GM1 gangliosidosis is an inherited disorder that progressively destroys nerve cells (neurons) in the brain and spinal cord. Some researchers classify this condition into three major types based on the age at which signs and symptoms first appear. Although the three types differ in severity, their features can overlap significantly. Because of this overlap, other researchers believe that GM1 gangliosidosis represents a continuous disease spectrum instead of three distinct types.
The signs and symptoms of the most severe form of GM1 gangliosidosis, called type I or the infantile form, usually become apparent by the age of 6 months. Infants with this form of the disorder typically appear normal until their development slows and muscles used for movement weaken. Affected infants eventually lose the skills they had previously acquired (developmentally regress) and may develop an exaggerated startle reaction to loud noises. As the disease progresses, children with GM1 gangliosidosis type I develop an enlarged liver and spleen (hepatosplenomegaly), skeletal abnormalities, seizures, profound intellectual disability, and clouding of the clear outer covering of the eye (the cornea). Loss of vision occurs as the light-sensing tissue at the back of the eye (the retina) gradually deteriorates. An eye abnormality called a cherry-red spot, which can be identified with an eye examination, is characteristic of this disorder. In some cases, affected individuals have distinctive facial features that are described as "coarse," enlarged gums (gingival hypertrophy), and an enlarged and weakened heart muscle (cardiomyopathy). Individuals with GM1 gangliosidosis type I usually do not survive past early childhood.
Type II GM1 gangliosidosis consists of intermediate forms of the condition, also known as the late infantile and juvenile forms. Children with GM1 gangliosidosis type II have normal early development, but they begin to develop signs and symptoms of the condition around the age of 18 months (late infantile form) or 5 years (juvenile form). Individuals with GM1 gangliosidosis type II experience developmental regression but usually do not have cherry-red spots, distinctive facial features, or enlarged organs. Type II usually progresses more slowly than type I, but still causes a shortened life expectancy. People with the late infantile form typically survive into mid-childhood, while those with the juvenile form may live into early adulthood.
The third type of GM1 gangliosidosis is known as the adult or chronic form, and it represents the mildest end of the disease spectrum. The age at which symptoms first appear varies in GM1 gangliosidosis type III, although most affected individuals develop signs and symptoms in their teens. The characteristic features of this type include involuntary tensing of various muscles (dystonia) and abnormalities of the spinal bones (vertebrae). Life expectancy varies among people with GM1 gangliosidosis type III.
How common is GM1 gangliosidosis?
GM1 gangliosidosis is estimated to occur in 1 in 100,000 to 200,000 newborns. Type I is reported more frequently than the other forms of this condition. Most individuals with type III are of Japanese descent.
What genes are related to GM1 gangliosidosis?
Mutations in the GLB1 gene cause GM1 gangliosidosis. The GLB1 gene provides instructions for making an enzyme called beta-galactosidase (β-galactosidase), which plays a critical role in the brain. This enzyme is located in lysosomes, which are compartments within cells that break down and recycle different types of molecules. Within lysosomes, β-galactosidase helps break down several molecules, including a substance called GM1 ganglioside. GM1 ganglioside is important for normal functioning of nerve cells in the brain.
Mutations in the GLB1 gene reduce or eliminate the activity of β-galactosidase. Without enough functional β-galactosidase, GM1 ganglioside cannot be broken down when it is no longer needed. As a result, this substance accumulates to toxic levels in many tissues and organs, particularly in the brain. Progressive damage caused by the buildup of GM1 ganglioside leads to the destruction of nerve cells in the brain, causing many of the signs and symptoms of GM1 gangliosidosis. In general, the severity of GM1 gangliosidosis is related to the level of β-galactosidase activity. Individuals with higher enzyme activity levels usually have milder signs and symptoms than those with lower activity levels because they have less accumulation of GM1 ganglioside within the body.
Conditions such as GM1 gangliosidosis that cause molecules to build up inside the lysosomes are called lysosomal storage disorders.
How do people inherit GM1 gangliosidosis?
This condition is inherited in an autosomal recessive pattern, which means both copies of the gene in each cell have mutations. The parents of an individual with an autosomal recessive condition each carry one copy of the mutated gene, but they typically do not show signs and symptoms of the condition.
Chaperone therapy is a newly developed molecular therapeutic approach to lysosomal diseases, a group of human genetic diseases causing severe brain damage. Based on early molecular studies during the last decade of the 20th century and early years of the 21st century, mainly on Fabry disease and GM1-gangliosidosis, we found some mutant enzyme proteins were unstable in the cell, and unable to express catalytic activities. Subsequently galactose and other active-site binding substrate analogs were found stabilized and enhance the mutant enzyme activity in culture cells. We concluded that the mutant misfolding enzyme protein and substrate analog competitive inhibitor (chemical chaperone) form a stable complex to be transported to the lysosome, to restore the catalytic activity of mutant enzyme after spontaneous dissociation under the acidic condition. This gene mutation-specific molecular interaction is a paradoxical phenomenon that an enzyme inhibitor in vitro serves as an enzyme stabilizer in situ. First we developed a commercially available compound 1-deoxygalactonojirimycin (DGJ) for Fabry disease, and confirmed the above molecular phenomenon. Currently DGJ has become a new candidate of oral medicine for Fabry disease, generalized vasculopathy involving the kidneys, heart and central nervous system in the middle age. This drug development has reached the phase 3 of human clinical study. Then we found two valienamine derivatives, N-octyl-4-epi-β-valienamine (NOEV) and N-octyl-β-valienamine (NOV), as promising therapeutic agents for human β-galactosidase deficiency disorders (GM1-gangliosidosis and Morquio B disease) and β-glucosidase deficiency disorders (phenotypic variations of Gaucher disease), respectively. Originally NOEV and NOV had been discovered as competitive inhibitors, and then their paradoxical bioactivities as chaperones were confirmed in cultured fibroblasts from patients with these disorders. Subsequently GM1-gangliosidosis model mice have been used for confirmation of clinical effectiveness, adverse effects and pharmacokinetic studies. Orally administered NOEV entered the brain through the blood-brain barrier, enhanced β-galactosidase activity, reduced substrate storage, and improved neurological deterioration clinically. Computational analysis revealed pH-dependent enzyme-chaperone interactions. Our recent study indicated chaperone activity of a new DGJ derivative, MTD118, for β-galactosidase complementary to NOEV. NOV also showed the chaperone effect toward several β-glucosidase gene mutants in Gaucher disease. Furthermore a commercial expectorant drug ambroxol was found to be a chaperone for β-glucosidase. A few Gaucher patients responded to this drug with remarkable improvement of oculomotor dysfunction and myoclonus. We hope chaperone therapy will become available for some patients with Fabry disease, GM1-gangliosidosis, Gaucher disease, and other lysosomal storage diseases particularly with central nervous system involvement.
Copyright © 2013 The Japanese Society of Child Neurology. Published by Elsevier B.V. All rights reserved.
- PMID:
- 23290321
- [PubMed - indexed for MEDLINE]
Автор: Yoshiyuki SUZUKI, Япония
В настоящее время зарегистрировано большое количество генетических заболеваний. По базе данных целого ряда генетических заболеваний, публикуемой и постоянно обновляемой в Университете Джона Хопкинса, Балтимор, штат Мериленд, США, на 31 октября 2004 г. этот список включает 15 690 генетических заболеваний.
Многие заболевания из предыдущего списка характеризовались наличием известных метаболических маркеров и/или установленных генов. Как детский невролог, я хотел бы отметить, что при осмотре больных с неврологическими заболеваниями без очевидной этиологии или патогенеза мы всегда должны думать о возможности нейрогенных заболеваний.
Из неврологических заболеваний, которые я только что упомянул, мне пришлось работать с группой метаболических нарушений, известных как болезни лизосомного накопления. Они вызываются дефицитом одного фермента, действующего в маленькой вакуоли, которая называется мизосола, своего рода пищеварительная органелла клетки. Каждое заболевание характеризуется потерей активности одного фермента и накоплением такого специфического соединения, как липид, углевод, белок и другие биологически активные метаболические соединения.
Лизосома является маленькой вакуолью с более чем 50 различными ферментами, работающими на гидролиз разных соединений в кислых условиях. Когда появляется недостаток активности одного фермента, субстрат для него больше не будет расщепляться и станет накапливаться в этой вакуоли, что приводит к нарушению функции данной клетки. С клетками разных органов и тканей приходят симптомы — поражение мозга (нейронов), болезни печени (поражение клеток печени), болезни сердца (поражение клеток миокарда) и болезни мышечных волокон.
Целью моего фундаментального исследования стало соединение, называемое ганглиозидом GM1 со сложной химической структурой. Боковая цепочка сахара расщепляется последовательно, начиная с галактозы (Гал), потом N-ацетилгалактозамина (ГалNАк), галактозы (Гал) и глюкозы (Глк). Если отсутствует фермент, расщепляющий молекулу галактозы, т.е. β-галактозидаза, она сохраняет свое состояние и накапливается в лизосоме.
При ганглиозидозе электронная микроскопия выявляет уникальные луковицеобразные включения в цитоплазму. Они называются мембранозным цитоплазменным телом. Было определено, что это включение специфично для ганглиозидозы, GM1 и GM2.
Много лет назад я очистил эти включения, мягко гомогенизируя ткань мозга с сохранением их структуры. Это продукт, полученный мною 35 лет назад.
Картины двух заболеваний, GM1-ганглиозидоза и GM2-ганглиозидоза, представляют накопление разных соединений, соответственно GM1 и GM2.
Мы можем диагностировать эти заболевания по анализу фермента β-галактозидазы в лейкоцитах периферической крови.
У здоровых людей определяется широкая вариабельность активности фермента. У больных этими болезнями активность фермента почти полностью утрачивается. Активность фермента у родителей облигатных гетерозиготных носителей находится на промежуточном уровне.
Существует несколько клинически четких фенотипов в заболеваниях генетического дефицита β-галактозидазы.
Все больные имеют разные мутации одного и того же гена на хромосоме 3 и экспрессируют различные ферментные особенности, приводя к заболеваниям мозга или костей с разными клиническими проявлениями.
В разных местах гена мы обнаружили большое количество мутаций.
Большинство мутаций были определены в моей лаборатории и коллегами в Японии. Однако мы не смогли соотнести генотип и фенотип больных в этой схеме.
Хотя нельзя было предсказать клиническое течение или степень заболевания по анализу гена, мы смогли разработать простой метод генного диагноза при помощи экстракции, ПЦР-амплификации и электрофореза гена больного. Это случай взрослого GM1-ганглиозидоза с общей мутацией среди больных. Почти у всех больных после ферментации наблюдаются две полосы, обозначающие появление нового ограничения действия фермента в результате замещения в одном основании при этой мутации. У здоровых людей ген нечувствителен к ингибирующему ферменту, и первоначальный одиночный ген остается без изменений.
Далее этот простой метод сделал возможным четко и надежно диагностировать гетерозиготных носителей. Электрофорез вызвал появление двух полос у всех больных, а у здоровых людей в другом месте была только одна полоса. Наблюдалось сочетание этих двух моделей, подтверждающее гетерозиготность у этих людей.
Проведя большую работу по генетическому анализу заболеваний, связанных с дефицитом β-галактозидазы, я занялся терапевтическим аспектом. Сейчас мы не можем лечить или предупредить болезни мозга при первичных генетических метаболических заболеваниях, хотя при некоторых заболеваниях вследствие вторичного метаболического эффекта (фенилкетонурия (заболевание печени) или кретинизм (врожденный гипотиреоз — заболевание щитовидной железы)) профилактика нарушения функций мозга возможна. Сейчас уже предложено провести несколько исследований различных заболеваний на разных патологических уровнях. Но в лечении поражений мозга клинического успеха пока нет.
Мы предлагаем новый метод лечения, который мы называем химической сопутствующей терапией.
В результате экстенсивного анализа мутантных генов, экспрессирующих мутантные белки, мы обнаружили 3 типа протеиновых аномалий: 1) белок синтезируется; 2) белок синтезируется, но немедленно расщепляется, так как молекула в клетке нестабильная; 3) белок в клетке не обладает ферментной активностью, хотя стабильно существует в ней. Мы решили направить наши действия на фермент 2-го типа.
Для стабилизации белка с несовершенной структурой при нейтральном рН, где синтезируется молекула, мы ввели в клетку особое соединение с низкой молекулярной массой, по структуре аналогичное субстрату. Это особое соединение связывается с мутантным энзимом и транспортируется в лизосому, где, как ожидается, энзим и будет работать. В этой вакуоли в кислых условиях комплекс автоматически растворяется, мутантный ген становится стабильным и начинает работать как активный белок. Короче говоря, это соединение своеобразно, ибо в физиологическом состоянии оно не существует.
В 1995 г. мы впервые сделали сообщение об этом явлении с галактозой для α-галактозидазы, фермента болезни Фабри. В 1999 г. в продаже появилось соединение 1-деоксигалактонойримицин, применяемое при болезни Фабри, затем соединение NOEV для лечения заболевания мозга GV1-ганглиозидоза.
Существует два требования к воздействию на мутантные клетки и ткани. Первое: мутантный белок должен обладать ферментативной активностью, но не ускорять активность, так как он нестабилен в месте биосинтеза. Второе: соединение должно быть с низкой молекулярной массой, чтобы оно могло связаться с мутантным белком. Я не буду больше говорить о деталях теории этой новой концепции.
Вначале мы начали проводить скрининг культур фибробластов больных, которые мы получили от многих ученых и медицинских исследователей всего мира. При определенной концентрации в питательной среде явно утраченная ферментная активность чрезвычайно возрастает в некоторых клеточных штаммах после нескольких дней инкубации. Как уже говорилось, мы не можем воздействовать на клетки без ферментного белка. Поэтому анализ клетки следует проводить заранее. В общем, младенцы и подростки, больные GM1-ганглиозидозом, реагировали лучше, чем взрослые с GM1-ганглиозидозом или болезнью Моркита Б. В целом около 30% больных имели положительную реакцию.
Мы ввели ганглиозиды в культуры фибробластов. Уровень GM1 в клетках больного чрезвычайно увеличился (R201C), чего не отмечалось в здоровых клетках. Однако в клетках больных, инкубированных NOEV, отмечалось увеличение ферментной активности и не накапливали GM1. Это является прямым свидетельством того, что соединение проникло в клетки и восстановило ферментную активность для гидролиза субстрата.
Затем мы приступили к экспериментам на животных. Первым шагом было получить нокаутированную мышь. Нокаутировать означало разрушить ген-мишень в геноме экспериментального животного, обычно мыши, в нашем случае — ген β-галактозидаза. Почти 10 лет назад нам удалось генерировать нокаутированную мышь. У животных развиваются прогрессирующие двигательные нарушения через 3-4 месяца после рождения, такие как спастический паралич, тремор, возможно, мозжечкового происхождения, и другие неврологические аномалии.
Они умирали через 7-10 месяцев после рождения из-за затруднений в питании и недоедания, включая парашютный рефлекс у нокаутированной мыши.
Потом мы ввели как трансген мутантные гены человека, специфические к некоторым клиническим формам β-галактозидазной недостаточности. Такие мыши с моделью болезни, которых мы называем трансгенными мышами, выделяли фенотип-специфические мутантные энзимы, клиническое течение заболевания у них было разным и зависело от введенного гена. Когда вводился нормальный ген человека, мышь становилась неврологически абсолютно здоровой. Это пример успешной генной ферментной терапии этим энзимом. Из этих полученных мышей мы выбирали животных, экспрессирующих мутацию R201C, представляющую юношеский GM1-ганглиозидоз, так как эта мутация лучше всего отвечала на NOEV в экспериментах на клетке.
После перорального введения водного раствора NOEV все ткани, включая мозг, продемонстрировали заметное повышение активности энзима.
Окрашивание ткани мозга показало повышение активности энзима и понижение накопления субстрата GM1 и его аналога — соединения GA1.
Это прямое свидетельство того, что после перорального введения NOEV попадает в кровоток через кишечник, а затем проходит через барьер кровь — мозг и усиливает активность энзима в клетках нейрона.
Мы еще не подтвердили профилактические эффекты на модели мыши, но предварительный эксперимент предполагает некоторое улучшение неврологического статуса у симптоматичных мышей через 6 мес. после начала заболевания. Сейчас мы проверяем клинический эффект на долгосрочной базе, на предклинической стадии заболевания.
Нас не удивило, что это же соединение эффективно как ингибитор при другой β-галактозидазе, галактосилцерамидазе. Это энзим, ответственный за болезнь Краббе, или глобоидно-клеточную лейкодистрофию. Мы надеемся, что эту молекулярную терапию можно проводить соединением NOEV и при болезни Краббе.
Фактически в эксперименте NOEV более эффективен как ингибитор галактозилцерамидазы, чем GM1 β-галактозидазы. Сейчас мы проверяем восстанавливающий эффект фермента на клетках Краббе.
Кроме того, мы пытаемся охарактеризовать многие другие подобные соединения, чтобы обнаружить другие лекарства, специфические к мутациям.
Сейчас мы расширяем цель наших исследований до исследования других лизосомных заболеваний. В настоящее время мы сосредоточились на галактозе или глюкозе, распознающих энзимы с α- или β-стерической структурой, а именно β-галактозидазе, β-глюкозидазе, α-галактозидазе и α-глюкозидазе. Кроме того, мы не забываем и о других подобных соединениях и энзимах. В частности, метахроматическая лейкодистрофия является относительно частым заболеванием среди болезней лизосомного накопления. Сульфатид является производным галактозилцерамида, и его органический синтез не очень сложен.
GM1 ганглиозидоз
(СЕМЕЙНАЯ ИНФАНТИЛЬНАЯ АМАВРОТИЧЕСКАЯ ИДИОТИЯ С ПОРАЖЕНИЕМ ВНУТРЕННИХ ОРГАНОВ, БОЛЕЗНЬ ЛАНДИНГА, ГЕНЕРАЛИЗОВАННЫЙ ГАНГЛИОЗИДОЗ НОРМАНА-ЛАНДИНГА)
GANGLIOSIDOSIS GENERALIZED GM1; TYPE I GANGLIOSIDOSIS; GENERALIZED GM1, INFANTILE FORM GANGLIOSIDOSIS; GENERALIZED GM1, TYPE 1 BETA-GALACTOSIDASE-1 DEFICIENCY; GLB1 DEFICIENCY; GM1-GANGLIOSIDOSIS, TYPE I, WITH CARDIAC INVOLVEMENT, INCLUDED; GANGLIOSIDOSIS, GENERALIZED GM1, TYPE I, WITH CARDIAC INVOLVEMENT, INCLUDED
MIM#230500
Генетика: Мутации гена лизосомной галактозидазы (GLB1; MIM *611458). Ген картирован на коротком плече 15 хромосомы (локус 3p21-p14.2.).
Тип наследования: аутосомно-рецессивный.
Эпидемиология: Частота заболевания составляет в среднем 1:40000. В Японии наблюдается высокая частота взрослой формы болезни.
Патогенез: Недостаточность феpмента пpиводит к наpушению дегpадации в лизосомах ганглиозида GМ1, являющегося важным компонентом мембpан нейpонов, и наpушению дегpадации кеpатансульфата - большого компонента гликозаминогликанов экстраклеточного матрикса хpящевой ткани.
Клинические проявления: На основании клинических проявлений, биохимических и молекулярно-генетических данных заболевание подразделяют на три клинических формы. Различают остpую инфантильную (тип 1), позднюю инфантильную/ювенильную (тип 2) и взpослую/хроническую фоpмы (тип 3). Инфантильная форма. В большинстве случаев, после короткого, относительно нормального периода развития, обычно в 3 - 6 месяцев, возникают первые симптомы заболевания. Манифестными симптомами в неонатальный период являются нарушение вскармливания (отказ от еды, слабость сосания, отрицательная весовая кривая, срыгивания), генерализованный или локальный отек конечностей, гипертpихоз, диффузная мышечная гипотония. В дальнейшем происходит регресс психомоторного развития, диффузная мышечная гипотония трансформируется в мышечную ригидность, также выявляются сухожильная гиперрефлексия, патологические рефлексы, бульбарно-псевдобульбарный синдром, корковая глухота и слепота. Во втором полугодии жизни, как правило, наблюдается гепатоспленомегалия, иногда - асцит. В 50% случаев - макулодистрофия по типу "вишневой косточки". Поздняя инфантильная /ювенильная фоpма. Возраст начала заболевания - на первом году жизни или в возрасте от 2 до 6 лет. Течение заболевания медленно прогрессирующее, чаще дебютирует задержкой психомоторного развития. На втором году жизни появляются миоклонические и генерализованные тонико-клонические судороги, нарастает мышечный тонус вплоть до децеребрационной/декортикационной ригидности, возникает атрофия зрительных нервов. Течение заболевания для всех форм неуклонно прогрессирующее.
Диагностика: При МРТ головного мозга - диффузная гипомиелинизация и повышение интенсивности сигнала в области базальных ганглиев. Дополнительных тестом служит повышение в моче галактоолигосахаридов и незначительное повышение кератансульфата. При исследовании биоптата костного мозга, печени выявляются "пенистые клетки" - гистиоциты с большим количеством вакуолей. При биохимических исследованиях в лейкоцитах крови, ККФ, аутоптатах органов определяется значительное снижение активности фермента -галактозидазы менее 10% от нормы.
Лечение: Методов эффективной теpапии не разработано. Проводится симптоматическая терапия. Для лечения форм с высокой остаточной активностью фермента разрабатываются методы лечения с применением фармакологических шаперонов.
Прогноз: Прогноз неблагоприятный.
Громадська спілка"Орфанні захворювання України", http://rarediseases.org.ua
Информация об исследованиях в Японии 2013
Информация об исследованиях в Японии 2006
The Facebook Gangliosidosis Group
Группа ОЛЕСИ СУХАНОВОЙ ВКонтакте, или в Одноклассниках
Сообщество GM1 в Одноклассниках
Read more about GM1 gangliosidosis
Сторінка 2 із 3