Przykłady naturalnie występujących jednogenowych mutacji wywołujących

1.3.1.1. Mutacja genu agouti – otyłość dziedziczona dominująco

Gen agouti był pierwszym sklonowanym genem “otyłości” u zwierząt. Produkt tego genu – białko ASP (ang. agouti signaling protein) jest białkiem 133-amino-kwasowym (o masie cząsteczkowej 16 kD). Ekspresję tego białka wykryto w skórze, jądrach i tkankach embrionalnych. Indukuje on wytwarzanie feomelaniny w melano-cytach, formując w ten sposób charakterystyczną wstęgę w otoczce włosowej (żółta podszczytowa wstęga we włosach koloru brązowego lub czarnego). Mutacje w pro-motorze tego genu zwane: A^y i A^vy dziedziczone są dominująco i wywołują ektopową nadekspresję tego genu we wszystkich tkankach. Myszy będące nosicielami tej mu-tacji charakteryzują się nie tylko żółtym kolorem futra, lecz także niepohamowaną żarłocznością, otyłością, hiperinsulinemią i bezpłodnością. Wynika to z roli białka ASP w regulacji apetytu w mózgu. ASP hamuje wiązanie α-MSH, produktu proteolizy proopiomelanokortyny (POMC) do receptorów melanokortynowych, które należą do rodziny receptorów związanych z białkami G [55, 56]. ASP ma szczególnie silne powinowactwo do MCR-1 i MCR-4, dwu z pięciu znanych receptorów z tej rodziny [57, 58]. Otyłość i żółte futro u myszy są konsekwencją dwóch niezależnych od siebie zjawisk. Myszy o genotypie e/e, u których nie występuje synteza eumelaniny, są żółte i nieotyłe. Natomiast myszy, które są nosicielami mutacji A^vy, u których mutacja nie

pozwala na syntezę feomelaniny, są czarne i otyłe. Podobnie mutacja MCR-1 wywo-łuje powstawanie żółtych i nieotyłych myszy, natomiast myszy pozbawione genu MCR-4, którego ekspresja jest szczególnie wysoka w podwzgórzu, są otyłe o czarnym futrze. Badania te dały podstawę do twierdzenia, że receptor MCR-4 jest odpowie-dzialny za regulację równowagi energetycznej i wiąże mutację ASP z otyłością [58, 59].

Oprócz α-MSH, wytwarzanego przez neurony podwzgórzowe i przysadkę mózgową, ligandami dla receptora MCR-4 są również AGRP (ang. agouti related protein) i zdeacetylowana forma α-MSH, których ekspresja występuje normalnie w przysadce mózgowej. Białko AGRP ma strukturę częściowo homologiczną do ASP, a jego nad-ekspresja występuje w wielu postaciach otyłości typu “yellow” i mutacjach MCR-4 u myszy [39, 41, 42, 57]. W ten sposób ektopowa ekspresja ASP może indukować powstawanie otyłości poprzez zaburzenie normalnego działania AGRP. Ponadto suge-ruje się, że γ-MSH, inny metabolit POMC strukturalnie zbliżony do α-MSH, ma również swój udział w regulacji energetycznej poprzez współdziałanie na drodze MCR-3 w podwzgórzu [39, 57].

Badania ostatnich lat dotyczące genu “mahoniowego” (mg) (ang. mahogany gene) świadczą o jeszcze bardziej złożonym mechanizmie powstawania otyłości związanej z genem agouti. Gen “mahoniowy” odpowiada za ekspresję białka przezbłonowego o masie 150 kD, zbliżonego pod względem homologii do białek podścieliska między-komórkowego [39, 40]. Homozygotyczna mutacja w genie mg prowadzi do ochrony przed powstaniem żółtej barwy włosów i rozwojem otyłości u myszy A^y, a nie u myszy posiadających mutację w MCR-1 i MCR-4. Sugeruje to zaburzenie dotyczące białka na szlaku pomiędzy mutacją A^y a receptorem melanokortyny [40].

U myszy białko AGRP jest silnym regulatorem apetytu, wywołującym po podaniu do naczyń mózgowych mocny efekt hiperfagii. Efekt ten obserwuje się również u myszy transgenicznych z nadekspresją tego genu. Podanie egzogennego białka AGRP wywo-łuje nadmierny apetyt na pokarmy wysokokaloryczne o dużej zawartości cukrów i tłuszczów. Ludzki analog tego genu (hAGRP) został zmapowany na chromosomie 16q22 i ma tę samą fizjologiczną funkcję. Poznany polimorfizm w 3 eksonie tego genu 199G→A wywołuje substytucję aminokwasową Ala67Thr. Badania tego polimorfizmu u ludzi pokazały, że genotyp G/G cechuje większa podatność na rozwój otyłości, która rozwija się zwykle w średnim wieku [41, 57].

1.3.1.2. Mutacje genu tubby

U myszy homozygotyczna mutacja w genie tubby jest związana z otyłością po-wstającą w późnym wieku, głuchotą, i zwyrodnieniem siatkówki. Otyłość ta nie jest związana z rozwojem cukrzycy typu 2. Przyczyną otyłości jest mutacja punktowa, która doprowadza do utraty c-końca białka w wyniku błędu w procesie splicingu mRNA. Gen tubby należy do rodziny genów zwanych tubby-like, o nieznanej funkcji.

U ludzi homologi genów tubby to geny TUB i TUB-like zwane też TULP-1, TULP-2 i TULP-3. Otyłość u ludzi nie wykazuje sprzężenia z genami tej rodziny. TULP-1 i TULP-2 natomiast są związane z występowaniem retinis pigmentosa i zwyrodnieniem pręcików siatkówki. Geny te wykazują wysoką homologię do genów fosfodiesteraz i mogą być związane z regulacją apoptozy komórek [60, 61].

1.3.1.3. Mutacje w genie leptyny jako jednogenowe przyczyny otyłości

Duże znaczenie dla zrozumienia etiologii otyłości miało odkrycie u myszy genu ob i jego ludzkiego homologu genu Lep. Homozygotyczna mutacja u myszy ob/ob jest przyczyną otyłości i cukrzycy zaraz po urodzeniu. Dodatkowo myszy te charakteryzują się ogromną żarłocznością, hipotermią, hiperkortykosterolemią, niskim wzrostem i bezpłodnością. Metodą klonowania pozycyjnego (ang. positional cloning) scharakte-ryzowano i zlokalizowano gen odpowiedzialny za wytwarzanie leptyny u myszy i u ludzi [62–64]. Gen ten jest położony w regionie q31.3 na chromosomie 7 u ludzi.

Gen Lep koduje 167-aminokwasowe (16 kD) białko leptyny, które należy do rodziny cytokin klasy I. Struktura pierwszorzędowa tego białka jest bardzo konserwatywna (84% homologii pomiędzy mysim a ludzkim genem) [63, 64].

Jak dotąd, opisano w piśmiennictwie dwie mutacje u ludzi powodujące zniesienie funkcji leptyny i obserwowany bardzo niski poziom tego hormonu we krwi. Zostały one znalezione u sześciorga dzieci z otyłością olbrzymią [62–64]. Przyczynami moleku-larnymi tych mutacji są substytucja 314C→T wywołująca zakończenie translacji w kodonie 105 tego białka (ekson 3) i delecja 398G→Δ w kodonie 133.

Homozygoty pod względem mutacji 314C→T cechuje otyłość olbrzymia, bardzo niski poziom leptyny, hiperinsulinemia i hiperglikemia. Mężczyzna heterozygota opi-sany w piśmiennictwie charakteryzował się podwzgórzową niedoczynnością gonad i zaburzeniem czynności współczulnego układu nerwowego, u kobiet natomiast ob-serwowano wrodzony brak miesiączkowania. Zaburzenie to połączone było z wczesną cukrzycą i niepłodnością. BMI pacjentów nosicieli tej mutacji już w wieku 6 lat osiągało wartości powyżej 30, a w wieku 30 lat dochodziło do 50 kg/m².

Opisano również bardzo wczesną, silną otyłość, rozpoczynającą się już w okresie niemowlęcym (3. i 4. miesiąc życia) u 8-letniej dziewczynki i jej blisko spokrewnionej kuzynki z rodziny pakistańskiej. U tych dzieci opisano bardzo silną hiperfagię, niski poziom leptyny i znaczną otyłość. Przyczyną była delecja 398G→Δ przesunięcie ramki odczytu i przedwczesne zakończenie translacji po Gly132. Rodzice i jedno z rodzeństwa byli heterozygotami pod względem tej mutacji [63].

Egzogenne podanie leptyny leczyło wszystkie objawy zarówno w przypadku pierw-szej, jak i drugiej mutacji [65]. Badania przeprowadzone w tej rodzinie udowodniły rolę leptyny w powstawaniu otyłości i pokazały silny związek leptyny nie tylko z regulacją bilansu energetycznego, lecz i z procesem dojrzewania płciowego [63–65]. Obniżony poziom leptyny nie jest cechą charakterystyczną dla powszechnie występującej otyłości.

Zwykle u ludzi z nadwagą i otyłością poziom leptyny jest wysoki [66, 67].

1.3.1.4. Mutacje w genie receptora leptyny jako przyczyna otyłości u zwierząt i u ludzi

Gen receptora leptyny u ludzi nazywany jest genem lepR, a u myszy – genem db.

Gen receptora leptyny zlokalizowany w odcinku p31 chromosomu 1 odpowiada za prawidłowe przekazanie sygnału obwodowego do ośrodków w mózgu regulujących uczucie sytości. Receptor leptyny z powodu dużej zmienności w procesie alterna-tywnego splicingu występuje w kilku tkankowo specyficznych izoformach. Forma długa OB-Rb, znana również pod nazwą forma B, występująca w przysadce, jest

receptorem odpowiedzialnym za przekazanie sygnału leptynowego. Jest zbudowana z dużej domeny pozakomórkowej, części transmembranowej i wewnątrzkomórkowej.

Domena wewnątrzkomórkowa zawiera strukturę wiążącą kinazę typu Janus (JAK) i część przetwarzającą sygnał oraz aktywator transkrypcji STAT. Myszy db/db mają mutacje w części komórkowej receptora leptyny, natomiast mutacje u szczurów typu Zucker i Koletsky dotyczą części pozakomórkowej receptora. Mutacje te fenotypowo wiążą się z dyslipidemią, hiperglikemią lub zaburzoną tolerancją glukozy. U szczurów typu Koletsky dodatkowo występuje genetycznie uwarunkowane nadciśnienie [68–71].

U ludzi znaleziono również mutację w genie receptora leptyny, powodującą oty-łość olbrzymią. Substytucja G→A w egzonie 16 tego genu powoduje tak nadmierny apetyt, że w wieku 13 lat osoby obciążone tą mutacją osiągają BMI = 71 kg/m² [63, 65, 67, 71].

Osoby obciążone dziedzicznie mutacją receptora leptyny mają identyczny fenotyp z opisanym powyżej fenotypem u ludzi obciążonych mutacją w genie leptyny. Jedyną różnicą jest brak wrażliwości na egzogenne podawanie leptyny. Wynika to z defektu genetycznego występującego w samym szlaku przekazywania sygnału [65, 71].

W przysadce mózgowej szlak aktywowany na drodze leptyna/receptor leptyny woduje aktywację drogi przekaźnictwa poprzez kinazy JAK/STAT w neuronach po-siadających koekspresję hormonu α-MSH (ang. melanocyte stimulating hormone) i CART (ang. cocaine amphetamine-regulated transcript) oraz hamowanie sygnału w neuronach z ekspresją neuropeptydu Y (NPY), a także zależnych od ekspresji AGRP.

Działanie leptyny nie ogranicza się tylko do neuronów jądra łukowatego, lecz również do innych leptynowrażliwych neuronów. Leptyna działa więc, nie tylko hamując apetyt, lecz również jako regulator wydatkowania energii w celu zachowania homeostazy organizmu [69].

W trakcie ujemnego bilansu energetycznego, np. podczas głodzenia, obniżenie poziomu leptyny powoduje wzrost apetytu, zwiększenie przyjmowania pokarmów i zmniejszenie wydatkowania energii na drodze aktywacji szlaku NPY/AGRP i zaha-mowania aktywności neuronów zależnych od aktywacji proopiomelanokortyny/CART (POMC/CART) [71].

1.3.2. Przykłady poznanych mutacji jednogenowych będących przyczyną