Введение
Состояние здоровья человека. Болезнь Тея-Сакса вызвана генетической мутацией гена HEXA на хромосоме 15, который кодирует субъединицу фермента гексозаминидазы, известного как гексозаминидаза А. Лечение болезни Тея-Сакса является симптоматическим и поддерживающим. Это заболевание чаще встречается у евреев-ашкеназов, франкоканадцев из юго-восточного Квебека, амишей старого обряда из Пенсильвании и каджунов из южной Луизианы. Болезнь названа в честь британского офтальмолога Уорена Тея, который в 1881 году впервые описал характерное красное пятно на сетчатке глаза, и американского невролога Бернарда Сакса, который в 1887 году описал клеточные изменения и отметил повышенную частоту заболевания у евреев-ашкеназов. Носители одной копии аллеля Тея-Сакса обычно не имеют симптомов. Исследователи изучают возможность применения генной терапии или ферментозаместительной терапии в качестве потенциальных методов лечения.
Tay–Sachs disease is caused by a genetic mutation in the HEXA gene on chromosome 15, which codes a subunit of the hexosaminidase enzyme known as hexosaminidase A. The treatment of Tay–Sachs disease is supportive in nature. In Ashkenazi Jews, French Canadians of southeastern Quebec, the Old Order Amish of Pennsylvania, and the Cajuns of southern Louisiana, the condition is more common. The disease is named after British ophthalmologist Waren Tay, who in 1881 first described a symptomatic red spot on the retina of the eye; and American neurologist Bernard Sachs, who described in 1887 the cellular changes and noted an increased rate of disease in Ashkenazi Jews. Carriers of a single Tay–Sachs allele are typically normal. Researchers are looking at gene therapy or enzyme replacement therapy as possible treatments.
Детская
Младенцы с болезнью Тай-Сакса кажутся развивающимися нормально в течение первых шести месяцев после рождения. Затем, по мере накопления GM2-ганглиозидов в нейронах, начинается неуклонное ухудшение умственных и физических способностей. Ребенок может ослепнуть, оглохнуть, потерять способность глотать, страдать от атрофии и паралича. Обычно смерть наступает до четырех лет. Хотя чаще всего смерть наступает в возрасте от пяти до пятнадцати лет. Пациенты с поздней формой болезни Тай-Сакса могут полностью перейти на использование инвалидного кресла. До 1970-х и 1980-х годов, когда была установлена молекулярная генетика заболевания, ювенильные и взрослые формы болезни не всегда распознавались как варианты болезни Тай-Сакса. Постинфантильную форму болезни Тай-Сакса часто ошибочно диагностировали как другое неврологическое расстройство, например, атаксию Фридрейха.
Генетика
Болезнь Тайсакса – это аутосомно-рецессивное генетическое заболевание, то есть, когда оба родителя являются носителями, существует 25% риск рождения пораженного ребенка при каждой беременности. Пораженный ребенок получает мутированную копию гена от каждого родителя. Эти мутации включают одноосновные вставки и делеции, мутации фазы сплайсинга, миссенс-мутации и другие более сложные варианты. Каждая из этих мутаций изменяет белковый продукт гена (т.е. фермент), иногда значительно ингибируя его функцию. В последние годы популяционные исследования и анализ родословных показали, как такие мутации возникают и распространяются в небольших популяциях-основателях. Первоначальные исследования были сосредоточены на нескольких таких популяциях: евреях-ашкенази. Вставка четырех пар оснований в экзон 11 (1278insTATC) приводит к изменению рамки считывания гена HEXA. Эта мутация является наиболее распространенной в популяции евреев-ашкенази и вызывает инфантильную форму болезни Тайсакса. Каджуны. Та же мутация 1278insTATC, обнаруженная среди евреев-ашкенази, встречается в популяции каджунов южной Луизианы. Исследователи проследили происхождение носителей из семей Луизианы до одной пары основателей, не являвшейся еврейской, жившей во Франции в XVIII веке. Французские канадцы. Две мутации, не связанные с мутацией ашкеназов/каджунов, отсутствуют во Франции, но распространены в некоторых французских канадских общинах, проживающих в юго-восточном Квебеке, и среди акадийцев из провинции Нью-Брансуик. Анализ родословных предполагает, что эти мутации были редки до конца XVII века. В 1960-х и начале 1970-х годов, когда биохимическая основа болезни Тайсакса только начинала изучаться, мутации еще не секвенировали непосредственно для генетических заболеваний. Исследователи того времени еще не знали, насколько распространенными окажутся полиморфизмы. "Гипотеза о еврейском торговце мехом", предполагавшая распространение одной мутации из одной популяции в другую, отражала уровень знаний того времени. Однако последующие исследования показали, что большое разнообразие мутаций HEXA может вызывать это заболевание. Поскольку болезнь Тайсакса была одним из первых генетических заболеваний, для которого стал возможен широкомасштабный генетический скрининг, она является одним из первых генетических заболеваний, в котором продемонстрирована распространенность сложной гетерозиготности. Сложная гетерозиготность в конечном итоге объясняет вариабельность заболевания, включая поздние формы. Заболевание может быть потенциально результатом наследования двух несвязанных мутаций в гене HEXA, по одной от каждого родителя. Классическая инфантильная форма болезни Тайсакса возникает, когда ребенок наследует от обоих родителей мутации, полностью блокирующие биодеградацию ганглиозидов. Поздние формы возникают из-за разнообразия мутаций – люди с болезнью Тайсакса технически могут быть гетерозиготами, несущими две различные мутации HEXA, которые инактивируют, изменяют или ингибируют активность фермента. Если у пациента сохраняется хотя бы одна копия HEXA, обеспечивающая определенный уровень активности гексозаминидазы А, развивается поздняя форма заболевания. При возникновении заболевания из-за двух несвязанных мутаций пациент считается сложным гетерозиготом.
Ashkenazi Jews. A four base pair insertion in exon 11 (1278insTATC) results in an altered reading frame for the HEXA gene. This mutation is the most prevalent mutation in the Ashkenazi Jewish population, and leads to the infantile form of Tay–Sachs disease. Cajuns. The same 1278insTATC mutation found among Ashkenazi Jews occurs in the Cajun population of southern Louisiana. Researchers have traced the ancestry of carriers from Louisiana families back to a single founder couple – not known to be Jewish – who lived in France in the 18th century. French Canadians. Two mutations, unrelated to the Ashkenazi/Cajun mutation, are absent in France but common among certain French Canadian communities living in southeastern Quebec and Acadians from the Province of New Brunswick. Pedigree analysis suggests the mutations were uncommon before the late 17th century. In the 1960s and early 1970s, when the biochemical basis of Tay–Sachs disease was first becoming known, no mutations had been sequenced directly for genetic diseases. Researchers of that era did not yet know how common polymorphisms would prove to be. The "Jewish Fur Trader Hypothesis", with its implication that a single mutation must have spread from one population into another, reflected the knowledge at the time. Subsequent research, however, has proven that a large variety of different HEXA mutations can cause the disease. Because Tay–Sachs was one of the first genetic disorders for which widespread genetic screening was possible, it is one of the first genetic disorders in which the prevalence of compound heterozygosity has been demonstrated. Compound heterozygosity ultimately explains the disease's variability, including the late onset forms. The disease can potentially result from the inheritance of two unrelated mutations in the HEXA gene, one from each parent. Classic infantile Tay–Sachs disease results when a child has inherited mutations from both parents that completely stop the biodegradation of gangliosides. Late onset forms occur due to the diverse mutation base – people with Tay–Sachs disease may technically be heterozygotes, with two differing HEXA mutations that both inactivate, alter, or inhibit enzyme activity. When a patient has at least one HEXA copy that still enables some level of hexosaminidase A activity, a later onset disease form occurs. When disease occurs because of two unrelated mutations, the patient is said to be a compound heterozygote.
Патофизиология
Болезнь Тея-Сакса вызвана недостаточной активностью фермента гексозаминидаза А. Гексозаминидаза А – жизненно важный гидролитический фермент, содержащийся в лизосомах, который расщепляет сфинголипиды. Когда гексозаминидаза А перестает функционировать должным образом, липиды накапливаются в мозге и нарушают нормальные биологические процессы. Гексозаминидаза А специфически расщепляет производные жирных кислот, называемые ганглиозидами; они быстро синтезируются и разлагаются в раннем возрасте, в период развития мозга. Пациенты с болезнью Тея-Сакса и носители могут быть выявлены с помощью простого анализа крови, измеряющего активность гексозаминидазы А.
Диагноз
У пациентов с клиническим подозрением на болезнь Тай-Сакса, независимо от возраста начала заболевания, первоначальное обследование включает определение активности гексозаминидазы в сыворотке крови, фибробластах или лейкоцитах. Как общая активность фермента гексозаминидазы, так и процентное содержание гексозаминидазы А снижены у людей с болезнью Тай-Сакса. После подтверждения снижения активности фермента у пациента, возможно проведение подтверждающего молекулярно-генетического анализа. У всех пациентов с инфантильной формой болезни Тай-Сакса в сетчатке обнаруживается "вишнево-красная" макула, которую врач может легко увидеть при осмотре с помощью офтальмоскопа. Это красное пятно – область сетчатки, кажущаяся красной из-за накопления ганглиозидов в окружающих ганглиозных клетках сетчатки. Хориоидальное кровообращение просвечивает в этой фовеальной области, где ганглиозные клетки сетчатки отодвинуты в стороны для улучшения остроты зрения. Таким образом, это вишнево-красное пятно – единственная нормальная часть сетчатки, выделяющаяся на фоне остальной сетчатки. Микроскопическое исследование нейронов сетчатки показывает их расширение вследствие избыточного накопления ганглиозидов. В отличие от других лизосомных болезней накопления (например, болезни Гоше, болезни Нимана-Пика и болезни Сандхоффа), при болезни Тай-Сакса не наблюдается гепатоспленомегалия (увеличение печени и селезенки).
Управление
По состоянию на 2010 год не существовало лечения, направленного на устранение причины болезни Тея-Сакса или замедление ее прогрессирования; пациентам предоставляется поддерживающая терапия для облегчения симптомов и продления жизни путем снижения риска инфицирования. Младенцам устанавливают зонды для кормления, когда они теряют способность глотать. При поздней форме болезни Тея-Сакса медикаменты (например, литий при депрессии) иногда могут купировать психические симптомы и судороги, хотя некоторые препараты (например, трициклические антидепрессанты, фенотиазины, галоперидол и рисперидон) связаны с серьезными побочными эффектами.
История
Варен Тей и Бернард Сакс были двумя врачами. Они описали прогрессирование заболевания и предоставили дифференциально-диагностические критерии для его отличия от других неврологических расстройств с похожими симптомами. К 1884 году он наблюдал три случая в одной семье. Спустя годы американский невролог Бернард Сакс сообщил о сходных наблюдениях, представив другим членам Нью-Йоркского неврологического общества случай «остановки развития мозга». Сакс, признавший семейную природу заболевания, предложил назвать его аматоти́ческой семейной идиотией. Однако генетическая основа болезни оставалась малоизученной. Хотя Грегор Мендель опубликовал свою работу по генетике гороха в 1865 году, его статья на протяжении более чем поколения оставалась практически забытой – и была заново открыта другими учеными лишь в 1899 году. Таким образом, менделевская модель объяснения болезни Тая-Сакса была недоступна ученым и врачам того времени. В первом издании Еврейской энциклопедии, опубликованном в 12 томах между 1901 и 1906 годами, было описано то, что тогда было известно об этом заболевании: любопытно, что аматоти́ческая семейная идиотия, редкое и смертельное детское заболевание, встречается преимущественно среди евреев. Наибольшее количество случаев было зафиксировано в Соединенных Штатах – более тридцати. Первоначально считалось, что это исключительно еврейская болезнь, поскольку большинство первых сообщений касались русских и польских евреев; однако в последнее время стали появляться сообщения о случаях, возникающих у детей, не являющихся евреями. Основными характеристиками заболевания являются прогрессирующее умственное и физическое истощение; слабость и паралич всех конечностей; и маразм, сопровождающийся симметричными изменениями в области макулы. Изучив зарегистрированные случаи, исследователи обнаружили, что ни кровное родство, ни сифилис, алкоголизм или нервные заболевания в семейном анамнезе не являются факторами, определяющими этиологию заболевания. До сих пор не были обнаружены профилактические меры, и ни одно лечение не оказалось эффективным, поскольку все случаи заканчивались летальным исходом. Еврейская иммиграция в Соединенные Штаты достигла пика в период с 1880 по 1924 год, когда иммигранты прибывали из России и стран Восточной Европы; это также был период нативизма (враждебности к иммигрантам) в Соединенных Штатах. Противники иммиграции часто сомневались в возможности ассимиляции иммигрантов из Южной и Восточной Европы в американское общество. Сообщения о болезни Тая-Сакса способствовали формированию у нативистов представления о евреях как о неполноценной расе. Дальнейшее развитие энзимных анализов показало, что уровни гексозаминидаз А и В можно измерять у пациентов и носителей, что позволяет надежно выявлять гетерозигот. В начале 1970-х годов исследователи разработали протоколы для неонатального скрининга, выявления носителей и пренатальной диагностики. К концу 1979 года исследователи идентифицировали три варианта формы ганглиозидоза GM2, включая болезнь Сандхоффа и вариант AB ганглиозидоза GM2, что объясняет ложноотрицательные результаты скрининга на носительство.
It is a curious fact that amaurotic family idiocy, a rare and fatal disease of children, occurs mostly among Jews. The largest number of cases has been observed in the United States—over thirty in number. It was at first thought that this was an exclusively Jewish disease because most of the cases at first reported were between Russian and Polish Jews; but recently there have been reported cases occurring in non Jewish children. The chief characteristics of the disease are progressive mental and physical enfeeblement; weakness and paralysis of all the extremities; and marasmus, associated with symmetrical changes in the macula lutea. On investigation of the reported cases, they found that neither consanguinity nor syphilitic, alcoholic, or nervous antecedents in the family history are factors in the etiology of the disease. No preventive measures have as yet been discovered, and no treatment has been of benefit, all the cases having terminated fatally. Jewish immigration to the United States peaked in the period 1880–1924, with the immigrants arriving from Russia and countries in Eastern Europe; this was also a period of nativism (hostility to immigrants) in the United States. Opponents of immigration often questioned whether immigrants from southern and eastern Europe could be assimilated into American society. Reports of Tay–Sachs disease contributed to a perception among nativists that Jews were an inferior race. The further development of enzyme assays demonstrated that levels of hexosaminidases A and B could be measured in patients and carriers, allowing the reliable detection of heterozygotes. During the early 1970s, researchers developed protocols for newborn testing, carrier screening, and pre natal diagnosis. By the end of 1979, researchers had identified three variant forms of GM2 gangliosidosis, including Sandhoff disease and the AB variant of GM2 gangliosidosis, accounting for false negatives in carrier testing.
Общество и культура
С тех пор как в 1971 году началось тестирование на носительство болезни Тай-Сакса, миллионы евреев-ашкеназов были проверены на наличие носительства. Еврейские общины поддержали идею генетического скрининга начиная с 1970-х годов. Успех в выявлении носителей болезни Тай-Сакса привел к тому, что Израиль стал первой страной, предложившей бесплатный генетический скрининг и консультирование для всех пар, и инициировал обсуждение о целесообразном объеме генетического тестирования для других заболеваний в Израиле. Поскольку болезнь Тай-Сакса была одним из первых аутосомно-рецессивных генетических заболеваний, для которого был разработан ферментный анализ (до появления методов тестирования с использованием полимеразной цепной реакции), она интенсивно изучалась как модель для всех подобных заболеваний, и исследователи искали доказательства селективного процесса. Продолжается дискуссия о том, обладали ли гетерозиготы (носители) или обладали в прошлом селективным преимуществом. Наличие четырех различных лизосомных болезней накопления в популяции евреев-ашкеназов указывает на возможное селективное преимущество для гетерозиготных носителей этих состояний. Доминирование против сверхдоминирования. В прикладной генетике (селекции и сельскохозяйственном разведении) эта дискуссия отражает вековой спор о том, какое объяснение гетерозису (гибридной силе) является лучшим – доминирование или сверхдоминирование. Классическая и балансирующая гипотезы. Классическая гипотеза генетической изменчивости, часто связываемая с Германом Мюллером, утверждает, что большинство генов имеют нормальный дикий тип, и большинство особей гомозиготны по этому дикому типу, в то время как большая часть отбора является очищающим отбором, направленным на устранение вредных аллелей. Балансирующая гипотеза, часто связываемая с Теодосием Добжанским, утверждает, что гетерозиготность будет распространена в локусах и часто отражает либо направленный отбор, либо балансирующий отбор. Селекционисты против нейтралистов. В теоретической популяционной генетике селекционисты подчеркивают первостепенную роль естественного отбора как определяющего фактора эволюции и изменчивости внутри популяции, в то время как нейтралисты отдают предпочтение форме нейтральной теории молекулярной эволюции Мотоо Кимуры, которая подчеркивает роль генетического дрейфа.
Энзимная заместительная терапия
Методы энзимной заместительной терапии изучались для лечения лизосомных болезней накопления и потенциально могут быть использованы для лечения болезни Тея-Сакса. Цель состоит в том, чтобы заменить нефункциональный фермент, процесс, аналогичный инъекциям инсулина при диабете. Однако в предыдущих исследованиях предполагалось, что сам фермент HEXA слишком велик, чтобы пройти через специализированный клеточный слой в кровеносных сосудах, формирующий гематоэнцефалический барьер у человека. Исследователи также пробовали непосредственно вводить дефицитный фермент гексозаминидазу А в спинномозговую жидкость (СМЖ), омывающую мозг. Однако внутримозговые нейроны, по-видимому, не способны эффективно поглощать эту крупную молекулу, даже при непосредственной близости к ней. Следовательно, этот подход к лечению болезни Тея-Сакса также пока оказался неэффективным.
Модель овцы Якова
Болезнь Тея-Сакса встречается у овец породы Якоб. Биохимический механизм этого заболевания у овец породы Якоб практически идентичен таковому у человека, при котором снижение активности гексозаминидазы А приводит к увеличению концентрации ганглиозида GM2 у пораженного животного. Секвенирование cDNA гена HEXA у пораженных овец Якоб показало идентичное количество нуклеотидов и экзонов, как и в человеческом гене HEXA, и 86% идентичности нуклеотидной последовательности. В cDNA гена HEXA пораженных овец была обнаружена мутация, представляющая собой однонуклеотидное изменение в конце экзона 11, приводящее к удалению этого экзона (до трансляции) посредством сплайсинга. Модель болезни Тея-Сакса, представленная овцами Якоб, является первой, которая дает надежду на использование в клинических испытаниях генной терапии, что может оказаться полезным для лечения этого заболевания у людей. Один эксперимент продемонстрировал, что использование фермента сиалидазы позволяет эффективно обойти генетический дефект, в результате чего ганглиозиды GM2 метаболизируются, и их уровень становится практически незначительным. Если удастся разработать безопасную фармакологическую терапию, повышающую экспрессию лизосомной сиалидазы в нейронах без проявления других токсических эффектов, то эта новая форма терапии сможет по сути излечить болезнь. Другая метаболическая терапия, изучаемая для лечения болезни Тея-Сакса, использует миглустат. Этот препарат является обратимым ингибитором фермента глюкозилцерамидсинтазы, который катализирует первый этап синтеза глюкозосодержащих гликосфинголипидов, таких как ганглиозид GM2.
Увеличение активности β-гексозаминидазы А
Поскольку болезнь Тея-Сакса обусловлена дефицитом β-гексозаминидазы А, ухудшение состояния больных может быть замедлено или остановлено при помощи вещества, повышающего ее активность. Однако, поскольку при инфантильной форме болезни Тея-Сакса β-гексозаминидаза А отсутствует, лечение будет неэффективным, но у пациентов с поздней формой болезни Тея-Сакса β-гексозаминидаза А присутствует, поэтому лечение может оказаться действенным. Препарат пириметамин показал способность повышать активность β-гексозаминидазы А. Тем не менее, достигнутые уровни β-гексозаминидазы А все еще значительно ниже желаемых "10% от нормы HEXA", при превышении которых начинают исчезать фенотипические симптомы. Критики указывают на агрессивность процедуры и отсутствие ее одобрения. Другие существенные проблемы связаны с трудностями преодоления гематоэнцефалического барьера, а также с высокой стоимостью: каждая единица пуповинной крови стоит 25 000 долларов, а взрослым реципиентам требуется множество единиц.
Генная терапия
10 февраля 2022 года была объявлена первая в истории генная терапия, использующая аденоассоциированный вирус (ААВ) для доставки корректной инструкции к гену HEXA в клетки мозга, что является причиной заболевания. В рамках программы сострадательного использования в исследовании участвовали только двое детей, у которых наблюдалось улучшение по сравнению с естественным течением болезни, и не было зарегистрировано никаких нежелательных явлений, связанных с вектором.