Синдром Смита-Лема-Опица: генетический дефект синтеза холестерина.

Введение

Рецессивное генетическое состояние

Синдром Смита — Лемли — Опица — это врожденная ошибка синтеза холестерина. Это аутосомно-рецессивный синдром множественных врожденных аномалий, вызванный мутацией в гене DHCR7, кодирующем фермент 7-дегидрохолестеролредуктазу. Он проявляется широким спектром симптомов, от легкой умственной отсталости и поведенческих расстройств до летальных пороков развития.

Признаки и симптомы

СЛОС может проявляться по-разному в различных случаях, в зависимости от тяжести мутации и других факторов. Изначально пациенты с СЛОС были классифицированы на две категории (классическая и тяжелая) на основе физических и психических характеристик, а также других клинических признаков. После открытия специфического биохимического дефекта, ответственного за СЛОС, пациентам присваивается балл тяжести на основе выраженности дефектов головного мозга, глаз, ротовой полости и половых органов. Это используется для классификации пациентов с легкой, классической или тяжелой формой СЛОС. Аутизм обычно диагностируется отдельно от СЛОС с использованием DSM V, и примерно 50–75% пациентов с СЛОС соответствуют критериям аутизма. Другие поведенческие особенности, связанные с СЛОС, могут быть напрямую связаны с физическими аномалиями. Например, у младенцев часто наблюдаются проблемы с кормлением или непереносимость пищи, и пациентам может потребоваться повышенное потребление калорий из-за ускоренного метаболизма. Также распространены рецидивирующие инфекции, включая отиты и пневмонию. Выявлено более 130 различных типов мутаций. Это число указывает на предполагаемую частоту рождения от 1/2500 до 1/4500. Однако измеренная частота составляет от 1/10 000 до 1/60 000 (она варьируется в зависимости от этнической принадлежности и происхождения). Важно отметить, что холестерин не может проходить через гематоэнцефалический барьер, поэтому в мозге биосинтез является единственным источником холестерина. В результате сложной серии реакций ланостерол превращается в зимостерол. Как показано на диаграмме справа, именно на этом этапе путь разделяется. У человека основным путем, ведущим к холестерину, является путь Кандутша-Рассела. Зимостерол метаболизируется в 5α-холеста-7,24-диен-3β-ол, затем в латостерол, а затем в 7-дегидрохолестерин, или 7 DHC. 7 DHC является непосредственным предшественником холестерина, а фермент DHCR7 отвечает за превращение 7 DHC в холестерин. Мутации в этом ферменте ответственны за широкий спектр дефектов, наблюдаемых при СЛОС. В другом пути синтеза холестерина DHCR7 необходим для восстановления 7-дегидродесмостерола до десмостерола. Учитывая его распространенность в клеточных мембранах, холестерин тесно связан с определенными транспортными процессами. Он может влиять на функцию ионных каналов и других мембранных транспортеров. Например, холестерин необходим для активности связывания лиганда серотонинового рецептора. Кроме того, он, по-видимому, играет важную роль в экзоцитозе. Холестерин модулирует свойства мембраны (например, кривизну мембраны) и может регулировать слияние везикул с клеточной мембраной. Он также может способствовать рекрутированию комплексов, необходимых для экзоцитоза. Учитывая, что нейроны в значительной степени зависят от экзоцитоза для передачи импульсов, холестерин является важной частью нервной системы. Особенно важным путем, в котором участвует холестерин, является сигнальный путь Hedgehog. Этот путь очень важен во время эмбрионального развития и участвует в определении судьбы клеток (то есть, в какую ткань им нужно мигрировать). Белки Hedgehog также участвуют в транскрипции генов, регулирующих пролиферацию и дифференцировку клеток. Холестерин важен для этого пути, поскольку он подвергается ковалентному связыванию с белками Hedgehog, что приводит к их активации. Без холестерина нарушается передача сигналов и может быть нарушена дифференцировка клеток. Холестерин является предшественником многих важных молекул, включая желчные кислоты (важные для переработки пищевых жиров), оксистеролы, нейростероиды (участвующие в нейротрансмиссии и возбуждении), глюкокортикоиды (участвующие в иммунных и воспалительных процессах), минералокортикоиды (поддержание осмотического баланса) и половые стероиды (например, эстроген и тестостерон; широкий спектр функций, но участвуют в развитии половых органов в пренатальном периоде). Кроме того, как упоминалось выше, холестерин играет важную роль в передаче сигналов Hedgehog. При более низком уровне холестерина белки Hedgehog не подвергаются необходимой ковалентной модификации и последующей активации. Это может привести к нарушению эмбрионального развития и может способствовать наблюдаемым врожденным физическим дефектам при СЛОС. Один из белков, передающих сигналы Hedgehog, сонический еж (SHH), важен для формирования центральной нервной системы, черт лица и конечностей. Кроме того, недостаток холестерина способствует увеличению текучести клеточной мембраны и может вызывать аномальную секрецию гранул. Считается, что 7 DHC, в результате окислительного стресса, ответственен за повышенную фоточувствительность, наблюдаемую у пациентов с СЛОС. Нормальное воздействие УФА-излучения может привести к окислительному стрессу в клетках кожи. Поскольку 7 DHC легче окисляется, он усиливает действие УФА-излучения, приводя к увеличению окисления липидов мембраны и увеличению выработки активных форм кислорода (АФК). Определение концентрации стеролов в моче матери является одним из потенциальных способов выявления СЛОС пренатально. Во время беременности плод несет полную ответственность за синтез холестерина, необходимого для производства эстриола. Плод с СЛОС не может производить холестерин и может использовать 7 DHC или 8 DHC в качестве предшественников эстриола. Это приводит к образованию 7- или 8-дегидростероидов (например, 7-дегидроэстриола), которые могут быть обнаружены в моче матери. Это новые метаболиты из-за наличия обычно восстановленной двойной связи в положении 7 (вызванной неактивностью DHCR7), и их можно использовать в качестве индикаторов СЛОС. Другие производные холестерина, содержащие двойную связь в 7-м или 8-м положении и присутствующие в моче матери, также могут быть индикаторами СЛОС. Показано, что 7- и 8-дегидропрегнанотриолы присутствуют в моче матерей с пораженным плодом, но отсутствуют в моче матерей со здоровым плодом, и поэтому используются в диагностике. Эти прегнадиены происходят из плода и проходят через плаценту, прежде чем достичь матери. Их экскреция указывает на то, что ни плацента, ни материнские органы не содержат необходимых ферментов для восстановления двойной связи этих новых метаболитов. Другой способ обнаружения 7 DHC — газовая хроматография, метод, используемый для разделения и анализа соединений. Газовая хроматография/масс-спектрометрия с селективным мониторингом ионов (SIM GC/MS) является высокочувствительной версией газовой хроматографии, которая позволяет обнаруживать даже легкие случаи СЛОС. Другие методы включают масс-спектрометрию с временем полета, жидкостно-хроматографическую масс-спектрометрию с частичным пучком (particle beam LC/MS), тандемную масс-спектрометрию с электрораспылением и ультрафиолетовое поглощение, все из которых можно использовать на образцах крови, амниотической жидкости или хориальных ворсин. Измерение уровня желчных кислот в моче пациентов или изучение активности DCHR7 в культуре тканей также являются распространенными постнатальными диагностическими методами.

SLOS can present itself differently in different cases, depending on the severity of the mutation and other factors. Originally, SLOS patients were classified into two categories (classic and severe) based on physical and mental characteristics, alongside other clinical features. Since the discovery of the specific biochemical defect responsible for SLOS, patients are given a severity score based on their levels of cerebral, ocular, oral, and genital defects. It is then used to classify patients as having mild, classical, or severe SLOS. Autism is typically diagnosed separately from SLOS using the DSM V, and approximately 50–75% of SLOS patients meet the criteria for autism. Other behaviours associated with SLOS can be linked directly to physical abnormalities. For example, infants often show feeding problems or feeding intolerance, and patients may require increased caloric intake due to accelerated metabolism. Recurrent infections, including ear infections and pneumonia, are also common. More than 130 different types of mutations have been identified.). This number indicates a hypothetical birth incidence between 1/2500 and 1/4500. However, the measured incidence is between 1/10,000 to 1/60,000 (it differs depending on heritage and descent). It should also be noted that cholesterol cannot pass the blood–brain barrier, thus within the brain, biosynthesis is the only source of cholesterol. Through a complicated series of reactions, lanosterol leads to the formation of zymosterol. As shown in a diagram to the right, it is at this point that the pathway diverges. In humans, the main pathway leading to cholesterol is known as the Kandutsch–Russell pathway. Zymosterol is metabolized to 5α cholesta 7,24 dien 3β ol, then to lathosterol, and then to 7 dehydrocholesterol, or 7 DHC. 7 DHC is the immediate precursor to cholesterol, and the enzyme DHCR7 is responsible for converting 7 DHC to cholesterol. Mutations in this enzyme are responsible for the wide range of defects present in SLOS. In another pathway leading to cholesterol synthesis, DHCR7 is required for the reduction of 7 Dehydrodesmosterol to desmosterol. Given its prevalence in cell membranes, cholesterol is highly involved in certain transport processes. It may influence the function of ion channels and other membrane transporters. For example, cholesterol is necessary for the ligand binding activity of the serotonin receptor. In addition, it appears to be very important in exocytosis. Cholesterol modulates the properties of the membrane (such as membrane curvature), and may regulate the fusion of vesicles with the cell membrane. It may also facilitate the recruitment of complexes necessary for exocytosis. Given that neurons rely heavily on exocytosis for the transmission of impulses, cholesterol is a very important part of the nervous system. One particularly relevant pathway in which cholesterol takes place is the Hedgehog signaling pathway. This pathway is very important during embryonic development, and involved in deciding the fate of cells (i. e., which tissue they need to migrate to). Hedgehog proteins are also involved in the transcription of genes that regulate cell proliferation and differentiation. Cholesterol is important to this pathway because it undergoes covalent bonding to Hedgehog proteins, resulting in their activation. Without cholesterol, the signaling activity is disrupted and cell differentiation may be impaired. Cholesterol is a precursor for many important molecules. These include bile acids (important in processing dietary fats), oxysterols, neurosteroids (involved in neurotransmission and excitation), glucocorticoids (involved in immune and inflammatory processes), mineralocorticoids (osmotic balance), and sex steroids (i. e. estrogen and testosterone; wide range of function but involved in genital development prenatally). Furthermore, as outlined above, cholesterol is an important aspect in Hedgehog signaling. With lower levels of cholesterol, hedgehog proteins would not undergo the necessary covalent modification and subsequent activation. This would result in impaired embryonic development, and may contribute to the observed physical birth defects in SLOS. One particular hedgehog signaling protein, sonic hedgehog (SHH), is important in the pattern of the central nervous system, facial features, and limbs. In addition, a lack of cholesterol contributes to the increased fluidity of the cell membrane, and may cause abnormal granule secretions. Through oxidative stress, 7DHC is thought to be responsible for the increased photosensitivity shown in SLOS patients. Normal UVA exposure may lead to oxidative stress in skin cells. Given that 7DHC is more readily oxidized, it enhances the effects of UVA, leading to increased membrane lipid oxidation and increased production of reactive oxygen species (ROS). Examining the concentrations of sterols in maternal urine is one potential way to identify SLOS prenatally. During pregnancy, the fetus is solely responsible for synthesizing the cholesterol needed to produce estriol. A fetus with SLOS cannot produce cholesterol, and may use 7DHC or 8DHC as precursors for estriol instead. This creates 7 or 8 dehydrosteroids (such as 7 dehydroestriol), which may show up in the maternal urine. These are novel metabolites due to the presence of a normally reduced double bond at carbon 7 (caused by the inactivity of DHCR7), and may be used as indicators of SLOS. Other cholesterol derivatives which possess a double bond at the 7th or 8th position and are present in maternal urine may also be indicators of SLOS. 7 and 8 dehydropregnanetriols have been shown to be present in the urine of mothers with an affected fetus but not with an unaffected fetus, and thus are used in diagnosis. These pregnadienes originated in the fetus and traveled through the placenta before reaching the mother. Their excretion indicates that neither the placenta nor the maternal organs have necessary enzymes needed to reduce the double bond of these novel metabolites. Another way of detecting 7DHC is through gas chromatography, a technique used to separate and analyze compounds. Selected ion
monitoring gas chromatography/mass spectrometry (SIM GC/MS) is a very sensitive version of gas chromatography, and permits detection of even mild cases of SLOS. Other methods include time of flight mass spectrometry, particle beam LC/MS, electrospray tandem MS, and ultraviolet absorbance, all of which may be used on either blood samples, amniotic fluid, or chorionic villus. Measuring levels of bile acids in patients urine, or studying DCHR7 activity in tissue culture are also common postnatal diagnostic techniques.

Добавки к холестерину

В настоящее время наиболее распространенным методом лечения СЛОЗ является диетическая супплементация холестерином. Имеющиеся наблюдения указывают на некоторую эффективность данного подхода: возможно увеличение роста, снижение раздражительности, улучшение социальной адаптации, уменьшение самоповреждающего поведения, снижение тактильной чувствительности, уменьшение частоты инфекций, повышение мышечного тонуса, снижение фоточувствительности и уменьшение проявлений аутистического поведения. Супплементация холестерином начинается с дозы 40–50 мг/кг/день, с последующим увеличением при необходимости. Холестерин может вводиться в рацион либо через продукты, богатые холестерином (яйца, сливки, печень), либо в виде очищенного холестерина пищевого качества. Младшим детям и младенцам может потребоваться энтеральное питание.

Симвастатин

Ингибиторы ГМГ-КоА-редуктазы изучались в качестве метода лечения СЛС. Поскольку этот фермент катализирует лимитирующую стадию синтеза холестерина, его ингибирование должно снизить накопление токсичных метаболитов, таких как 7-ДГХ.

Дополнительные соображения

При лечении СЛОС, постоянно возникающим вопросом является то, обусловлены ли интеллектуальные и поведенческие дефициты фиксированными нарушениями развития (то есть врожденными пороками развития мозга), или же продолжающимися аномальными уровнями стеролов, которые нарушают нормальную функцию мозга и других тканей. Крысы схожи с мышами и также использовались в исследованиях. Существует два основных способа создания животных моделей СЛОС. Первый – использование тератогенов, второй – генетические манипуляции для создания мутаций в гене DHCR7. Также известно, что заболевание вызывает нарушения в работе серотониновых рецепторов, еще один дефект, часто встречающийся у пациентов с СЛОС. BM15766 индуцировал дефицит синтеза холестерина и желчных кислот, наблюдаемый у пациентов с СЛОС, имеющих гомозиготные мутации. Все тератогенные модели могут эффективно использоваться для изучения СЛОС; однако, они демонстрируют более низкие уровни 7-дегидрохолестерина (7 DHC) и 8-дегидрохолестерина (8 DHC), чем у людей. Это объясняется тем, что у людей наблюдается постоянная блокада активности DHCR7, в то время как у мышей и крыс, получающих ингибиторы, блокада носит лишь временный характер. Кроме того, различные виды мышей и крыс обладают большей устойчивостью к тератогенам, что может снижать их эффективность в качестве моделей СЛОС.

Открытия

Многие открытия в исследованиях СЛС (SLOS) были сделаны с использованием моделей на животных. Они использовались для изучения различных методов лечения, включая эффективность терапии симвастатином. Распространенной находкой является то, что мышиные модели СЛС демонстрируют аномальное развитие серотонинергической системы, что может быть, по крайней мере частично, ответственно за аутистические проявления, наблюдаемые при СЛС. Модели мышей также применялись для разработки диагностических методов; в многочисленных исследованиях изучались биомаркеры, возникающие в результате окисления 7-ДГХ (7DHC), такие как ДГЦЭО (DHCEO). Вероятно, по мере совершенствования моделей на животных, они приведут ко многим новым открытиям в исследованиях СЛС.

Эпоним

Он назван в честь Дэвида Вейхе Смита (1926–1981), американского педиатра; Люка Лемли (1935–), бельгийского врача; и Джона Мариуса Опица (1935–2023), немецко-американского врача. Именно эти исследователи впервые описали симптомы СЛОС.