genetyczne wyznaczniki osteoporozy - …pbkom.eu/sites/default/files/artykulydo2012/34_3_495.pdf ·...

15
POST˚PY BIOLOGII KOMÓRKI TOM 34 2007 NR 3 (495509) GENETYCZNE WYZNACZNIKI OSTEOPOROZY GENETIC MARKERS OF OSTEOPOROSIS Henryk W‡odzimierz WITAS i Wioletta Izabela WUJCICKA Zak‡ad Biologii Molekularnej Katedry Onkologii Uniwersytetu Medycznego w £odzi Streszczenie: Osteoporoza to przewlek‡a choroba metaboliczna, charakteryzuj„ca siŒ postŒpuj„cym ubyt- kiem masy kostnej i dezorganizacj„ struktury przestrzennej koci. Zmiany chorobowe s„ skutkiem dzia‡ania szeregu czynników, w tym dziedzicznych. Prawid‡owy proces przebudowy koci (ang. bone remodeling) jest wynikiem równowagi pomiŒdzy osteoklastogenez„ i osteoblastogenez„, dwoma podsta- wowymi procesami, których przebieg kontroluje szereg bia‡ek. Proliferacja i ró¿nicowanie osteoklastów przebiega w obecnoci bia‡ek: PU.1, MITF, M-CSF, c-Src, PI-3K, c-Fms, RANK, NFATc1, NFκB i cFos/Fra-1. Aktywowanie fazy resorpcji podczas ci„g‡ej przebudowy koci uzale¿nione jest od bezpo- redniego kontaktu osteoblastów i osteoklastów, w którym porednicz„ m.in. receptory RANK z po- wierzchni osteoklastów i ligandy RANKL cytokiny wydzielane przez osteoblasty. Szlak sygnalizacji Wnt i zwi„zane z nim bia‡ka LRP-5, LRP-6 oraz koreceptory bia‡ek Wnt s„ tak¿e zaanga¿owane w regulacjŒ funkcji osteoblastów. Ju¿ ponad trzy dziesiŒciolecia trwa poszukiwanie i identyfikacja genów/ alleli predysponuj„cych do fenotypu osteoporozy. Trzy najczŒciej badane geny to: VDR, COLIA1 i ER. Wszystkie analizowane geny przyporz„dkowano do czterech grup czynników biologicznych: cytokin, czynników wzrostowych, bia‡kowych sk‡adników macierzy koci oraz hormonów kalcytropowych i ich receptorów. Kolagen typu I to bia‡ko fibrylarne, g‡ówny sk‡adnik macierzy koci, VDR cytoplazma- tyczny receptor witaminy D reguluj„cy ekspresjŒ docelowych genów i podobnie jak ER receptor estrogenowy, odpowiadaj„cy za utrzymanie homeostazy koci. Pomimo nieustalonych jeszcze szczegó- ‡owo oddzia‡ywaæ pomiŒdzy poszczególnymi allelami genu LRP-5 i ekspresj„ i/lub funkcj„ transmembra- nowego bia‡ka LRP-5, sugeruje siŒ ich mo¿liwy wp‡yw na zmiany wartoci parametru BMD oraz stopieæ ryzyka wyst„pienia fenotypu osteoporozy. Z patofizjologi„ osteoporozy zwi„zane s„, oprócz polimor- ficznych postaci genu TGFβ-1, tak¿e mutacje cytokin prozapalnych IL-1 i IL-6, których synteza zwi„- zana jest m.in. z poziomem estrogenów u kobiet. Analizowane zmiany struktury pierwszorzŒdowej genetycznych wyznaczników osteoporozy to m.in. polimorficzne miejsca restrykcyjne BsmI, ApaI, EcoRV, FokI i TaqI genu VDR i ich zwi„zek z wartoci„ BMD szyjki koci udowej oraz koæca ca‡ego szkieletu. Szczególne zainteresowanie badaczy budzi polimorfizm Sp1 genu COLIA1, który wed‡ug niektórych jest wyznacznikiem zmian struktury przestrzennej koci. Inne, badane warianty alleliczne genów-kandydatów zwi„zanych z fenotypem osteoporozy s„ podatne na trawienie enzymami BstI, PvuII i XbaI w genie ERα; polimorficzne miejsce restrykcyjne PvuII genu CD38, a tak¿e mutacje genów OSCAR i RUNX2. Pomimo szeregu prowadzonych dotychczas badaæ nad genetycznym pod‡o¿em oste- oporozy pojawi‡o siŒ wiele rozbie¿nych wyników. Badania uwzglŒdniaj„ce wiele czynników wp‡ywaj„-

Upload: vandat

Post on 07-May-2018

218 views

Category:

Documents


2 download

TRANSCRIPT

Page 1: GENETYCZNE WYZNACZNIKI OSTEOPOROZY - …pbkom.eu/sites/default/files/artykulydo2012/34_3_495.pdf · Type I collagen is a fibrillar protein, the main constituent of ... LRP-5 alleles

495GENETYCZNE WYZNACZNIKI OSTEOPOROZY

POSTÊPY BIOLOGII KOMÓRKI TOM 34 2007 NR 3 (495�509)

GENETYCZNE WYZNACZNIKI OSTEOPOROZY

GENETIC MARKERS OF OSTEOPOROSIS

Henryk W³odzimierz WITAS i Wioletta Izabela WUJCICKA

Zak³ad Biologii Molekularnej Katedry Onkologii Uniwersytetu Medycznegow £odzi

Streszczenie: Osteoporoza to przewlek³a choroba metaboliczna, charakteryzuj¹ca siê postêpuj¹cym ubyt-kiem masy kostnej i dezorganizacj¹ struktury przestrzennej ko�ci. Zmiany chorobowe s¹ skutkiemdzia³ania szeregu czynników, w tym dziedzicznych. Prawid³owy proces przebudowy ko�ci (ang. boneremodeling) jest wynikiem równowagi pomiêdzy osteoklastogenez¹ i osteoblastogenez¹, dwoma podsta-wowymi procesami, których przebieg kontroluje szereg bia³ek. Proliferacja i ró¿nicowanie osteoklastówprzebiega w obecno�ci bia³ek: PU.1, MITF, M-CSF, c-Src, PI-3K, c-Fms, RANK, NFATc1, NFκB icFos/Fra-1. Aktywowanie fazy resorpcji podczas ci¹g³ej przebudowy ko�ci uzale¿nione jest od bezpo-�redniego kontaktu osteoblastów i osteoklastów, w którym po�rednicz¹ m.in. receptory RANK z po-wierzchni osteoklastów i ligandy RANKL � cytokiny wydzielane przez osteoblasty. Szlak sygnalizacjiWnt i zwi¹zane z nim bia³ka LRP-5, LRP-6 oraz koreceptory bia³ek Wnt s¹ tak¿e zaanga¿owane wregulacjê funkcji osteoblastów. Ju¿ ponad trzy dziesiêciolecia trwa poszukiwanie i identyfikacja genów/alleli predysponuj¹cych do fenotypu osteoporozy. Trzy najczê�ciej badane geny to: VDR, COLIA1 i ER.Wszystkie analizowane geny przyporz¹dkowano do czterech grup czynników biologicznych: cytokin,czynników wzrostowych, bia³kowych sk³adników macierzy ko�ci oraz hormonów kalcytropowych i ichreceptorów. Kolagen typu I to bia³ko fibrylarne, g³ówny sk³adnik macierzy ko�ci, VDR � cytoplazma-tyczny receptor witaminy D reguluj¹cy ekspresjê docelowych genów i podobnie jak ER � receptorestrogenowy, odpowiadaj¹cy za utrzymanie homeostazy ko�ci. Pomimo nieustalonych jeszcze szczegó-³owo oddzia³ywañ pomiêdzy poszczególnymi allelami genu LRP-5 i ekspresj¹ i/lub funkcj¹ transmembra-nowego bia³ka LRP-5, sugeruje siê ich mo¿liwy wp³yw na zmiany warto�ci parametru BMD oraz stopieñryzyka wyst¹pienia fenotypu osteoporozy. Z patofizjologi¹ osteoporozy zwi¹zane s¹, oprócz polimor-ficznych postaci genu TGFβ-1, tak¿e mutacje cytokin prozapalnych IL-1 i IL-6, których synteza zwi¹-zana jest m.in. z poziomem estrogenów u kobiet. Analizowane zmiany struktury pierwszorzêdowejgenetycznych wyznaczników osteoporozy to m.in. polimorficzne miejsca restrykcyjne BsmI, ApaI,EcoRV, FokI i TaqI genu VDR i ich zwi¹zek z warto�ci¹ BMD szyjki ko�ci udowej oraz ko�æca ca³egoszkieletu. Szczególne zainteresowanie badaczy budzi polimorfizm Sp1 genu COLIA1, który wed³ugniektórych jest wyznacznikiem zmian struktury przestrzennej ko�ci. Inne, badane warianty allelicznegenów-kandydatów zwi¹zanych z fenotypem osteoporozy s¹ podatne na trawienie enzymami BstI,PvuII i XbaI w genie ERα; polimorficzne miejsce restrykcyjne PvuII genu CD38, a tak¿e mutacje genówOSCAR i RUNX2. Pomimo szeregu prowadzonych dotychczas badañ nad genetycznym pod³o¿em oste-oporozy pojawi³o siê wiele rozbie¿nych wyników. Badania uwzglêdniaj¹ce wiele czynników wp³ywaj¹-

Page 2: GENETYCZNE WYZNACZNIKI OSTEOPOROZY - …pbkom.eu/sites/default/files/artykulydo2012/34_3_495.pdf · Type I collagen is a fibrillar protein, the main constituent of ... LRP-5 alleles

496 H. W. WITAS, W. I. WUJCICKA

cych na fenotyp choroby doprowadz¹ zapewne do zidentyfikowania molekularnego wyznacznika u¿y-tecznego w diagnostyce i leczeniu osteoporozy.

S³owa kluczowe: osteoporoza, BMD, przebudowa ko�ci, COLIA1, VDR, ER, LRP-5, RUNX2.

Summary: Osteoporosis is a chronic systemic disease characterized by progressive loss of bone mass andmicroarchitectural deterioration of bone tissue. Bone lesions are caused by different factors, includinghereditary ones. A process named bone remodeling is the effect of balanced osteoclastogenesis and oste-oblastogenesis, two primary processes controlled by a number of proteins. The osteoclasts proliferationand differentiation are regulated by: PU.1, MITF, M-CSF, c-Src, PI-3K, c-Fms, RANK, NFATc1, NFκBand cFos/Fra-1 proteins. Activation of bone resorption during remodeling depends on the direct interac-tion of osteoblasts and osteoclasts. Osteoblast cell surface protein RANK interacts with its ligandRANKL � the cytokine secreted by osteoblasts. Despite that, Wnt signalling pathway proteins and theircoreceptors � LRP-5 and LRP-6 proteins, are involved in regulation of osteoblast function. Over 3decades passed since identification of genes/alleles responsible for osteoporosis phenotype. The mostintensively studied genes up to now are VDR, COLIA1 and ER. Genes involved were invented as fourgroups of biological factors: cytokines, growth factors, bone matrix proteins and calciotropic hormonesand receptors. Type I collagen is a fibrillar protein, the main constituent of bone matrix, VDR is cytopla-smic vitamin D receptor as well as ER, estrogen receptor, which regulates expression of target genesinvolved in bone homeostasis. The correlation between particular LRP-5 alleles and function of transmem-brane LRP-5 protein is not clear, however it is suggested that polymorphisms of LRP-5 gene maycontribute to BMD alterations, thus influencing the risk of developing osteoporosis. Besides allelicvariants of TGFβ-1 gene, a number of mutations of proinflammatory cytokines IL-1 and IL-6 genes exist,of which translation products correlates with the level of estrogens in women which in turn may influenceosteoporotic pathophysiology. Among sequence alterations analised are polymorphic restriction sitesBsmI, ApaI, EcoRV, FokI and TaqI of VDR gene and their association with femoral-neck and total skeletonBMD. Researchers are particularly interested in polymorphism at Sp1 binding site in COLIA1 gene,which is suggested to be a genetic marker of microarchitectural bone deterioration. Moreover, there are anumber of polymorphisms associated with osteoporotic phenotype i.e. BstI, PvuII i XbaI in ERα gene,PvuII in CD38 gene as well as others in OSCAR and RUNX2 genes. Despite a huge number of data ongenetic background of osteoporosis, there are still many discrepancies. However genetic research onosteoporosis will surely lead to unequivocal identification of molecular markers which could be finallyuseful for diagnostic and therapeutic purposes.

Key words: osteoporosis, BMD, bone remodeling, COLIA1, VDR, ER, LRP-5, RUNX2.

1.WSTÊP

Zgodnie z raportem przygotowanym przez �wiatow¹ Organizacjê Zdrowia (WHO)osteoporoza stanowi coraz czê�ciej problem dotykaj¹cy ludzi zarówno w krajachrozwiniêtych, jak i rozwijaj¹cych siê. Aktualnie, na osteoporozê choruje oko³o 75 mlnludzi na �wiecie, w tym, co trzecim chorym jest kobieta w wieku pomenopauzalnym.Osteoporoza w Polsce zagra¿a, co najmniej 5 milionom kobiet i 4 milionom mê¿czyzn,staj¹c siê istotnym problemem zdrowotnym i ekonomicznym. Znaczenie spo³eczneopisywanego problemu zdrowotnego ilustruje fakt, ¿e z³amanie szyjki ko�ci udowej,zwane równie¿ �ostatnim z³amaniem� jest trzeci¹ co do czêsto�ci przyczyn¹ zgonóww Polsce po chorobach kr¹¿enia i chorobach nowotworowych.

Pojêcie osteoporoza wywodzi siê z jêzyka greckiego (osteon � ko�æ i poros � otwór,dziura, pró¿nia), w dok³adnym t³umaczeniu oznaczaj¹c porowato�æ ko�ci. Osteoporoza toprzewlek³a, uwarunkowana wieloczynnikowo choroba metaboliczna uk³adu kostnego,

Page 3: GENETYCZNE WYZNACZNIKI OSTEOPOROZY - …pbkom.eu/sites/default/files/artykulydo2012/34_3_495.pdf · Type I collagen is a fibrillar protein, the main constituent of ... LRP-5 alleles

497GENETYCZNE WYZNACZNIKI OSTEOPOROZY

przejawiaj¹ca siê zmniejszeniem gêsto�ci masy kostnej, powoduj¹cej zmiany jej struktury iw nastêpstwie wzrost ryzyka z³amañ ko�ci [32, 37]. Choroba towarzyszy³a cz³owiekowinajpewniej od zarania dziejów, ale dopiero niedawno sta³a siê powa¿nym problememspo³ecznym. Niew¹tpliwie, fakt zwiêkszenia �redniej d³ugo�ci ¿ycia cz³owieka [30] przyczyni³siê do rozpoznania problemu. Ju¿ na pocz¹tku XIX wieku wybitny angielski chirurg sirAstley Cooper, próbuj¹c wyja�niæ fakt czêstszych z³amañ ko�ci u ludzi starszych, opisa³rozlu�nianie struktury tkanki kostnej, nasilaj¹ce siê wraz z wiekiem. Mniej wiêcej w tymsamym czasie Johan Lobstein wprowadzi³ pojêcie osteoporozy, chocia¿, jak dzisiaj wiadomo,terminem tym okre�li³ wtedy zmiany chorobowe znane dzisiaj pod nazw¹ wrodzonej³amliwo�ci ko�ci � osteogenesis imperfecta [30].

W�ród poznanych czynników ryzyka zachorowania na osteoporozê wymieniane s¹:szczup³a budowa cia³a, wiek powy¿ej 65 lat, okres menopauzalny, niedostatecznewch³anianie wapnia i witaminy D, nadmierne spo¿ycie kawy, alkoholu, coca-coli, paleniepapierosów i d³ugotrwa³e unieruchomienie. Wiadomo tak¿e, ¿e fenotyp osteoporotycznyjest bardziej prawdopodobny u osób chorych na nadczynno�æ tarczycy lub przytarczyc,cukrzycê, chorobê Cushinga, nowotwory oraz u pacjentów, u których przez d³u¿szyczas stosowano sterydoterapiê, terapiê przeciwzakrzepow¹ lub przeciwpadaczkow¹.

Oprócz w³a�ciwego stylu ¿ycia, odpowiedniej diety i æwiczeñ fizycznych podczaskszta³towania szkieletu cz³owieka oraz utrzymania równowagi dynamicznej zmian masykostnej u osób doros³ych i starszych udzia³ predyspozycji odziedziczonej po rodzicachjest znacz¹cy i stanowi od 50 do 85% [10, 15]. Fenotypowe zmiany osteoporotycznecharakteryzowane s¹ zmian¹ warto�ci powszechnie przyjêtych wska�ników opisu-j¹cych jako�æ tkanki kostnej, tj. BMD (ang. Bone Mineral Density), BUA (ang.Broadband Ultrasound Attenuation), VOS (ang. Velocity Of Sound), odpowia-daj¹cych za 50�85% zmian masy kostnej [40]. Liczne i niejednoznaczne wynikiuwarunkowañ genetycznych osteoporozy obejmuj¹ analizê wp³ywu szeregu czynnikówgenetycznych tak¿e na inne wyznaczniki ryzyka z³amañ ko�ci, w tym zmiany geometriiszyjki ko�ci udowej, si³ê miê�ni, wyznaczniki metabolizmu uk³adu kostnego, wska�nikBMI (ang. Body Mass Index), a tak¿e wiek i menopauzê [40]. Spo�ród wielu sposobówidentyfikacji genów warunkuj¹cych fenotyp osteoporozy lub z nim zwi¹zanych,najczê�ciej przeprowadzana jest analiza zwi¹zku pomiêdzy poszczególnymi miejscamipolimorficznymi w genach-kandydatach z manifestowanymi fenotypowo zmianamiosteoporotycznymi oraz badania nierównowagi sprzê¿eñ. W niniejszym artykuledokonali�my przegl¹du literatury opisuj¹cej zwi¹zki szeregu badanych wariantówpolimorficznych genów z fenotypem osteoporozy.

2. PODSTAWY MOLEKULARNE PROCESU KOSTNIENIA

Okre�lenie genetycznego pod³o¿a osteoporozy, choroby uwarunkowanej wieloczyn-nikowo, wymaga znajomo�ci podstaw molekularnych procesu kostnienia, na który sk³adasiê osteoklastogeneza i osteoblastogeneza. Istniej¹ca równowaga miêdzy nimi odpowiadaza proces przebudowy ko�ci (ang. bone remodeling) [36].

Page 4: GENETYCZNE WYZNACZNIKI OSTEOPOROZY - …pbkom.eu/sites/default/files/artykulydo2012/34_3_495.pdf · Type I collagen is a fibrillar protein, the main constituent of ... LRP-5 alleles

498 H. W. WITAS, W. I. WUJCICKA

Osteoklasty � komórki ko�ciogubne wywodz¹ siê z monocytów, od których odró¿nia jespolaryzowana lokalizacja poszczególnych bia³ek wewn¹trzkomórkowych icharakterystyczny kszta³t, sprzyjaj¹ce przyleganiu do ko�ci i jej resorpcji. Produkuj¹ tak¿eswoiste bia³ka, np. katepsynê K [36]. Pierwszym, który przyczynia siê do powstania liniiosteoklastów, jest czynnik transkrypcyjny PU.1, który warunkuj¹c powstawanie pó�nychkomórek monocytarnych odpowiada jednocze�nie za nieswoiste ró¿nicowanie wczesnychkomórek monocytarnych [36]. Nastêpnie, nale¿¹cy do rodziny bia³ek MITF (ang.MIcrophthalmia-associated Transcription Factor ), czynnik M-CSF (ang. MacrophageColony-Stimulating Factor), zwi¹zany z b³on¹ lub wystêpuj¹cy w postaci rozpuszczonej,warunkuje proliferacjê i prze¿ywanie prekursorów osteoklastów, a tak¿e odpowiada zaaktywno�æ dojrza³ych osteoklastów (ich rozprzestrzenianie, ruchliwo�æ i organizacjêcytoszkieletu) [36]. W procesie tym udzia³ bior¹ kinazy c-Src (ang. cellular-Sarcoma) iPI-3K (ang. PhosphatidyloInositol 3-Kinase) dzia³aj¹ce na bia³ko c-Fms � receptorczynnika M-CSF, zlokalizowany na prekursorach osteoklastów. Na komórkach tych ekspresjiulega tak¿e receptor RANK (ang. Receptor Activator of NFκB), z którym oddzia³ujecytokina RANKL (ang. Receptor Activator of NFκB Ligand) nale¿¹ca do rodzinyczynników TNF (ang. Tumor Necrosis Factor). Efektem tego jest aktywacja czynnikówtranskrypcyjnych: NFATc1 (ang. Nuclear Factor of Activated T cells transcriptioncomplex 1), NFκB (ang. Nuclear Factor κB) i cFos/Fra-1 (ang. cellular Finkel-Biskis-Jinkins murine osteosarcoma). Czynnik NFATc1 kieruje komórki prekursorowe na drogêosteoklastogenezy nawet, kiedy brakuje RANKL. Nie wiemy dok³adnie, w jaki sposóbczynnik NFκB wp³ywa na dojrza³e osteoklasty, choæ stwierdzono, ¿e delecja genu koduj¹cegoczynnik transkrypcyjny NFκB odpowiada za niezale¿n¹ od osteoklastów, rzadk¹, dziedziczn¹chorobê � marmurowato�æ ko�ci, zwan¹ równie¿ chorob¹ Albersa i Schõnberga. Kostnieniewymaga bia³ka c-Fos, poniewa¿ odpowiada ono za osteoklastogenezê monocytarnychprekursorów osteoklastów, niezale¿nie od rozwoju makrofagów [30].

Oddzia³ywanie RANK/RANKL mo¿e byæ zak³ócone przez rozpuszczalne OPG (ang.OsteoProteGerin) [36]. Czynniki bior¹ce udzia³ w resorpcji tkanki kostnej mog¹ tak¿e stymulowaæaktywno�æ bia³ka COX2 (ang. CycloOXygenase-2) [30], warunkuj¹c w rezultacie wzmocnion¹odpowied� na cytokinê RANKL oraz OPG, za po�rednictwem prostaglandyn [30].

Ostatnio wskazano tak¿e na znaczenie szlaku sygnalizacji Wnt (ang. Wingless-type) w procesieregulacji funkcji osteoblastów [30]. Bia³ka Wnt podczas pierwszego etapu transmisji sygna³ukomórkowego przy³¹czaj¹ siê do ich receptorów b³onowych (bia³ek Fz, ang. Frizzled) [13]. Zsygnalizowaniem Wnt zwi¹zane s¹ tak¿e szlak β-katenin oraz oddzia³ywanie bia³ka BMP2(ang. Bone Morphogenetic Protein 2). Bia³ko SOST (ang. SclerOSTin) hamuje aktywno�æzarówno BMP2, jak i przemian Wnt. Koreceptorami bia³ek Wnt s¹ bia³ka LRP-5 (ang. Lowdensity lipoprotein Receptor-related Protein 5) i LRP-6 (ang. Low density lipoproteinReceptor-related Protein 6). Wewn¹trzkomórkowa domena bia³ka LRP-5 wi¹¿e aksynê �bia³ko o charakterze rusztowania (ang. scaffolding protein), wi¹¿¹ce szereg innych bia³ekw tym: APC (ang. Adenomatous Polyposis Coli), Gsk3 (ang. Glycogen synthase kinase 3),Ck1 (ang. Casein kinase 1), β-kateninê (ang. β-catenin) [13]. Za po�rednictwem sygnalizacjiWnt bia³ko LRP-5 bierze udzia³ w proliferacji i ró¿nicowaniu osteoblastów [13, 30].

Metabolizm ko�ci zale¿y od hormonów p³ciowych: androgenów i estrogenów [30, 39].Zarówno u kobiet, jak i u mê¿czyzn estrogeny pe³ni¹ zasadnicz¹ rolê podczas zamykania

Page 5: GENETYCZNE WYZNACZNIKI OSTEOPOROZY - …pbkom.eu/sites/default/files/artykulydo2012/34_3_495.pdf · Type I collagen is a fibrillar protein, the main constituent of ... LRP-5 alleles

499G

EN

ET

YC

ZN

E W

YZ

NA

CZ

NIK

I OS

TE

OP

OR

OZ

Y

RYCINA 1. Niektóre geny i produkty ich ekspresji bior¹ce udzia³ w metabolizmie uk³adu kostnego: APC � gen dla bia³ka APC, BMP-2 � gen dla bia³kamorfogenezy uk³adu kostnego, COLIA1 � gen dla kolagenu typu I, Ck1 � gen dla kinazy kazeinowej, DvI � gen dla bia³ka DvI, ESR � gen dla receptora hormonówestrogenowych, Fzd � gen dla bia³ka Frizzled, GSK-β � gen dla kinazy syntazy glikogenowej, IGF-1 � gen dla insulinopodobnego czynnika wzrostu, IL-1 � gendla interleukiny-1, LRP-5 � gen dla bia³ka zwi¹zanego z receptorem lipoproteiny o niskiej gêsto�ci, RANK � gen dla receptora aktywuj¹cego czynnik NFκB,RANKL � gen dla liganda receptora aktywuj¹cego czynnik NFκB, RXRs � gen dla receptora siatkówkowego X, TGF-β � gen dla transformuj¹cego czynnikawzrostu β, TNF-α � gen dla czynnika martwicy nowotworu α, VDR � gen dla receptora witaminy D, VDRE � sekwencja regulatorowa DNA rozpoznawanaprzez receptory witaminy D aktywowane wi¹zaniem siê liganda, Wnt � bia³ko wingless type (opracowanie w³asne, wg [8, 13, 31]

Page 6: GENETYCZNE WYZNACZNIKI OSTEOPOROZY - …pbkom.eu/sites/default/files/artykulydo2012/34_3_495.pdf · Type I collagen is a fibrillar protein, the main constituent of ... LRP-5 alleles

500 H. W. WITAS, W. I. WUJCICKA

nasady ko�ci i regulacji metabolizmu ko�ci [30]. Chocia¿ wiele badañ wskazuje na funkcjêandrogenów w procesie ró¿nicowania osteoblastów, ostatnie doniesienia wskazuj¹, ¿eandrogeny maj¹ swój udzia³ tylko w zmniejszaniu liczby osteoblastów i czêsto�ci apoptozyosteocytów [39]. W�ród trzech najczê�ciej wymienia-nych czynników, których ekspresjaregulowana jest stê¿eniem androgenów, s¹ TGF-β (ang. Transforming Growth Fac-tor-β), IGFs (ang. Insulin-like Growth Factors) i IL-6 (ang. InterLeukin-6) [39].Czynniki TGF-β i IGFs bior¹ udzia³ w tworzeniu ko�ci, podczas gdy interleukina-6odpowiada za osteoklastogenezê. Zatem, androgeny zaznaczaj¹ swój udzia³ w metabolizmieuk³adu kostnego poprzez indukcjê ekspresji czynników TGF-β i IGFs lub hamowanieekspresji IL-6. Androgeny hamuj¹ tak¿e ekspresjê bia³ek gp80 i gp130, stanowi¹cychpodjednostki receptora interleukiny-6. Estrogen natomiast bierze udzia³ w przyspieszaniuapoptozy osteoklastów, czemu towarzyszy wzrost ekspresji TGF-β [39].

3. GENY A ZMIANY W STRUKTURZE KO�CI  

Kostnienie i utrzymywanie prawid³owej struktury tkanki kostnej sk³adaj¹ siê na z³o¿ony,wieloetapowy proces, kontrolowany przez wiele genów. Szczególne znaczenie marównowaga pomiêdzy resorpcj¹ i odtwarzaniem tkanki kostnej. Jej zaburzenie prowadzido ci¹g³ych zmian stanu fizykochemicznego ko�ci i w rezultacie rozlu�nienia i os³abieniajej struktury [30]. Ju¿ od ponad dwóch, trzech dziesiêcioleci [46] podejmowane s¹ próbyzidentyfikowania wyznaczników molekularnych, genów/alleli [4], po�rednio lub bezpo�-rednio wp³ywaj¹cych na homeostazê ko�ci. Po�ród genów-kandydatów wymienianenajczê�ciej [46] to: geny koduj¹ce receptor witaminy D � VDR (ang. Vitamin D Receptor)[10, 43, 45], kolagen typ I � COLIA1 [12, 20, 32] i receptor estrogenowy � ER1 (ang.Estrogen Receptor 1) [11, 44], a tak¿e inne, np. TGFβ-1 (ang. Transforming GrowthFactor β-1), IL-6 [22, 25], CYP-19 (ang. aromatase gene) [42], TNF2 (ang. TumorNecrosis Factor 2), IGF-1 (ang. Insulin-like Growth Factor-1), CT (ang. CalciTonin),CTR (ang. CalciTonin Receptor), IL-ra (ang. InterLeukin-1 receptor antagonist),OPG. Geny te przyporz¹dkowywane s¹ zazwyczaj do czterech grup czynnikówbiologicznych: cytokin (IL-6, IL-1), czynników wzrostowych (TGFβ-1, IGF-1, TNF),bia³kowych sk³adników macierzy ko�ci (COLIA1 oraz COLIA2, BGP, AHSG) orazhormonów kalcytropowych i ich receptorów (VDR, ER-α, ER-β, CYP19, AR) [21].Analizowane s¹ coraz to nowe geny, np. ApoE (ang. Apolipoprotein E), MTHFR (ang.MethyleneTetraHydroFolate Reductase), RUNX2 [28, 41].

4. FUNKCJA BIOLOGICZNA BIA£KOWYCH PRODUKTÓWEKSPRESJI GENÓW � KANDYDATÓW ZWI¥ZANYCH

Z OSTEOPOROZ¥

Kolagen

Funkcja strukturalna produktu bia³kowego genu COLIA1 (locus 17q21.3-q22 i7q21.3-q22) koduj¹cego g³ówny sk³adnik (90%) macierzy organicznej ko�ci t³umaczyczêsto podejmowan¹, szczegó³ow¹ analizê molekularn¹ jego alleli i poszukiwanie zwi¹zkupomiêdzy struktur¹ genu a podatno�ci¹ na z³amania ko�ci [9, 13].

Page 7: GENETYCZNE WYZNACZNIKI OSTEOPOROZY - …pbkom.eu/sites/default/files/artykulydo2012/34_3_495.pdf · Type I collagen is a fibrillar protein, the main constituent of ... LRP-5 alleles

501GENETYCZNE WYZNACZNIKI OSTEOPOROZY

Pojêciem kolagen opisywana jest grupa podobnych strukturalnie i funkcjonalniecz¹steczek fibrylarnych stanowi¹cych w organizmach ssaków ok. 25% wszystkichbia³ek. Spo�ród kolagenów typu I, II, III, V i IX, których ³añcuchy buduj¹ cz¹steczki ocharakterze fibrylarnym, podstawow¹ formê budulcow¹ tkanki kostnej stanowi kolagentypu I [13]. Cz¹steczka typu I jest prawoskrêtnym heliksem zbudowanym z 3lewoskrêtnych ³añcuchów bia³kowych: 2 heliks alfa

1(I) i 1 heliksu alfa

2(II), o d³ugo�ci

300 Å i �rednicy 15 Å. Poszczególne ³añcuchy prokolagenowe kodowane s¹ przezoddzielne geny. Heliks pro-alfa

1(I) kodowany jest przez gen zlokalizowany w locus

17q21.3-q22, o d³ugo�ci 18 kpz, w sk³ad którego wchodzi 51 egzonów. Heliks pro-alfa

2(II) kodowany jest przez gen o d³ugo�ci 38 kpz zlokalizowany w locus 7q21.3-q22

i zbudowany z 52 eksonów [18]. Kolagen typu I tworzy fibryle, z których formowanes¹ nastêpnie wiêksze w³ókna. Fibryle zlokalizowane s¹ w macierzy pozakomórkowej istanowi¹ podstawowy element budulcowy �ciêgien, wiêzade³, skóry i ko�ci [18].

VDRJedn¹ ze struktur o podstawowym znaczeniu dla metabolizmu ko�ci jest receptor

witaminy D, kodowany przez gen VDR (locus 12q13.11). Gen o d³ugo�ci 63493 pzzbudowany jest z 11 egzonów i koduje bia³ko z³o¿one z 473 aminokwasów. VDR nale¿ydo rodziny cytoplazmatycznych receptorów hormonów sterydowych. Receptor witaminyD, który odgrywa g³ówn¹ rolê w metabolizmie witaminy D, po przy³¹czeniu w cytoplazmieczynnej formy witaminy D (1,25(OH)

2D

3) uruchamia kaskadê reakcji. Heterodimeryzacja

VDR z RXRs (ang. Retinoid X Receptors) oraz specyficzne wi¹zanie z sekwencj¹VDRE (ang. Vitamin D Response Elements) odpowiada za regulacjê ekspresji doce-lowych genów. VDR, bior¹c udzia³ w ró¿nicowaniu osteoblastów, gospodarce wapnioweji fosforanowej ko�ci, jelit i przytarczyc, ma tym samym wp³yw na mineralizacjê ko�ci iich przebudowê (ang. bone remodeling) [13].

Receptor estrogenowyReceptor estrogenowy to jeszcze jeden, oprócz receptora witaminy D, istotny element

uk³adu odpowiedzialnego za utrzymanie homeostazy ko�ci [11]. Spo�ród dwóch izoformreceptora estrogenowego, tj. ERα i ERβ, pierwsza odgrywa znacz¹c¹ rolê wmetabolizmie ko�ci. Koduj¹cy j¹ gen zlokalizowany jest w locus 6q25.1, sk³ada siê z 8eksonów i ma d³ugo�æ ok. 140 kpz [11].

LRP-5 i BMP2W literaturze ostatnich lat [14, 30, 46] pojawiaj¹ siê doniesienia na temat dwóch

innych bia³ek, którym przypisywany jest udzia³ w procesie kostnienia i utrzymywaniastruktury tkanki kostnej: LRP-5 i BMP2. Wp³yw polimorficznych alleli, koduj¹cychodpowiednie cz¹steczki bia³kowe na strukturê ko�ci, manifestuje siê zmianamiosteoporotycznymi u osób z okre�lonymi wariantami genu. Funkcj¹ bia³ek BMP,nale¿¹cych do rodziny czynników TGFβ, jest udzia³ w regulacji ró¿nicowania osteo-blastów i formowaniu ko�ci [31, 46]. Ostatnie badania wskazuj¹, ¿e polimorficznewarianty bia³ek BMP mog¹ kandydowaæ do miana czynników predysponuj¹cych dofenotypu osteoporozy [31]. Gen LRP-5, zlokalizowany u cz³owieka w locus 11q12-13,

Page 8: GENETYCZNE WYZNACZNIKI OSTEOPOROZY - …pbkom.eu/sites/default/files/artykulydo2012/34_3_495.pdf · Type I collagen is a fibrillar protein, the main constituent of ... LRP-5 alleles

502 H. W. WITAS, W. I. WUJCICKA

koduje wysokocz¹steczkowe, transmembranowe bia³ko LRP-5, nale¿¹ce do rodzinyLDLR (ang. LDL Receptor-related family), zbudowane z 1615 aminokwasów [13].Rodzina LDLR obejmuje receptory powierzchniowe pe³ni¹ce funkcjê w ró¿nychbiologicznych przemianach, m.in. metabolizmie lipidów. Wyniki ostatnich badañ sugeruj¹znaczenie mutacji genu LRP-5 dla wielu chorób uk³adu kostnego, np. OPPG(OsteoPorosis-PseudoGlioma) [1], zwiêkszenia masy ko�ci, a tak¿e osteoporozy [7,17]. Mimo ¿e nieznane s¹ szczegó³y mechanizmu warunkuj¹cego patologiczny fenotyp,to jednak podejmowane s¹ próby analizy zwi¹zku pomiêdzy poszczególnymi miejscamipolimorficznymi w genie LRP-5 a warto�ci¹ parametru BMD [13].

TGFβ-1TGFβ-1 jest zbudowany z 7 egzonów i zlokalizowany w locus 19q13. Kodowane

bia³ko � transformuj¹cy czynnik wzrostu β1 � reguluje m.in. proliferacjê i ró¿nicowaniekomórek, a tak¿e indukuje proces transformacji i prawdopodobnie bierze udzia³ wutrzymywaniu homeostazy uk³adu kostnego.

IL-1, IL-6Oprócz wymienionych wy¿ej, tylko niektórych czynników zaanga¿owanych w procesie

kostnienia, nie sposób nie wspomnieæ o cytokinach prozapalnych IL-1 i IL-6, których syntezawzmaga siê u kobiet po menopauzie jako efekt obni¿enia poziomu estrogenów [34]. W�ródcytokin na szczególn¹ uwagê zas³uguje interleukina-6 [22, 25]. Sugeruje siê, ¿e obecno�æ wgenomie jednej z odmian polimorficznych koduj¹cego j¹ genu (substytucja G-174-C) mo¿emieæ zwi¹zek ze zmianami osteoporotycznymi. Gen IL-6 zlokalizowany w locus 7p21koduje bia³ko zbudowane z 212 aminokwasów. IL-6, wp³ywaj¹c na metabolizm kostny,kojarzona jest z wieloma schorzeniami, np. osteoporoz¹, chorob¹ Pageta, reumatoidalnymzapaleniem stawów oraz nadczynno�ci¹ przytarczyc [22].

5. POLIMORFIZM GENÓW WYZNACZNIKIEMMOLEKULARNYM RYZYKA Z£AMAÑ KO�CI

Prowadzone od ponad 20 lat badania molekularne maj¹ na celu okre�lenie czynnikówgenetycznych, które warunkuj¹ lub predysponuj¹ do osteoporotycznych zmianidentyfikowanych zmian¹ warto�ci wska�nika BMD [33, 46].

Jednym z pierwszych, analizowanych pod tym wzglêdem genów by³ VDR [21]. Zwi¹zekmiejsc restrykcyjnych BsmI, ApaI i EcoRV tego genu ze zmianami w metabolizmieuk³adu kostnego opisali po raz pierwszy Morrison i wsp. w 1992 roku [27]. Pó�niej,wielokrotnie opisywano inne zmiany struktury pierwszorzêdowej genu VDR, w tym np.miejsca restrykcyjne TaqI, FokI i polimorfizm miejsca wi¹zania czynnika transkrypcyjnegoCdx2, próbuj¹c przyporz¹dkowaæ je zró¿nicowanemu fenotypowi, np. zmienionej warto�ciwska�nika BMD w obrêbie krêgów lêd�wiowych (LS-BMD, ang. Lumbar-Spine BoneMineral Density), szyjki ko�ci udowej (FN-BMD, ang. Femoral-Neck BMD), trójk¹taWarda, ko�æca ca³ego szkieletu, ko�ci biodrowej (TH-BMD, ang. Total-Hip BMD), atak¿e tempem utraty masy kostnej, absorpcj¹ wapnia, wydzielaniem wapnia z moczem,maksymalnym poziomem masy kostnej (ang. peak bone mass) oraz wystêpuj¹cym w

Page 9: GENETYCZNE WYZNACZNIKI OSTEOPOROZY - …pbkom.eu/sites/default/files/artykulydo2012/34_3_495.pdf · Type I collagen is a fibrillar protein, the main constituent of ... LRP-5 alleles

503GENETYCZNE WYZNACZNIKI OSTEOPOROZY

surowicy krwi poziomem niektórych wska�ników biochemicznych (alkalicznej fosfatazy,osteokalcyny, 1,25-dihydroksywitaminy D) [21].

W szeregu dotychczasowych opracowañ podejmowano problem uwarunkowaniagenetycznego osteoporozy, czêsto prezentuj¹c sprzeczne wyniki na temat zwi¹zkuposzczególnych alleli genu VDR z fenotypem osteoporozy [42]. Przypuszczalnie efekttaki mo¿e wynikaæ m.in. z ograniczonego udzia³u receptora VDR w metabolizmiekostnym. Sugeruje siê, ¿e analizowana korelacja pomiêdzy genotypem VDR a warto�ci¹wska�nika BMD jest modyfikowana ilo�ci¹ przyjmowanego wapnia i witaminy [42].

W 2005 roku Xu i wsp. [43] badali wp³yw polimorficznego miejsca ApaI w genieVDR na warto�æ BMD ko�ci biodrowej. Identyfikuj¹c je w grupie 260 zdrowychchiñskich kobiet w wieku pomenopauzalnym stwierdzili, ¿e jest ono w sposób statys-tycznie istotny zwi¹zane z warto�ci¹ wspó³czynnika BMD i odpowiada za 3,32% zmianjego warto�ci. Jednak, po uwzglêdnieniu wieku osób badanych i charakterystycznejwarto�ci BMI, nie potwierdzono statystycznie znamiennej zale¿no�ci pomiêdzyobecno�ci¹ polimorfizmu ApaI i warto�ci¹ BMD. Wyniki tych badañ potwierdzi³yjednocze�nie, ¿e 26,35% obserwowanych zmian BMD ma zwi¹zek z warto�ci¹wspó³czynnika BMI, co mo¿e wyja�niaæ wiele rozbie¿nych danych otrzymywanychpodczas wcze�niej przeprowadzanych badañ [21, 42]. Tak¿e Morita i wsp. [26] wykazalibrak jednoznacznego zwi¹zku pomiêdzy wystêpowaniem miejsc polimorficznych ApaI,TaqI i FokI genu VDR a warto�ci¹ BMD krêgów lêd�wiowych, ko�ci biodrowej idystalnej czê�ci przedramienia u japoñskich kobiet.

Istotne znaczenie dla podejmowanych wci¹¿ prób ustalania molekularnego pod³o¿aosteoporozy maj¹ dwa ostatnio opublikowane raporty badañ o charakterze masowym.Uitterlinden i wsp. [38] oraz Ralston i wsp. [32] publikuj¹ dane obejmuj¹ce ponad20 tys. osób przebadanych przez 9 europejskich zespo³ów badawczych. Analizowanozwi¹zek wystêpowania alleli genów VDR i COLIA1 z warto�ci¹ BMD oraz czêsto�ci¹z³amañ. Uitterlinden i wsp. [38] dowiedli, ¿e analizowane u 26242 osób miejsca restryk-cyjne FokI, BsmI, ApaI i TaqI genu VDR nie stanowi¹ wska�ników zmian warto�ciBMD oraz czêsto�ci z³amañ. Wykazano jednocze�nie tylko niewielki zwi¹zek polimor-ficznego miejsca Cdx2 z ryzykiem z³amania krêgów. W drugiej za� pracy [32] podanowyniki analizy zwi¹zku polimorficznego miejsca G/T, zlokalizowanego w genie COLIA1,a dok³adnie w miejscu wi¹zania czynnika transkrypcyjnego Sp1, z fenotypemosteoporotycznym. Przyczynkiem do podjêcia przez Ralstona i wsp. takich badañ sta³ysiê zapewne rozbie¿ne wyniki wcze�niejszych analiz transwersji G/T i prób identyfikacjijej jako wyznacznika molekularnego zmian osteoporotycznych u jej nosicieli. Wykazanozwi¹zek polimorfizmu tego czynnika z obni¿eniem warto�ci BMD, jak równie¿ uznano,¿e mutacja ta mo¿e predysponowaæ do z³amañ krêgów u kobiet, niezale¿nie od zmianwarto�ci wska�nika BMD. Mezquita-Raya i wsp. [23] w 2002 roku opisali polimorfizmSp1 genu COLIA1 jako dogodny wska�nik predyspozycji do z³amañ krêgów, niezale¿nyod masy kostnej. Badaj¹c próbê 43 kobiet w wieku pomenopauzalnym ze stwierdzonymz³amaniem ko�ci oraz grupê odniesienia 101 kobiet-rówie�niczek bez z³amañ, stwier-dzono, ¿e czêsto�æ allelu T, a w konsekwencji genotypów GT i TT, by³a wiêksza wgrupie chorych. Stewart i wsp. [35], Pluijm i wsp. [29], Gerdhem i wsp. [12], Âlvarez-Hermendez i wsp. [3] tak¿e wykazali zwi¹zek polimorfizmu Sp1 w genie COLIA1 ze

Page 10: GENETYCZNE WYZNACZNIKI OSTEOPOROZY - …pbkom.eu/sites/default/files/artykulydo2012/34_3_495.pdf · Type I collagen is a fibrillar protein, the main constituent of ... LRP-5 alleles

504 H. W. WITAS, W. I. WUJCICKA

zmianami gêsto�ci mineralnej ko�ci i czêsto�ci¹ obserwowanych z³amañ lub zwiêkszo-nym ryzykiem ich wyst¹pienia.

Albagha i wsp. badali zwi¹zek pomiêdzy polimorficznymi wariantami genu ERα i utrat¹masy kostnej w grupie 3054 szkockich kobiet w wieku pomenopauzalnym [2]. Stwierdzili,¿e haplotyp px (oznaczaj¹cy wystêpowanie miejsc restrykcyjnych PvuII i XbaI w intronie1 genu ESR1) koreluje z obni¿on¹ warto�ci¹ BMD ko�ci biodrowej, a tak¿e zwiêkszonymtempem utraty masy kostnej szyjki ko�ci udowej. Podobn¹ zale¿no�æ bada³ Gennari i wsp.[11], nie wykazuj¹c jednak istotnego statystycznie zwi¹zku miejsc restrykcyjnych PvuIIi XbaI z warto�ci¹ BMD krêgów lêd�wiowych i ko�ci udowej. Obserwowano jedynietendencjê do wzrostu gêsto�ci mineralnej ko�ci u kobiet z genotypem ERPP. Tak¿e inni,w tym Langdahl i wsp. [19] stwierdzili brak ró¿nic w czêsto�ci wystêpowaniapolimorficznych miejsc BstUI, PvuII i XbaI pomiêdzy osobami, u których dochodzi³o doz³amania krêgów, a osobami zdrowymi. Zauwa¿ono tak¿e nieznaczny wp³yw liczbypowtórzeñ TA w regionie promotorowym genu ERα na zmniejszenie warto�ci BMDkrêgów lêd�wiowych i ko�ci biodrowej [19]. W innej pracy Yim i wsp. [44], badaj¹c 284koreañskie kobiety w wieku pomenopauzalnym, wykazali brak zwi¹zku pomiêdzy liczb¹powtórzeñ TA (najczê�ciej (TA)

14) w promotorze genu ERα a zmianami gêsto�ci

mineralnej krêgów lêd�wiowych szyjki ko�ci udowej i markerów kostnych. Stwierdzilijednak, ¿e badany polimorfizm wp³ywa w sposób istotny na zmiany gêsto�ci mineralnejkrêgów lêd�wiowych u kobiet, które od roku przyjmowa³y hormonaln¹ terapiê zastêpcz¹� HRT (ang. Hormonal Replacement Therapy) [44].

W�ród szeregu badanych ostatnio alleli w aspekcie zwi¹zku z osteoporoz¹ wa¿nemiejsce zajmuj¹ allele genu LRP-5 [14, 17]. Koller i wsp. [17] analizowali 12jednonukleotydowych miejsc polimorficznych (SNPs) w genie LRP-5 i znale�li istotn¹statystycznie zale¿no�æ ze zmianami warto�ci BMD ko�ci biodrowej i krêgów. Zmienioneallele odpowiada³y za 0,8% ró¿nic w gêsto�ci mineralnej szyjki ko�ci udowej oraz 1,1%ró¿nic w warto�ci BMD krêgów. Ferrari i wsp. [7], badaj¹c próbê 889 zdrowych osób,wykazali zwi¹zek mutacji typu zmiany sensu (substytucja 2047 G A) w egzonie 9genu LRP-5 z warto�ci¹ LS-BMC (ang. Lumbar-Spine Bone Mineral Content),powierzchni¹ ko�ci i wzrostem badanych, co odpowiada³o za 15% zmian wskazanychparametrów. Van Meurs i wsp. [40], badaj¹c próbê mê¿czyzn w starszym wieku,przedstawili istotny wp³yw polimorficznych genów LRP-5 i LRP-6 na fenotyposteoporozy, wyra¿aj¹cy siê 60% wzrostem ryzyka z³amañ u nosicieli pierwszego b¹d�drugiego wariantu allelicznego oraz 140% wzrostem ryzyka u nosicieli obu polimor-fizmów. Wskazane osteoporotyczne zmiany korelowa³y z substytucj¹ C165215T wegzonie 18 genu LRP-5, powoduj¹c¹ zamianê alaniny w walinê, jak równie¿ substytucj¹Ile1062Val w genie LRP-6. W badaniach tych van Meurs i wsp. [40] wykazali równie¿,¿e obserwowane ryzyko z³amañ u mê¿czyzn by³o niezale¿ne od wieku, wzrostu, masycia³a, a tak¿e warto�ci wska�nika BMD. Mizuguchi i wsp. [24] analizowali zwi¹zek 5jednonukleotydowych miejsc polimorficznych (SNPs) genu LRP-5 w próbie 481japoñskich kobiet, spo�ród których 3 substytucje, tj. 2220 C T w egzonie 10, 17�30G A w intronie 17 i 3989 C T w egzonie 18 by³y skorelowane ze zmianamiwarto�ci BMD. Na zwi¹zek zmian struktury pierwszorzêdowej genu LRP-5 ze zmianamiwarto�ci BMD wskazuj¹ tak¿e wyniki Koay i wsp. [16]. Przebadano grupê 152 osób

↓ ↓

Page 11: GENETYCZNE WYZNACZNIKI OSTEOPOROZY - …pbkom.eu/sites/default/files/artykulydo2012/34_3_495.pdf · Type I collagen is a fibrillar protein, the main constituent of ... LRP-5 alleles

505GENETYCZNE WYZNACZNIKI OSTEOPOROZY

ze zmianami osteoporotycznymi oraz ich rodziny (597 osób). Analizowano 10 SNPs, zktórych 8 odznacza³o siê czêsto�ci¹ alleli > 5%. Stwierdzono, ¿e wystêpowaniehaplotypów, z³o¿onych z dwóch do trzech polimorfizmów spo�ród wskazanych:G121513A, C135242T, G138351A, C141759T, by³o zwi¹zane z warto�ciami wska�nikaBMD, a polimorfizmowi SNP C165215T towarzyszy³y zmiany warto�ci gêsto�cimineralnej ko�ci biodrowej i szyjki ko�ci udowej. Korelacja ta, podobnie jak w badaniachvan Meurs i wsp. [40] by³a bardziej zaznaczona w grupie mê¿czyzn ni¿ kobiet.

Ostatnio obiektem zainteresowania sta³ siê gen CD38 zlokalizowany w locus 4p15i ulegaj¹cy ekspresji w wielu rodzajach komórek w tym osteoblastach i osteoklastach[6]. Bia³ko CD38 jest zaanga¿owane w apoptozie, bierze udzia³ w sygnalizacji komórkowejlimfocytów T, uwalnianiu insuliny z komórek β trzustki i migracji neutrofili. AktywacjaCD38 w osteoklastach powoduje uwalnianie Ca2+ w drodze aktywacji RyR2, czemutowarzyszy zwiêkszone uwalnianie IL-6 i zahamowanie resorpcji ko�ci [6].

Drummond i wsp. [6], badaj¹c 457 kaukaskich kobiet w wieku pomenopauzalnymi 173 w wieku premenopauzalnym, wykazali istotny zwi¹zek allelu CD38 PvuII zwarto�ciami wspó³czynnika LS-BMD w obu grupach kobiet. Czêsto�æ allelu G wbadanej populacji wynosi³a 21,1%, za� allelu C � 78,9%. U kobiet z genotypem GGzanotowano ~14% ni¿sz¹ warto�æ LS-BMD ni¿ u kobiet z genotypem GC/CC. Wp³ywliczby alleli na fenotyp stwierdzono dla warto�ci LS-BMD w obu grupach kobiet.Otrzymane przez badaczy wyniki sugeruj¹ zwi¹zek polimorfizmu CD38 PvuII zosi¹gniêciem i utrzymaniem warto�ci szczytowej wska�nika BMD, a tak¿e ze spadkiemmasy kostnej u kobiet w wieku pomenopauzalnym.

Dostêpna literatura oferuje tak¿e dane dotycz¹ce zwi¹zku polimorficznego genuOSCAR z warto�ci¹ BMD. Za pomoc¹ sekwencjonowania, Kim i wsp. [15] zidenty-fikowali u 24 Koreanek 10 polimorficznych miejsc tego genu, w�ród których do dalszychanaliz wybrano 5. Badaj¹c grupê 560 kobiet w wieku pomenopauzalnym wykazaliistotny zwi¹zek 2322 A>G ze zmniejszon¹ warto�ci¹ BMD u tych kobiet.

Analizê uwarunkowania genetycznego zmian warto�ci BMD przeprowadzili tak¿eVaughan i wsp. [41], którzy po raz pierwszy badali wp³yw polimorfizmu genu RUNX2.Gen, który znajduje siê w locus 6p21, zbudowany jest z ponad 250 kpz, koduje ró¿neizoformy bia³ka RUNX2, które mog¹ pe³niæ odmienne funkcje. Vaughan i wsp. analizowalizwi¹zek mutacji tego genu z fenotypem osteoporotycznym, poniewa¿ koduje on czynniktranskrypcyjny swoisty dla osteoblastów, odpowiedzialny za proces ró¿nicowaniaosteoblastów oraz dojrzewania chondrocytów. Znany jest tak¿e jako: Osf-2 (ang.Osteoblast-specific factor 2), PEBP2αA (ang. Polyomavirus Enhancer BindingProtein 2αA) i Cbfα1 (ang. Core binding factor α) [41].

W strukturze bia³ka RUNX2 wystêpuje ci¹g powtórzeñ polyQ/polyA, koduj¹cy 1 z3 domen transaktywacyjnych bia³ka. W obrêbie sekwencji koduj¹cej tê domenêwyró¿nia siê 2 warianty: jeden � obejmuj¹cy delecjê 18 pz, i drugi � stanowi¹cysynonimiczne allele GCA i GCG, zwane odpowiednio allelami A i G [41].

Na podstawie wyników uzyskanych w ramach GOS (ang. Geelong OsteoporosisStudy) z przebadania 495 losowo wybranych kobiet stwierdzono, ¿e wystêpowanieallelu A zwi¹zane jest ze wzrostem warto�ci BMD, a w szczególno�ci ultradystalnegofragmentu ko�ci promieniowej [41].

Page 12: GENETYCZNE WYZNACZNIKI OSTEOPOROZY - …pbkom.eu/sites/default/files/artykulydo2012/34_3_495.pdf · Type I collagen is a fibrillar protein, the main constituent of ... LRP-5 alleles

506 H. W. WITAS, W. I. WUJCICKA

Z kolei Doecke i wsp. [5] zidentyfikowali 16 allelicznych wariantów genu RUNX2i jego 2 promotorów P1 i P2 w populacji 264 badanych. W obrêbie promotora P2zidentyfikowano 3 polimorficzne miejsca charakterystyczne dla pacjentów, u którychwarto�æ wspó³czynnika BMD by³a podwy¿szona.

W innych badaniach za� Napierala i wsp. [28] zidentyfikowali u 38 pacjentów chorychna CCD (ang. CleidoCranial Dysplasia) 8 nowych mutacji w obrêbie genu RUNX2,z których 5 zlokalizowano w regionie promotorowym genu. Dwie wskazane mutacjeby³y swoiste dla osób z CCD.

7. WNIOSKI

Od czasów ukazania siê w 1992 roku pierwszej publikacji, w której Morrison i wsp.[27] wykazali zwi¹zek pomiêdzy polimorfizmami genu VDR a warto�ci¹ gêsto�cimineralnej ko�ci u 91 osób pochodzenia brytyjsko-australijskiego, podejmowano licznebadania maj¹ce na celu okre�lenie genetycznego pod³o¿a osteoporozy. Dzisiaj znanes¹ polimorficzne warianty wielu genów-kandydatów dla fenotypu patologicznego.Badany jest ich zwi¹zek z warto�ci¹ BMD, stanowi¹c¹ obecnie najdogodniejszywska�nik ryzyka z³amañ ko�ci osób badanych. Mimo licznych analiz ró¿nych genów-kandydatów wyniki otrzymywane przez naukowców przy korzystaniu z ró¿nychpopulacji s¹ rozbie¿ne. Prawdopodobnych przyczyn uzyskiwania niejednoznacznychwyników nale¿y upatrywaæ w ma³ej liczebno�ci prób badanych b¹d� w wielogenowympod³o¿u osteoporozy. Niska liczebno�æ badanych populacji obni¿a istotno�æ statystyczn¹uzyskanych wyników. Wielogenowo�æ natomiast sprawia, ¿e poszczególne geny ikodowane przez nie czynniki bia³kowe maj¹ zaledwie nieznaczny udzia³ w fenotypieosteoporozy, co utrudnia jednoznaczne wskazanie takiego wariantu allelicznego genu,który móg³by stanowiæ dogodny znacznik molekularny dla celów diagnostycznych iterapeutycznych osteoporozy.

8. LITERATURA

[1] AI M, HEEGER S, BARTELS CF, SCHELLING DK, AND THE OSTEOPOROSIS-PSEUDOGLIOMACOLLABORATIVE GROUP. Clinical and molecular findings in osteoporosis-pseudoglioma syndrome.Am J Hum Genet 2005; 77: 741�753.

[2] ALBAGHA OM, PETTERSSON U, STEWART A, Mc GUIGAN FE, Mac DONALD HM, REID DM,RALSTON SH. Association of oestrogen receptor α gene polymorphisms with postmenopausal boneloss, bone mass, and quantitative ultrasound properties of bone. J Med Genet 2005; 42: 240�246.

[3] ÁLVAREZ-HERNÁNDEZ D, NAVES M, DÍAZ-LÓPEZ JB, GÓMEZ C, SANTAMARÍA Í, CANNATA-ANDÍA JB. Influence of polymorphisms in VDR and COLIA1 genes on the risk of osteoporotic fracturesin aged men. Kidney Int 2003; 63(S85): S14�S18.

[4] DENG H-W, RECKER RR. Gene mapping and identification for osteoporosis. J Musculoskel NeuronInteract 2004; 4(1): 91�100.

[5] DOECKE JD, DAY CJ, STEPHENS AS, CARTER SL, VAN DAAL A, KOTOWICZ MA, NICHOLSON GC,MORRISON NA. Association of functionally different RUNX2 P2 promoter alleles with BMD. J BoneMiner Res 2006; 21(2): 265�273.

Page 13: GENETYCZNE WYZNACZNIKI OSTEOPOROZY - …pbkom.eu/sites/default/files/artykulydo2012/34_3_495.pdf · Type I collagen is a fibrillar protein, the main constituent of ... LRP-5 alleles

507GENETYCZNE WYZNACZNIKI OSTEOPOROZY

[6] DRUMMOND FJ, MACKRILL JJ, O�SULLIVAN KATHLEEN, DALAY M, SHANAHAN F, MOLLOYMG. CD38 is associated with premenopausal and postmenopausal bone mineral density and postmeno-pausal bone loss. J Bone Miner Metab 2006; 24: 28�35.

[7] FERRARI SL, DEUTSCH S, CHOUDHURY U, CHEVALLEY T, BONJOUR J-P, DERMITZAKIS ET,RIZZOLI R, ANTONARAKIS SE. Polymorphisms in the low-density lipoprotein receptor-related pro-tein 5 (LRP5) gene are associated with variation in vertebral bone mass, vertebral bone size, and staturein whites. Am J Hum Genet 2004; 74: 866�875.

[8] FRATTINI A, VEZZONI P, VILLA A. The genetics of dominant osteopetrosis. Drug Discov Today 2005;2(4): 503�509.

[9] GARCIA-GIRALT N, NOGUÉS X, ENJUANES A, PUIG J, MELLIBOVSKY L, BAY-JENSEN A, CARRE-RAS R, BALCELLS S, DÍEZ-PÉREZ, GRINBERG D. Two new single-nucleotide polymorphisms in theCOLIA1 upstream regulatory region and their relationship to bone mineral density. J Bone Miner Res2002; 17(3): 384�393.

[10] GARNERO P, MUNOZ F, BOREL O, SORNAY-RENDU E, DELMAS PD. Vitamin D receptor genepolymorphisms are associated with the risk of fractures in postmenopausal women, independently ofbone mineral density. J Clin Endocrinol Metab 2005; 90(8): 4829�4835.

[11] GENNARI L, MERLOTTI D, PAOLA V DE, CALABRO A, BECHERINI L, MARTINI G, NUTI R.Estrogen receptor gene polymorphisms and the genetics of osteoporosis: A HuGE Review. Am J Epide-miol 2005; 161: 307�320.

[12] GERDHEM P, BRANDSTROM H, STIGER F, OBRANT K, MELHUS H, LJUNGGREN O, KINDMARKA, AKESSON K. Association of the collagen type 1 (COL1A 1) Sp1 binding site polymorphism tofemoral neck bone mineral density and wrist fracture in 1044 elderly Swedish women. Calcif Tissue Int2004; 74: 264�269.

[13] HARTIKKA H. Genetic factors in bone disorders: Osteogenesis imperfecta, juvenile osteoporosis andstress fractures. Oulu University Press Oulu 2005: 15�40.

[14] HARTIKKA H, MÄKITIE O, MÄNNIKÖ M, DORIA AS, DANEMAN A, COLE WG, ALA-KOKKO L,SOCHETT EB. Heterozygous mutations in the LDL receptor-related protein 5 (LRP5) gene are associa-ted with primary osteoporosis in children. J Bone Miner Res 2005; 20(5): 783�789.

[15] KIM GS, KOH J-M, CHANG JS, PARK BL, KIM LH, PARK EK, KIM S-Y, SHIN HD. Association of theOSCAR promoter polymorphism with BMD in postmenopausal women. J Bone Miner Res 2005; 20(8):1342�1348.

[16] KOAY MA, WOON PY, ZHANG Y, MILES LJ, DUNCAN EL, RALSTON SH, COMSTON JE, COOPERC, KEEN R, LANGDAHL BL, Mac LELLAND A, O� RIORDAN J, POLS HA, REID DM, UITTERLIN-DEN AG, WASS JA, BROWN MA. Influence of LRP5 polymorphism on normal variation in BMD. JBone Miner Res 2004; 19(10): 1619�1627.

[17] KOLLER DL, ICHIKAWA S, JOHNSON ML, LAI D, XUEI X, EDENBERG HJ, CONNEALLY PM, HUISL, JOHNSTON CC, PEACOCK M, FOROUD T, ECONS MJ. Contribution of the LRP5 gene to normalvariation in peak BMD in women. J Bone Miner Res 2005; 20(1): 75�80.

[18] KORF BR. Genetyka cz³owieka: Rozwi¹zywanie problemów medycznych. Wydaw. Nauk. PWN, Warsza-wa 2003: 47�61.

[19] LANGDAHL BL, LOKKE E, CARSTENS M, STENKJAER LL, ERIKSEN EF. A TA repeat polymor-phism in the estrogen receptor gene is associated with osteoporotic fractures but polymorphisms in thefirst exon and intron are not. J Bone Miner Res 2000; 15(11): 2222�2230.

[20] LIU P-Y, LU Y, LONG J-R, XU F-H, SHEN H, RECKER RR, DENG H-W. Common variants at thePCOL2 and Sp1 binding sites of the COL1A1 gene and their interactive effect influence bone mineraldensity in Caucasians. J Med Genet 2004, 41: 752�757.

[21] LIU Y-Z, LIU Y-J, RECKER RR, DENG H-W. Molecular studies of identification of genes for osteopo-rosis: the 2002 update. J Endocrinol 2003; 177: 147�196.

[22] LORENTZON M, LORENTZON R, NORDSTRÖM P. Interleukin-6 gene polymorphism is related tobone mineral density during and after puberty in healthy white males: A cross-sectional and longitudinalstudy. J Bone Miner Res 2000; 15(10): 1944�1949.

[23] MEZQUITA-RAYA P, MUNOZ-TORRES M, DE DIOS LUNA J, LOPEZ-RODRIGUEZ F, QUESADAJM, LUQUE-RECIO F, ESCOBAR-JIMENEZ F. Performance of COLIA1 polymorphism and boneturnover markers to identify postmenopausal women with prevalent vertebral fractures. Osteoporos Int2002; 13(6): 506�512.

Page 14: GENETYCZNE WYZNACZNIKI OSTEOPOROZY - …pbkom.eu/sites/default/files/artykulydo2012/34_3_495.pdf · Type I collagen is a fibrillar protein, the main constituent of ... LRP-5 alleles

508 H. W. WITAS, W. I. WUJCICKA

[24] MIZUGUCHI T, FURUTA I, WATANABE Y, TSUKAMOTO K, TOMITA H, TSUJIHATA M, OHTAT, KISHINO T, MATSUMOTO N, MINAKAMI H, NIIKAWA N, YOSHIURA K. LRP5, low-density-lipoprotein-receptor-related protein 5, is a determinant for bone mineral density. J Hum Genet 2004;49(2): 80�86.

[25] MOFFETT SP, ¯MUDA JM, CAULEY JA, STONE KL, NEVITT MC, ENSRUD KE, HILLIER TA,HOCHBERG MC, JOSLYN G, MORIN P, CUMMINGS SR. Association of the G-174C variant in theinterleukin-6 promoter region with bone loss and fracture risk in older women. J Bone Miner Res 2004;19(10): 1612�1618.

[26] MORITA A, IKI M, DOHI Y, IKEDA Y, KAGAMIMORI S, KAGAWA Y, MATSUZAKI T, YONESHIMAH, MARUMO F. Prediction of bone mineral density from vitamin D receptor polymorphisms is uncer-tain in representative samples of Japanese women. The Japanese population-based osteoporosis (JPOS)study. Int J Epidemiol 2004; 33(5): 979�988.

[27] MORRISON NA, YEOMAN R, KELLY PJ, EISMAN JA. Contribution of trans-acting factor alleles tonormal physiological variability: vitamin D receptor gene polymorphism and circulating osteocalcin.Proc Natl Acad Sci USA 1992; 89: 6665�6669.

[28] NAPIERALA D, GARCIA-ROJAS X, SAM K, WAKUI K, CHEN C, MENDOZA-LONDONO R, ZHOUG, ZHENG Q, LEE B. Mutations and promotor SNPs in RUNX2, a transcriptional regulator of boneformation. Mol Genet Metab 2005; 86(1�2): 257�268.

[29] PLUIJM SM, van ESSEN HW, BRAVENBOER N, UITTERLINDEN AG, SMIT JH, POLS HA, LIPS P.Collagen type I α1 Sp1 polymorphism, osteoporosis, and intervertebral disc degeneration in older menand women. Ann Rheum Dis 2004; 63: 71�77.

[30] RAISZ LG. Pathogenesis of osteoporosis: concepts, conflicts, and prospects. J Clin Invest 2005; 115:3318�3325.

[31] RALSTON SH, de CROMBRUGGHE B. Genetic regulation of bone mass and susceptibility to osteoporo-sis. Genes & Development 2006; 20: 2492�2506.

[32] RALSTON SH i wsp. Large-scale evidence for the effect of the COLIA1 Sp1 polymorphism on osteopo-rosis outcomes: The GENOMOS study. PLoS Med 2006; 3(4): 515�523.

[33] RECKER RR. Genetic research in osteoporosis: Where are we? Where should we go next? J MusculoskelNeuron Interact 2004; 4(1): 86�90.

[34] RIGGS BL. The mechanisms of estrogen regulation of bone resorption. J Clin Invest 2000; 106(10):1203�1204.

[35] STEWART TL, ROSCHGER P, MISOF BM, MANN V, FRATZL P, KLAUSHOFER K, ASPDEN R,RALSTON SH. Association of COLIA1 Sp1 alleles with defective bone nodule formation in vitro andabnormal bone mineralization in vivo. Calcif Tissue Int 2005; 77: 113�118.

[36] TEITELBAUM SL, ROSS FP. Genetic regulation of osteoclast development and function. Nat Rev Genet2003; 4: 638�649.

[37] THIJSSEN JH. Gene polymorphisms involved in the regulation of bone quality. Gynecol Endocrinol2006; 22(3): 131�139.

[38] UITTERLINDEN AG i wsp. The association between common vitamin D receptor gene variations andosteoporosis: A participant-level meta-analysis. Ann Intern Med 2006; 145: 255�264.

[39] VANDERSCHUEREN D, VANDENPUT L, BOONEN S, LINDBERG MK, BOUILLON R, OHLSSON C.Androgens and bone. Endocr Rev 2004; 25(3): 389�425.

[40] van MEURS JB, RIVADENEIRA F, JHAMAI M, HUGENS W, HOFMAN A, VAN LEEUWEN JP, POLSHA, UITTERLINDEN AG. Common genetic variation of the low-density lipoprotein receptor-relatedprotein 5 and 6 genes determines fracture risk in elderly white men. J Bone Miner Res 2006; 21(1): 141�150 Abstract.

[41] VAUGHAN T, PASCO JA, KOTOWICZ MA, NICHOLSON GC, MORRISON NA. Alleles of RUNX2/CBFA1 gene are associated with differences in bone mineral density and risk of fracture. J Bone Miner Res2002; 17(8): 1527�1534.

[42] WILLIAMS FM, SPECTOR TD. Recent advances in the genetics of osteoporosis. J MusculoskeletNeuronal Interact 2006; 6(1): 27�35.

[43] XU H, XIONG DH, XU FH, ZHANG YY, LEI SF, DENG HW. Association between VDR ApaI polymor-phism and hip bone mineral density can be modified by body mass index: a study on postmenopausalChinese women. Acta Biochim Biophys Sin 2005; 37(1): 61�67.

Page 15: GENETYCZNE WYZNACZNIKI OSTEOPOROZY - …pbkom.eu/sites/default/files/artykulydo2012/34_3_495.pdf · Type I collagen is a fibrillar protein, the main constituent of ... LRP-5 alleles

509GENETYCZNE WYZNACZNIKI OSTEOPOROZY

[44] YIM CH, CHOI JT, CHOI HA, KANG YS, MOON IG, YOON HK, HAN IK, KANG DH, HAN KO.Association of oestrogen receptor α gene microsatellite polymorphism with annual changes in bonemineral density in Korean women with hormone replacement therapy. J Bone Miner Metab 2005; 23(5):395�400.

[45] ZAJÍÈKOVÁ K, �OFKOVÁ I, BAHBOUH R, KØEPELOVÁ A. Vitamin D receptor gene polymor-phisms, bone mineral density and bone turnover: FokI genotype is related to postmenopausal bone mass.Physiol Res 2002; 51: 501�509.

[46] ¯MUDA JM, SHEU YT, MOFFETT SP. The search for human osteoporosis genes. J MusculoskeletNeuronal Interact 2006; 6(1): 3�15.

Redaktor prowadz¹cy � Maria Olszewska

Otrzymano: 28.05. 2007 r.Przyjêto: 20.06. 2007 r.90-049 £ód�, ul. Kiliñskiego 125 [email protected]