26. Holzinger A.: „Jasplakinolide: an actin-specific reagent that promotes actin plymerization.”
27. Yong B.C. i inni: „A systematic review of association studies of common variants associated with idiopathic congenital talipes equinovarus (ICTEV) in humans in the past 30 years.”
28. Basit S. i inni: „Genetics of clubfoot: recent progress and future perspectives.”
29. First Gene For Clubfoot Identified

ZDJĘCIA I GRAFIKI:
1. Washington University in St. Louis
2.  DNA
4. University of Aberdeen
6. Zdjęcie elektroporacji pochodzi z badań: Collinson J.M. i inni: „The developmental and genetic basis of ‚clubfoot’ in the peroneal muscular atrophy mutant mouse.”
7. Matthew B. Dobbs, MD
8. Doktor Martin Collinson

WESPRZYJ NAS!