Hereditabilidade da Altura. Genética do Crescimento. Crescimento Normal. Cartilagem de Crescimento. Crescimento Normal

(1)

Alexander A L Jorge

2006

...entre Gregor Mendel e a Biologia Molecular...

Genética do Crescimento

Hereditabilidade da Altura

Deng et al., J Med Genet 2002

A altura é considerada,

entre as características

humanas complexas, a que

apresenta maior

hereditabilidade!

73%

da variação da altura,

entre pessoas saudáveis, é

atribuída a fatores

genéticos.

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=OMIM

Catálogo on line de genes e doenças genéticas em humanos

Critério de busca: “Short stature”

Critério presente na sinopse clínica.

Resultado:

374 doenças genéticas estão associadas

a baixa estatura!

Crescimento Normal

3 anos

Cartilagem de Crescimento

8 anos

Zona de reserva ou repouso Zona proliferativa Zona hipertrófica Condrócitos terminaisInvasão vascular

Mineralização

(2)

Epífise Metáfase Contribuição Relativa ao crescimento 15% 25% 44-60% proliferativa reserva hipertrófica aposição de matriz Condroplasia Osteogênesis apoptose matriz calcificada

Cartilagem de Crescimento

Crescimento durante o período pré-natal

Transferência de

nutrientes mãe - feto

IGF-2

Insulina

IGF-1

IGF-1R

Crescimento

Início da gestação Final da gestação

F

at

or

e

s G

e

né

tic

os

Crescimento durante o período pós-natal

GHRH SS + -GHRH SS +

-Complexo

ternário

+

IGF-1

IGFBP-3

ALS

GH GH

IGF-1

27kDa

22kDa

20kDa

17kDa

5KDa

Big GH

(>45 Kda)

Causas de Baixa estatura

Baixa estatura primária (= causas esqueléticas)

Cromossômicas (síndrome de Turner)

Gênicas (acondroplasia, hipocondroplasia, síndrome de Leri-Weill)

Baixa estatura secundária

Desnutrição Nanismo psico-social Medicamentoso

Doenças crônicas:Renais, Gastro-intestinais, Hematológicas, Cardíacas, Respiratórias e Endócrinas (hipotireoidismo, defeitos no eixo GH/IGF-1, hipercortisolismo, pseudohipoparatireoidismo e raquitismo).

Baixa estatura por mecanismo não definido

Retardo do crescimento intra-uterino Baixa estatura familiar

Baixa estatura idiopática

Atraso constitucional do crescimento e desenvolvimento Baixa estatura de causa genética não mencionadas anteriormente

Mãe: 144,5 cm Pai: 157 cm

C. S. C., Feminino, IC: 13a 4m

Alt: 133,0 cm (-3,6 DP) Peso: 30,4 kg

Altura sentada: 75,5 cm Altura sentada/Altura total = 0,57

-3.6 -2.1 -2.9 -3.0

(3)

149 cm

146 cm

Localização Cromossômica Região Pseudo Autossômica

SHOX (Short stature Homeobox Gene)

Rao et. al., 1997

-2.7 MD+ -2.3 MD+ -2.8 MD+ -2.0 -2.4 -1.3 -0.1 -1.2 0.2 0.9 -2.4 -2.9 -2.6 MD+ -1.6 -2.6 -2.2 -2.3 -0.9 1.3 -1.4 -2.8 I. II. III. -2.9 ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ -3.6 -2.1 -2.9 -3.0 : SHOX mutation + : SHOX mutation -and and

Jorge et. al., submitted

Família Carmona

Causa mais comum de

nanismo em seres humanos

com freqüência estimada

de 1:15.000 a 1:40.000

Autossômica dominante

90% esporádicos

Mutações no FGFR3

Hipocondroplasia

Acondroplasia

Displasia Tanatofórica

Mutações no FGFR3

Acondrolasia

Gly 346 Glu Gly 375 Cys Gly 380 Arg Asn540Lys Asn540Thr

Causas de Baixa estatura

Baixa estatura primária (= causas esqueléticas)

Cromossômicas (síndrome de Turner)

Gênicas (acondroplasia, hipocondroplasia, síndrome de Leri-Weill)

Baixa estatura secundária

Desnutrição Nanismo psico-social Medicamentoso

Doenças crônicas:Renais, Gastro-intestinais, Hematológicas, Cardíacas, Respiratórias e Endócrinas (hipotireoidismo, defeitos no eixo GH/IGF-1, hipercortisolismo, pseudohipoparatireoidismo e raquitismo).

Baixa estatura por mecanismo não definido

Retardo do crescimento intra-uterino Baixa estatura familiar

Baixa estatura idiopática

Atraso constitucional do crescimento e desenvolvimento Baixa estatura de causa genética não mencionadas anteriormente

(4)

Defeitos no Eixo GH / IGF-1

Deficiência de GH.

Autossômica recessiva e autossômica dominante

Região promotora (Horanet al. 2003 e Millar et al. 2003)

GH biologicamente inativo(Takahashi et al. 1996 e Besson et al. 2005)

Defeitos no GHR.

Síndrome de Laron(Godowskiet al. 1989)

Baixa estatura idiopática (Goddard et al. 1995)

Modulação da resposta ao tto com hGH(Dos Santos et al. 2004) (Jorge et al. 2005)

Defeito pós-receptor de GH(Freethet al. 1997)

Stat5b (Kofoedet al. 2003)

PTPN11 (Ferreira et al. 2005 Binder et al. 2005)

Deficiência isolada de IGF-I(Woodset al. 1996)

IGF-I biologicamente inativo(Denleyet al. 2005)

Defeitos no IGF-1R(Abuzzahabet al. 2003)

Defeitos nos genes

IGF-1

e

IGF-1R

em humanos

Peso ao Nascimento Comprimento ao nascimento Z da altura na infância Outras características

Pico de GH após estímulo IGF-1 (ng/mL) 1400g a 1480g (- 4DP) 37,8 a 41 cm (-6,5 a -5,4DP) - 6,8 a - 6,5 Microcefalia Surdez sensorial Micrognatia Atraso de DNPM Retardo mental 18 a 94 ng/mL Indetectável

Woodset al. NEJM 1996

Bonapaceet al. J Med Genet- 2003

Defeitos do

IGF-1

em humanos

Defeitos do

IGF-1

em humanos

Woods e cols., NEJM 1996 Idade = 15 anos 8 meses Altura = 119,1 (- 6,9 DP)

Pai: 163 (Z=-1,8)

Mãe: 154 (Z=-1,4) Peso ao Nascimento

Comprimento ao nascimento Altura aos 55 anos Outras características

Pico de GH após estímulo IGF-1 1420g (- 3,9 DP) 39 cm (-4,3 DP) 117,8 cm (- 8,5 DP) Microcefalia Surdez sensorial Micrognatia Atraso de DNPM Retardo mental 127 ng/mL 606 ng/ml (+7,3 DP)

Walekamp e cols. JCEM, 2005

(5)

IGF-1 Biologicamente inativo

Walekamp et al. -1,0 ± 0,2 -0,4 ± 0,2 p<0,05 n= 9 n= 12 Heterozigostos = 9 Não Heterozigotos = 12 117,8 cm 168,2 cm IGF-1 IGFBP-3 IGF-1R

Defeitos do

IGF-1R

em humanos

IG = 38 semanas PN = 1400g (-3,5 DP)

Altura com 14a = 134 (-4,8 DP)

Atraso de DNPM

Abuzzahab e cols., NEJM, 2004

Defeitos do

IGF-1R

em humanos

_{Defeitos no}

_IGF-1R

_{em humanos}

7 casos heterozigoto de 3 famílias

Peso ao nascimento Comprimento ao nascimento Z da Altura na infância Z da Altura adulta

Pico de GH (teste de estímulo) Z do IGF-1 (ng/mL)

Abuzzuahabet al, NEJM 2003 Kawashima et al. JCEM 2005 2.000 a 2686 g (Z= -3,0 a -1,5) 40 a 48 cm (Z= -5 a -1) -2,6 a -2,1 -2,9 a -1,6 5,7 a 21 ng/ml +1,1 a +2,3 GHRH SS + -GHRH SS +

-Ternary

complex

+

IGF-1

IGFBP-3

ALS

GH GH

IGF-1

(6)

Deficiência de GH de

Causa Genética

Isolada

ou

Combinada

Experiência do Grupo de Endocrinologia

do Desenvolvimento LIM-42

• 35 pacientes deficiência isolada de GH

– 5 pacientes com alterações no GH-1 (14%)

• 3 pacientes com deleção de 6,7kb em homozigose, • 1 paciente com deleção de 7.6 kb em homozigose, • 1 paciente heterozigoto para mutação A39V no exon 2 (?)

– 5 pacientes mutações receptor de GHRH (14%)

• 3 pacientes homozigotos IVS1+1 G>A (sítio doador de splicing, Itabaianinha, Brasil) • 2 pacientes heterozigotos compostos

IVS1+1 G>A / IVS4-2 A>G (aceptor splice)

IVS1+1 G>A / E382 GAG>GAA (último nucleotídio do exon 12 altera previsão splice)

Osorioet al. JCEM 2002

Horanet al. Hum Mut 2003

Região promotora do GH-1

1

Região Promotora do GH1

• 43 pacientes deficiência de GH combinada

– 30 origem hipotalâmica

– 2 origem indeterminada

– 11 origem hipofisária

• 4 pacientes homozigotos 301,302 del AG PROP1 (9%) • 1 paciente homozigota F88S PROP1 (2%)

• 1 paciente homozigota I26T HESX1 (2%) • 1 paciente heterozigota R271W PIT1 (2%)

Experiência do Grupo de Endocrinologia

do Desenvolvimento LIM-42

Hesx1

LHX3/4

Prop1

Somatotrofos Lactotrofos Tireotrofos

Pit1

GATA2 Gonadotrófos T-pit corticotrofos

E6.0-8.5 E9.0 E10 E11 E12 E13 E14 E16 E17

Ontogênese da Hipófise

Hipopituitarismo

Deficiência hormonal RNM da hipófise Posição da neurohipófise Malformações geralmente associadas Gene candidato HESX1 Displasia de septo óptico Tópica ou ectópica GH ou GH, TSH, LH/FSH, ACTH, ADH DIGH ou Múltipla Tópica GH+TSH+PRL PROP-1 Normal, hiperplásica ou hipoplásica LHX3 Rotação limitada do pescoço Tópica NL ou hipoplásica +ACTH LHX4 Malformação de Chiari Pan-hipo Normal ou hipoplásica Tópica ou ectópica Normal ou hipoplásica PIT-1 +LH/FSH Com/sem ACTH +LH/FSH Tópica

(7)

Definição da

Insensibilidade ao hGH

Inabilidade das células

alvo de responderem

normalmente ao GH

endógeno ou exógeno.

Farmacogenômica (diferença na sensibilidade ao GH)

Baixa estatura “idiopática”

Insensibilidade ao GH Formas atípicas Insensibilidade ao GH Formas clássica ou Síndrome de Laron GH y y y y y y y y GHR GHR JAK2 STAT 1, 3, 5a, 5b →→→→ SIRPαααα Y Y Y Y YY Y Y *Y Y* GH Y* Y* Y* *Y *Y *Y GHR GHR GH JAK2 JAK2

Defeitos na transdução do sinal

(pós receptor)

Brown et al. Nature 2005

GH y y y y y y y y GHR GHR JAK2 STAT 1, 3, 5a, 5b →→→→ SIRPαααα Y Y Y Y YY Y Y Y* Y* Y* *Y *Y Y* Y* *Y STAT 3 STAT 5b *Y Y* GH Y* Y* Y* *Y *Y *Y * * * * SHC GRB2 SOS1RAS RAF MEK ERKs Y* IRS 1-4p85P110 PI 3-kinase pathway AKT Transcrição!

Classificação da IGH

GH biologicamente inativo

(Takahashi et al. 1996)

Defeitos no GHR.

Síndrome de Laron

(Godowskiet al. 1989)

Baixa estatura idiopática

(Goddard et al. 1995)

Modulação da resposta ao tto com hGH

(Dos Santos et al. 2004)

Defeito pós-receptor de GH

(Freethet al. 1997)

Stat5b

(Kofoedet al. 2003)

Deficiência isolada de IGF-I

(Woods et al. 1996)

IGF-I biologicamente inativo

(Denleyet al. 2005)

Defeitos no IGF-1R

(Abuzzahabet al. 2003)

IGH no Brasil

• Primeiro caso descrito em 1981 (Toledo et al.)

• 12 pacientes de 9 famílias

(8)

Paciente 1 2 3 4 5 6

Família I II III III IV IV

Consangüinidade Não Sexo F M M F M M Idade (anos) 17.8 8.8 11.3 6.8 19.1 3.2 Altura 116.5 103.3 113.8 81.0 132.0 69.0 Z da altura -7.8 -5.0 -4.5 -7.6 -6.4 -7.4 Peso (kg) 33.0 27.8 32.0 9.3 46.0 7.3 Z do IMC 1.1 3.1 2.4 -0.9 1.5 -0.4 GH basal ( µg/L) 30-17 7.2 3.3 -- 0.6-1.6 3.0 Pico de GH ( µ g/L) 94 118 36 -- 38 39 IGF-I (µg/L) 23 <18 <18 <18 51 <18 ∆ IGF-I após hGH (µµµµg/L) +9 0 0 0 -- --IGFBP-3 (mg/L) 0.6 -- 0.6 0.4 --

--Não Não Não Não

Sim

Paciente 1 2 3 4 5 6

Família I II III III IV IV

Consangüinidade Não Sexo F M M F M M Idade (anos) 17.8 8.8 11.3 6.8 19.1 3.2 Altura 116.5 103.3 113.8 81.0 132.0 69.0 Z da altura -7.8 -5.0 -4.5 -7.6 -6.4 -7.4 Peso (kg) 33.0 27.8 32.0 9.3 46.0 7.3 Z do IMC 1.1 3.1 2.4 -0.9 1.5 -0.4 GH basal ( µg/L) 30-17 7.2 3.3 -- 0.6-1.6 3.0 Pico de GH ( µ g/L) 94 118 36 -- 38 39 IGF-I (µg/L) 23 <18 <18 <18 51 <18 ∆ IGF-I após hGH (µµµµg/L) +9 0 0 0 -- --IGFBP-3 (mg/L) 0.6 -- 0.6 0.4 --

--Não Não Não Não

Sim

Jorge et al. ABE&M 2005

Dados Clínicos e Laboratoriais

Berg et al. Hum Mut 1992 Berg et al. Acta Paediatr 1994 Jorge et al. ABE&M 2005

2 + 2 = 4

Hwaet al. JCEM 2005

Defeitos na STAT5

•↑ GH

•↓ IGF-I, IGFBP-3 e ALS •Imunodeficiência Peso ao Nascimento GH IGF-1 IGFBP-3 Teste de geração Resposta ao tto c/ hGH ↓ ↓↓ ↓ a ↓↓↓↓↓↓↓↓ ↑↑ ↑↑ ↑↑ ↑↑ a ↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑ ↓↓ ↓↓ ↓↓ ↓↓ a ↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓ ↓ ↓↓ ↓ a ↓↓↓↓↓↓↓↓ anormal ausente

Imunodeficiência!!!!

• Hwa

et al. JCEM 2005

(Stat 5b – 1191insG - N398E frame shift)

Defeitos na STAT5

IGF-1 (ng/ml) IGFBP-3 (ng/ml) ALS (µg/ml) Basal 38 ↓↓↓ 874 ↓↓↓ 2,9 ↓↓↓ 4odia 55 1048 4,1 8odia 34 1081 3,9 GH 50µg/kg/dia

O que todos estes pacientes

tem em comum

(9)

Gene do PTPN 11

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

ATG

PTPN11

P

rotein

T

yrosine

P

hosphatase,

N

on-receptor type

11

N-SH2 C-SH2 PTP

SHP-2

Src

Homology region 2-domain Phosphatase 2

Tartaglia et al. Nat Genet 2001

Síndrome de Noonan – baixa estatura

Crescimento normal

Crescimento síndrome de Noonan

Ranke et al. Eur J Pediatr 1988

IC (anos) a lt u ra ( c m )

83% altura < 3

rd

_%

Z da altura final

H:-2.5

M: -2.2

Inactive normal SHP-2

C-SH2 N-SH2 C N

PTP

SH-2 domains: recognise

pY

Catalytic activity:

pY dephosphorilation Interaction

Fragale et al. Hum Mutat 2004

Yp Yp Yp Yp

Mecanismo de ação da SHP-2

Yp Yp Yp Yp

Mecanismo de ação da SHP-2

Yp Yp Yp Yp

Mecanismo de ação da SHP-2

(10)

Inactive normal SHP-2

C-SH2 N-SH2 C N

PTP

SH-2 domains: recognise

pY

Catalytic activity:

pY dephosphorilation Interaction C

PTP

C-S H2 N-S H2 N

Active mutated SHP-2

Fragale et al. Hum Mutat 2004

SHP-2 is involved in termination of GH signal

Stofega et al. Mol Endo 2000

“SHP-2 negatively regulates GH signaling, because mutation

of the SHP-2 binding site in GHR substantially prolongs

tyrosyl phosphorylation of GHR, JAK2, and STAT5B in

response to GH.”

Without PTPN11 Mutation With PTPN11 Mutation 500 400 300 200 100 0 Basal 1st_year IG F -1 ( n g /m l) Basal 1st_year 500 400 300 200 100 0 Basal 1st_year IG F -1 ( n g /m l) Basal 1st_year

IGF-1 increase in 1

st

_{year of hGH treatment}

∆IGF-1 µg/L=

86 ± 67

202 ± 93

p=0.03

Ferreira et al. JCEM 2005

G V ( cm /y e a r)

Growth velocity during hGH treatment

0 2 4 6 8

Basal 1st year 2nd year 3rd year

Mutation + Mutation -(n=7/7) 1st_{year hGH} treatment (n=6/6) 2nd_{year hGH} treatment (n=4/4) 3rd _{year hGH} treatment C h a ng e s in H e ig h t S D S d ur in g h G H tr e a tm e nt p< 0.05 n.s. n.s.

Height SDS gain during hGH therapy

0 1.0 2.0 1.2 1.4 1.6 1.8 0.8 0.6 0.4 0.2 Mutation – Mutation +

(11)

Box 2 N N N N N Y(314) Y(418) Y(469) Y(516) Y(548) Y(577) Y(609) C C C C C C Box 1 Box 2 N N N N N Y(314) Y(418) Y(469) Y(516) Y(548) Y(577) Y(609) C C C C C C Box 1 Box 2 N N N N N N N N N N Y(314) Y(418) Y(469) Y(516) Y(548) Y(577) Y(609) C C C C C C C C C C C C C C C C C Box 1 Box 2 N N N N N Y(314) Y(418) Y(469) Y(516) Y(548) Y(577) Y(609)

WSXWS-like motif (YXXFS) C C C C C C Box 1 Ψ-X-X-X-AL-P-X-Ψ JAK - 2 DSWVEFIELD Internalization GHR-Exon 3 region Box 2 N N N N N N N N N N Y(314) Y(418) Y(469) Y(516) Y(548) Y(577) Y(609)

WSXWS-like motif (YXXFS) C C C C C C C C C C C C C C C C C Box 1 Ψ-X-X-X-AL-P-X-Ψ JAK - 2 DSWVEFIELD Internalization DSWVEFIELD Internalization GHR-Exon 3 region Stat5b Binding domain Binding domain

GH receptor isoforms

GHRfl

(full-lenght)

GHRd3

(exon 3 deleted)

Dos Santos et al. Nat Genet 2004

Polimorfismo GHR e tratamento com hGH

em crianças com BEI e nascidas PIG

0 1 2 3 4 5 6 7 8 Cohort 1 Cohort 2 fl/fl fl/d3 d3/d3

G

ro

w

th

v

e

lo

ci

ty

(c

m

/y

r)

in

cr

e

m

e

nt

w

it

h

G

H

p<0.05 p<0.05

Polimorfismo GHR e tratamento com hGH

em deficiência de GH

75 pacientes com GHD

58 pacientes pré-puberes durante todo o 1o_{ano de tratamento} 44 pacientes com altura final após 7 ± 3 anos de tratamento Idade ao iniciar o tratamento: 9,7 ± 4,1 anos

Z da Altura ao iniciar o tratamento: -4,3 ± 1,5 Máximo Pico de GH: 0,7 ± 0,7 µg/L 46% 42% 12% fl/fl fl/d3 d3/d3

Jorge et al. JCEM in press

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 G ro w th V e lo c it y ( c m /y ) π < 0.05 n=28 fl/fl 10.6 ± 2.3 n=30 fl/d3 or d3/d3 12.3 ± 2.6 GHR-exon-3 genotype:

Growth velocity (cm/y):

Growth Velocity during 1

st

_{year of hGH treatment}

-4 -3 -2 -1 0 1 2 A d u lt H e ig h t S D S π < 0.05 n=22 fl/fl -1.7 ± 1.2 n=22 fl/d3 or d3/d3 -0.8 ± 1.1 GHR-exon-3 genotype: Adult height SDS: