Mutasjoner i gener for G-proteinkoblede reseptorer og G-proteiner ...

Pediatrisk Endokrinologi 2003;17:44-51Mutasjoner i gener for G-proteinkobledereseptorer og G-proteiner som årsak tilendokrine sykdommerDagfinn Aarskog 1 , Robert BjerknesSeksjon for endokrinologi og metabolisme, Barneklinikken,Haukeland Universitetssykehus, BergenInnledningAlt for 40 år siden foreslo Nobel-prisvinneren EarlSutherland en modell som forklarer hvordan etmangfold av reseptorer på cellenes overflate overførersignal fra hormoner (first messengers) til ågenerere cyclisk AMP i cellene (second messenger).Senere da Nobel-prisvinnerne Alfred G.Gillman og Martin Rodbell oppdaget G-protein(guanin nukleotid-bindende protein) ble modellenutvidet slik vi kjenner den i dag der en superfamilieav G-proteinkoblede reseptorer (GPCR) overførersignaler fra alt fra hormoner, neurotransmittere,intracellulære Ca-ioner til odoranter og lysved en interaksjon med en rekke forskjellige G-proteiner.I løpet av det siste tiår er det gjort store fremskritti kartleggingen av den molekylærbiologiskebasis for denne signaloverføringen og virkningsmekanismenfor en rekke hormoner. Samtidiger det påvist en rekke mutasjoner i gener somkoder for både GPCR og G-proteiner som kanfremkalle endokrine forstyrrelser både som økt ogminsket hormonell aktivitet. I de seneste år er detogså vist at den varierende- og vevsspesifikke1: Korrespondanse til:Professor Dagfinn AarskogBarneklinikkenHaukeland Universitetssykehus5021 BergenTlf. 55975294Fax. 55975147E-post: dagfinn.aarskog@pedi.uib.noresistens som forekommer ved pseudohypoparathyreoidismekan skyldes forskjell i fenotypealt etter om det muterte gen er arvet gjennommoren eller faren, eller paternell imprinting av etgen som koder for et G-protein. De flestemutasjoner er sjeldne, og noen av de endokrineforstyrrelser rammer bare voksne. I denne oversiktenvil vi presentere en forenklet modell av demolekylærbiologiske virkningsmekanismer somkan gi en bedre forståelse av en felles patogeneseog potensielt nye muligheter for diagnostikk ogbehandling av en rekke relativt sjeldne endokrineforstyrrelser hos barn. Når det gjelder en merdetaljert fremstilling av molekylærbiologi- oggenetikk, vil vi vise til noen nyere oversiktsartikler(1-3). De kliniske manifestasjoner blir bare kortskissert. De fleste av de aktuelle endokrineforstyrrelser er fyldig beskrevet i tidligere artikler iPediatrisk Endokrinologi.G-proteinkoblet signaloverføring- struktur og funksjonG-proteinkoblede reseptorer (GPCR)GPCR utgjør en superfamilie av reseptorer medfelles strukturelle og funksjonelle motiv i et enkeltpolypeptid med en ekstracellulær NH 2 - og enintracellulær COOH-ende og syv domener somspenner over cellemembranen og blir bundetsammen med tre ekstracellulære og tre intracellulæresløyfer (Figur 1).44

Figur 1Skjematisk presentasjon av strukturog funksjon av G-proteinkobledereseptorer. Reseptoren består av etenkelt polypeptid med et NH 2 terminaltekstracellulært domene, syvdomener som spenner over cellemembranenog blir bundet sammenmed tre ekstracellulære og tre intracellulæresløyfer, og et COOH terminaltintracellulært domene.Binding av ligand til reseptorenaktiverer G-proteinet som resulterer ifrigjøring av guanosindifosfat (GDP)fra en tett binding til α-subenhetenav G-proteinet. Dermed aktiveres α-subenheten ved at GDP byttes ut motguanosintrifosfat (GTP) som gjennomaktivering av adenylcyclasegenererer cyclisk AMP (cAMP), elleråpner kanaler for kalsiumioner.Videre nedstrøms signaloverføringaktiverer tilslutt cAMP-responsivgentranskripsjon Modifisert fra ref.3.Innenfor GPCR-superfamilien fører forskjeller isekvens og struktur til spesifisitet i binding avagonist (f. eks. peptid/proteinhormon) og koblingtil G-protein. Alle GPCR-signaloverføringer virkerved å frigjøre guanosindifosfat (GDP) fra en tettbinding til α-subenheten av G-proteinet. Dermedaktiveres α-subenheten av guanosin trifosfat(GTP) som gjennom aktivering av adenylcyclasegenererer cyclisk AMP (cAMP) tilvidere nedstrømseffekter (Figur 1). De forskjellige klasser av GPCRkobler seg eksklusivt eller med preferanse til spesifiktG-protein. Visse antagonister kan konkurreremed de naturlige agonister om binding til GPCR,og dermed inaktivere reseptoren og blokkereaktivering av G-proteinet.Mutasjoner som fører til tap av funksjon («lossof function»), blokkerer syntesen av mRNAog/eller protein og kan føre til tap av funksjon vedå hemme binding av hormon til GPCR, elleraktivering av reseptoren, eller blokkere aktiveringenav G-proteinet. Slike mutasjoner er i regelenresessivt arvelige, og foreldrene er ofte beslektet.Heterozygote arvebærere har i regelen ingen tegntil sykdom fordi en 50 % reduksjon i reseptorantall eller funksjon ikke er nok til å gi kliniskemanifestasjoner. Mutasjoner som fører til øktfunksjon («gain of function») fremkommer ved atreseptoren er vedvarende aktivert uten binding tilet hormon eller at den aktiveres av en fremmedligand. Denne typen mutasjoner er autosomaltdominant arvelige.G-proteinerG-proteinene tilhører også en superfamilie avguaninnukleotid bindingsproteiner som består avtre forskjellige protein subenheter: α,β, og γ. Denfunksjonelle spesifisiteten av det enkelte G-proteiner knyttet til α−subenheten som er forskjelligfor alle de 20 som er klonet hittil. Etter sekvens ogfunksjon er de delt inn i 4 subfamiler: Gsα, Giα,Gqα og Gi2α. Til nå er det bare påvist spontanesykdomsfremkallende mutasjoner i Gsα somaktiverer adenylcyclase og Giα som hemmeradenylcyclase aktiviteten, åpner kanaler for Caionerog lukker for K-ioner (Figur 1).45

åde økt og nedsatt nedstrøms signaloverføring.Et øket signal kan oppstå dersom et defekt G-proteinfrigjør GDP og binder GTP hurtigere og mereffektivt enn normalt, mens nedsatt signal kanskyldes sen frigjøring av GDP eller mindre effektivbinding av GTP (Figur 2). Mutasjoner i nedstrømseffektormolekyler (Figur 1) er bare påvist i et parenkeltstående tilfeller, og er antagelig sværtsjelden sykdomsfremkallende.Generelle kliniskemanifestasjonerEndokrine sykdommer kan grovt klassifiseres i tokategorier, de som skyldes overproduksjon av ethormon eller hormoner, og de som skyldes underproduksjon.Mutasjoner i GPCR og G-protein kangi kliniske manifestasjoner av begge typer.Mutasjoner som fører til tap av funksjon av entenGPCR eller G-protein vil manifestere seg som hormonresistensmed et klinisk bilde som ligner pådet som er forbundet med mangel på hormonetsom normalt aktiverer den aktuelle reseptor. Istedet for mangel på hormon er denne typeresistens karakterisert ved økt serumkonsentrasjonav det aktuelle hormonet.Mutasjoner av GPCR som fører til økt funksjongir et klinisk bilde som ligner det som fremkallesav hypersekresjon av hormonet som normaltbindes til aktuelle GPCR. Nå er imidlertidserumkonsentrasjonen av det involverte hormonsupprimert. En komplett og detaljert gjennomgangav alle endokrine forstyrrelser som er forbundetmed mutasjoner i GPCR og G-proteinen(Tabell 1 og 2) ligger utenfor rammen av denneoversikten. Vi vil derfor bare trekke frem utvalgteeksempler med spesiell interesse for pediatriskendokrinologi. Vi viser ellers til flere nyere oversiktsartikler(1-3).Endokrine sykdommer fremkaltav mutasjoner i gener for GPCRMutasjoner med tap av funksjon («lossof function»)Sykdommer som er fremkalt ved mutasjoner somfører til ved tap av funksjon av ACTH, TSH,GHRH, LH og FSH-reseptorene kan være spontantoppstått eller overført med autosomal resessivarv. Funksjonstap av V2-vasopressinreseptorener X-bundet resessiv. Tabell 1 viser en oversiktover endokrine forstyrrelser fremkalt avmutasjoner i GPCR inndelt etter tap av funksjoneller økt funksjon.Homozygote eller kombinert heterozygotpunktmutasjoner av reseptorgenet for ACTH manifestererseg med en ACTH-reseptor med nedsattfunksjon, og presenterer seg klinisk som en familiærtilstand med ACTH-resistens med svikt avglukokortikoid sekresjonen, men normal sekresjonav mineralkortikoider. Tegn på binyresvikt gir seggjerne til kjenne som hypoglykemi i tidligsmåbarnsalder. Hyperpigmentering kanforekomme alt i nyfødthetsperioden, men somregel ikke før enn etter 4 måneder. Hyppige ogtildels alvorlige infeksjoner kan også være et tidligtegn (4).I sjeldne tilfeller kan familiær isolert veksthormonmangelvære forårsaket av homozygotmutasjon i GHRH-reseptoren. Tilstanden, som eranalog med den som er beskrevet hos littlemouse, har vært rapportert hos barn av beslektedeforeldre med tidlig og uttalt vekstretardasjon,veksthormonmangel, manglende respons påGHRH og god respons på behandling med veksthormon.I motsetning til nyfødte med komplettveksthormonmangel presenterer de seg ikke medfrembukende panne, mikropenis eller hypoglykemi(5,6).Homozygote eller kombinert heterozygotpunktmutasjoner med funksjonstap av TSHreseptorenfører til THS-resistenssyndromet. Denkliniske manifestasjon viser et variert bilde fraeuthyreoidisme med økt serumkonsentrasjon avTSH, til kliniske manifestasjoner som spenner framild hypothyreoidisme med struma til svær kongenitthypothyreose med thyreoideahypoplasi (7).Homozygote mutasjoner som svekkerfunksjon av LH-reseptoren inaktiverer også hCGsom stimulerer Leydigcellene og testosteronproduksjoneni fosterlivet, og kan føre til mikropenisog kryptorkisme (8). Komplett inaktivering kanresultere i mannlig pseudohermafroditisme medmanglende differensiering av Leydigceller.Tilstanden er kjent som type I Leydigcellehypoplasi og presenterer seg klinisk ved kvinneligeytre genitalia med en blind vagina utenMüllerske strukturer og inguinale testikler medLeydigcelleaplasi eller -hypoplasi. Serumkonsentrasjonenav LH er forhøyet med normal FSH,47

tet til Gsα-aktivitet som TSH og gonadotropinersammen med symptomer på AHO (Tabell 2).PHPIb som bare viser resistens mot PTH, erpaternelt transmittert. Ved paternell transmisjonkan AHO også opptre som eneste manifestasjon.Pasienter med PHPIa har omtrent 50 % reduksjoni Gsα-aktiviteten i cellemembranene i erytrocytter,fibroblaster og trombocytter. PHPIa og PPHPfinnes ofte i en og samme familie og har samme50 % reduksjon i Gsα-aktiviteten i cellemembraner.I motsetning til slektninger med PHPIa, viserpasienter med PPHP normal cAMP ekskresjon iurinen etter en PTH-injeksjon.Studier av familier med både PHPIa og PPHPreiser spørsmålet om hvorfor svikt i Gsαaktivitetenmed samme genmutasjon kan viseforskjellig fenotype, og da særlig i forhold til dengenerelle hormonresistens ved PHPIa (1-3). Dethar vist seg at fenotypen er avhengig av om detmuterte gen er nedarvet gjennom moren ellerfaren. Med ett unntak har familiestudier såledesvist at maternell transmisjon av et mutert Gsα-genfører til komplett ekspresjon av PHPIa, menspaternell transmisjon av den samme mutasjonmedfører PPHP og i noen tilfeller bare AHO.Genomisk imprinting kan gi en forklaring på denpaternelle transmisjon av PHPIb (2,3). Til nå er detpåvist omtrent 70 gener som viser parental spesifikkekspresjon på grunnlag av genomisk imprintingdefekt. En del av disse gener er viktig for vekstog utvikling slik som genene for Prader Willi syndrom,Angelman syndrom og BeckwithWiedeman syndrom.McCune-Albright syndromSyndromet som ble beskrevet av McCune i 1936og Albright og medarbeidere i 1937, er karakterisertved polyostotisk fibrøs dysplasi, café-au-laitpigmentering av huden og autonom endokrinhyperfunksjon. Den klassiske endokrineforstyrrelsen var gonadotropin-uavhengig pubertasprecox, men akromegali, hyperthyreoidismeog overaktivitet av binyrebarken er ogsåbeskrevet. Syndromet opptrer sporadisk.De affiserte endokrine organer, dvs gonader,hypofyse, thyreoidea og binyrebarken blir alleoverstimulert ved økt cAMP produksjon somdermed forsterker den cAMP avhengige signaloverføringen.Alle til nå undersøkte tilfeller harvist den samme aktiverende mutasjon i genet somkoder for Gsα med mosaikkdistribusjon av gendefekteni de forskjellige vev (16). Dette passermed hypotesen om at mutasjonen i Gsα er tidligpostzygotisk som vil føre til manifestasjoner medvid spredning og opptreden av mosaikkekspresjoni de affiserte vev. Økt cAMP produksjonkan også forklare hyperpigmenteringen som ermediert gjennom det melanocyttstimulerendehormon som har sin virkningsmekanisme knyttettil GPCR og aktivering av Gsαtil økt cAMP produksjon(Figur 1). Mangfoldet av kliniske manifestasjonervil avhenge av tidspunktet for denpostzygotiske mutasjon slik at tidlig mutasjon vilgi de alvorligste og i noen tilfeller potensielt letalemanifestasjoner (17).SluttkommentarDe seneste års funn av et stadige økende antall avspontane og hereditære mutasjoner av gener somkoder for GPCR og G-protein som årsak til etekspanderende antall endokrine forstyrrelser, harallerede fått betydelige implikasjoner for vårforståelse av struktur og funksjon av disse signalproteiner.Familiestudier av f. eks. pasienter medPHP, PPHP og AHO kan tidligere ha virket forvirrendebåde når det gjelder klassifisering og arvegang.Nyere forståelse av patogenese har gittmulighet for differensiering av subtyper for PHP,mer presis diagnostikk og bedret innsikt i dengenetiske transmisjon av de varierende fenotyper.Det siste har også åpnet mulighet for mer presisgenetisk rådgivning.Foreløpig er de kliniske implikasjoner forutvidede diagnostiske metoder og behandlingsprinsippermer begrensede. For de flesteendokrine sykdommer som er involvert vil denfunksjonelle diagnose fortsatt ha sin basis i målingav de relevante hormoner, og behandlingen vilfortsatt primært være basert på substitusjon avhormoner ved hormonell svikt, eller korreksjon avhypersekresjon på medikamentell eller kirurgiskbasis.Direkte mutasjonsdiagnostikk på rutinebasiser foreløpig ikke aktuell, men nye genteknologiskefremskritt kan endre på dette. Det er også mulig atdet kan bli utviklet inverse agonister for reseptorersom er vedvarende aktivert, eller spesielle agonisterfor inaktive reseptorer eller G-protein. Mankan også tenke seg utvikling av genterapi forenkelte tilstander, men det ligger i så fall et stykkeinn i fremtiden.50

Referanser1. Farfel Z, Bourne HR, Iri T. The expanding spectrumof G protein diseases. New Engl J Med 1999; 340:1012-9.2. Weinstein LS, Shuhua YU, Warner DR, Jie Liu.Endocrine manifestations of stimulatory G proteinmutations in endocrine disease. Endocrine Rev2001; 22: 675 - 705.3. Lania A, Mantovani G, Spada A. G protein mutationsin endocrine diseases. Euro J Endocrinol 2001; 145:543-59.4. Weber A, Toppari J, Harvey RD. Adreno-corticotropinreceptor gene mutation in familial glucocorticoiddeficiency: relationship with clinical featuresin four families. J Clin Endocrinol Metab 1995;80: 65-71.5. Wajnrajch MP, Gertner JM, Harbison MD, Chua JrSC, Leibel RL. Nonsense mutation in humangrowth hormone-releasing hormone receptor causesgrowth failure analogous to little mouse. NatureGenetics 1996; 12: 88 - 90.6. Maheshwari HG, Silverman BL, Dupuis J, BaumannG. Phenotype and genetic analysis of a syndromecaused by an inactivating mutation in the growthhormone-releasing hormone receptor: dwarfing ofSindh. J Clin Endocrinol Metab 1998; 83: 4065-74.7. Sunthornthepravakul T, Gottschalk ME, Hayashi Y,Refetoff S. Resistance to thyrotropin caused bymutations in the thyrotropin-receptor gene. NewEngl J Med 1995; 332: 155-60.8. Themmen AP, Martens JW, Brunner HG. Activatingand inactivating mutations of LH receptors. Mol CellEndocrinol 1998; 145: 137 - 42.9. Chan WY. Molecular, genetic, biochemical, and clinicalimplications of gonadotropin receptor mutations.Mol Genet Metab 1998; 63: 75-84.11. Pasel K, Schulz A, Timmermann K, Linnemann K,Holtzenbein M, Jaaskelainen J, Gruters A et al.Functional characterization of the molecular defectscausing nephrogenic diabetes insipidus in eightfamilies. J Clin Endocrinol Metab 2000; 85: 1703-10.12. Brown EM, Polla M, Seidman CE et al. Calcium-ionsensingcell surface receptors. New Engl J Med1994; 333: 234-40.13. Pollak MR, WuChou Y-H, Marx SJ, Steinmann B,Cole DE, Brandi ML. Familial hypocalciuric - hypercalcemiand neonatal severe hyperparathyeroidism:effect of mutant gene dosage on phenotype. J ClinInvest 1994; 93: 1108-12.14. Laue L, Chan WY, Hsueh AJW ,Kudo M, HSU SY, WuSM et al. Genetic heterogeneity of constitutivelyactivating of the human luteinizing receptor in familialmale- limited precocious puberty. Proc Acad SciUSA 1995; 92: 1906-10.15. Gruters A, Schoneberg T, Biberman H, Krude H,Krohn HP, Dralle H et al. Severe congenital hyperthyroidismcaused by a germ line neo mutation inthe extracellular portion of the thyreotropin receptor.J Clin Endocrinol Metab 1998; 83: 1431-6.16. Weinstein LS, Shenker A, Gejman PV, Merino MJ,Friedman E, Spigel AM. Activating mutation of thestimulatory G protein in the McCune-Albright syndrome.New Engl J Med 1991; 325: 1688-95.17. Shenker A, Weinstein LS, Moran A, Pescovitz OH,Charest NJ Boney CM et al. Severe endocrine andnon endocrine manifestations of the McCuneAlbright syndrome associated with activating mutationof the stimulatory G protein Gs. J Pediatr 1993;123: 509-18.18. Lefkowitz RJ. G proteins in medicine. N Engl J Med1995; 332: 186-7.10. Martens JW, Verhof-Post M, Abelin N, Ezabella M,Toledo SP, Brunner HG. A Homozygeous mutation inthe luteinizing hormone receptor causes partialLeydig cell hypoplasi: Correlation between receptoractivity and phenotype. Mol Endocrinol 1998; 12:775-84.51