Molekylærdiagnostikk av endokrine sykdommer

Defekt kortisolsyntese og adrenogenitalt syndrom

Medfødt binyrebarkhyperplasi er forbundet med nedsatt aktivitet i ett av enzymene som er nødvendige for kortisolsyntesen (1). I > 95 % av tilfellene er det en defekt i enzymet 21-hydroksylase som omdanner 17-hydroksyprogesteron til 11-deoksykortisol (fig 1). Når kortisolsyntesen hemmes, øker sekresjonen av adrenokortikotropt hormon (ACTH) fra hypofysen. Enzymsvikten i binyrebarken fører sammen med økt ACTH-nivå til opphopning av binyrebarkmetabolitter. Flere av disse er svake androgener som kan føre til pubertetsforstyrrelser og til at affiserte jenter fødes med varierende grad av virilisering av de ytre genitalia. Enzymsvikten kan også resultere i redusert produksjon av mineralkortikoidet aldosteron som er essensielt for reabsorbsjon av natrium i distale tubuli i nyrene og dermed kroppens væskebalanse. I tråd med dette benyttes måling av 17-hydroksyprogesteron og reninaktivitet i diagnostikk og oppfølging av pasienter med 21-hydroksylasesvikt.

Steroidhormonsyntesen i binyrene. Adrenokortikotropt hormon (ACTH) stimulerer syntesen av kortisol og bare i liten grad aldosteronsyntesen. Ved defekt kortisolsyntese blir det en kompensatorisk ACTH-økning og opphopning av metabolitter oppstrøms for det defekte enzymet. Dette fører til overproduksjon av androgener når CYP17 fungerer normalt. CYP17: 17α-hydroksylase/17,20-lyase; HSD3B2: 3β-hydroksysteroid dehydrogenase type 2; CYP21: 21-hydroksylase; CYP11B1: 11β-hydroksylase type 1; CYP11B2: aldosteron syntase

Genet for 21-hydroksylase befinner seg på kromosom 6. CYP21 betegner genet som koder for det aktive proteinet, mens CYP21P er et pseudogen som ikke gir opphav til proteinprodukt (2). I pseudogenet er det blitt akkumulert en rekke mutasjoner sammenliknet med det aktive genet, og disse kan introduseres inn i CYP21 ved ubalanserte overkrysninger. Effektene av mutasjonene kan deles inn i tre hovedgrupper:

21-hydroksylasesvikt er autosomalt recessivt arvelig, og fenotypen bestemmes av det allelet som har den minst alvorlige defekten. Det betyr at en jente som er homozygot for to salttapende mutasjoner, vil få virilisering av ytre genitalia og hypoaldosteronisme, salt- og væsketap. Gutter med samme mutasjoner vil ha normale genitalia ved fødsel, men få salttapskrise i nyfødtperioden. Både jenter og gutter vil ha tendens til å få tidlig pubertet dersom de gjennom barnealder blir kronisk underbehandlet og dermed utsettes for økte mengder androgener. Hvis barnet derimot er bærer av én salttapende og én viriliserende mutasjon, vil det føre til virilisering av ytre genitalia hos nyfødte jenter og tidlige pubertetstegn hos både jenter og gutter. I disse tilfellene vil produksjonen av aldosteron og dermed den saltretinerende evnen i nyrene være tilstrekkelig til å unngå salttap og hypovolemi. Ved den ikke-klassiske formen er det ingen virilisering av ytre genitalia hos nyfødte jenter, mens ubalansen i binyrebarkens steroidhormonsyntese kan gi seg uttrykk i tidlig pubertet hos gutter og jenter. I tillegg vil den sent debuterende formen kunne gi hyperandrogenisme hos unge voksne kvinner, med ledsagende menstruasjonsforstyrrelser og polycystisk ovarialsyndrom. Denne sammenhengen mellom genotype og fenotype ses i rundt 90 % av tilfellene. Genetisk diagnostikk kan derfor bidra til å avklare ikke bare årsaken til at pasienten fødes med adrenogenitalt syndrom, men kan også brukes i planleggingen av den videre behandling og oppfølging av pasienten (4).

Prinsippene for behandlingen av de endokrine forstyrrelsene ved adrenogenitale syndromer er å substituere for mangelen på glukokortikoider og mineralkortikoider. Den største terapeutiske utfordringen er å gi glukokortikoider i en dose som ikke er så høy at pasienten får Cushings syndrom, men samtidig høy nok til å undertrykke egenproduksjonen av binyrebarkandrogener. I de alvorligste tilfellene av 21-hydroksylasesvikt er all egenproduksjon av kortisol og aldosteron utslukket. Hvis man ikke kommer til målet med medinsk behandling uten alvorlige bivirkninger, kan det være aktuelt å gjøre en laparoskopisk bilateral adrenalektomi for å fjerne kilden til binyrebarkandrogenene (5). En genetisk og molekylærbiologisk undersøkelse kan brukes som støtte til hormonanalysene for å avklare alvorlighetsgraden av mutasjonen, og dermed om adrenalektomi bør overveies.

Sjeldne årsaker til adrenogenitalt syndrom skyldes mutasjoner som rammer enzymene 3β-hydroksysteroid dehydrogenase type 2 (HSD3B2) og 11β-hydroksylase type 1 (CYP11B1) (fig 1). Begge fører til nedsatt kortisolsyntese, kompensatorisk ACTH-økning og økt produksjon av binyrebarkandrogener med virilisering av ytre genitalia hos jenter og binyrebarkhyperplasi som resultat. Ved HSD3B2-mutasjoner vil redusert testikulær produksjon av androgener hos gutter gi undervirilisering. I tillegg kan defekten også ramme binyrenes aldosteronsyntese og føre til salttap. Det samme kan skje ved mutasjoner i aldosteron syntase (CYP11B2) hvor ett enzym katalyserer tre reaksjoner fra deoksykortikosteron til aldosteron. Mutasjonene kan imidlertid ha varierende hemmende effekt på de forskjellige reaksjonstrinnene. Ved mutasjoner i CYP11B1 vil ACTH øke produksjonen av steroidhormoner med mineralkortikoid effekt og resultere i hypertensjon.

Monogene thyreoideasykdommer

Thyreoideahormonresistens

Thyreoideahormonresistens viser en typisk kombinasjon av blodprøveverdier hvor TSH ikke er supprimert til tross for forhøyede nivåer av tyroksin (T₄) og trijodotyronin (T₃) analysert både som fritt og totalt proteinbundet hormon (7). Det er ofte ingen symptomer, men pasienten kan ha en kombinasjon av symptomer og funn som likner på både hypotyreose med tretthet, nedsatt lengdevekst og hyperkolesterolemi, og hypertyreose i form av hjertebank, uro og rastløshet. I tillegg er det ofte et lite struma. Symptomene og hormonverdiene kan i noen tilfeller være vanskelige å skille fra dem man finner hos en pasient med en hypofysært betinget hypertyreose på grunn av et TSH-produserende adenom (8).

Thyreoideahormonresistens er dominant arvelig og skyldes i > 90 % av tilfellene en punktmutasjon i ett av de fire siste eksonene som koder for thyreoideahormonreseptor β (THRB) på kromosom 3. Det er karakterisert to gener som koder for thyreoideahormonreseptorer: thyreoideahormonreseptor α (THRA) og β. Det er ikke påvist mutasjoner i THRA. Reseptorene befinner seg i cellekjernen og kan binde seg til bestemte DNA-sekvenser (thyreoideahomonresponsive elementer) som enten kan stimulere eller hemme avlesningen av bestemte gener. T₃ regulerer aktiviteten til reseptoren ved å binde seg til et bestemt hormonbindende område av reseptorproteinet. Mutasjoner som hemmer bindingen av T₃, fører til at det er nødvendig med høyere konsentrasjoner av T₃ enn normalt for å frigjøre målgenet fra den hemmende effekten av reseptoren, slik at aktiverte reseptorer kodet av det andre normale THRB-allelet og de to THRA-allelene kan slippe til. Siden konsentrasjonen av reseptor type α og type β varierer i ulike vev, vil pasienten ha en blanding av symptomer på hypo- og hypertyreose (fig 2). I hypofysen dominerer THRB. Nedsatt følsomhet for T₃ hemmer den negative tilbakekoblingen som thyreoideahormoner i sirkulasjonen utøver på hypofyse og hypothalamus. Det fører til en kompensatorisk TSH-økning med økt produksjon av thyreoideahormoner, økt thyreoideastørrelse og innstilling av en ny likevekt hvor nivåene av T₄ og T₃ i sirkulasjonen er forhøyet, mens TSH-nivået er normalt. Vev som har et lavt eller høyt forhold mellom ekspresjonen av THRA og THRB, vil bli henholdsvis hypo- eller hypertyreote. I en stor norsk studie ble det påvist betydelig variasjon i både kliniske manifestasjoner og thyreoideahormonnivåer blant personer med resistens innen samme familie (9). Ved resistens skal pasienten ikke ha behandling med tyreostatika, men symptomer på hypertyreose kan dempes ved hjelp av betablokker.

Effekter av dominant negative mutasjoner (M) i thyreoideahormonreseptor β (TRβ) er avhengig av ekspresjonen av thyreoideahormonreseptor α (TRα). Til venstre: Ved lav ekspresjon av TRα, som i lever, vil den dominant negative effekten av M dominere ved avlesning av målgen som har thyreoideahormonresponsive elementer (TRE). Vevet vil ha symptomer på hypotyreose. Til høyre: I vev med høy ekspresjon av TRα , som hjertemuskulatur, vil økt nivå av thyreoideahormoner føre til tyreotoksikose

Kalsiumreseptormutasjoner

Nivået av fritt, ikke-proteinbundet, kalsium i sirkulasjonen er nøye regulert blant annet av aktive vitamin D-metabolitter, parathyreoideahormon (PTH) og kalsitonin. Konsentrasjonen registreres av egne membranbundne kalsiumreseptorer som blant annet finnes i parathyreoideakjertlene og nyretubuli. Utskillingen av PTH, som er den viktigste regulatoren av kalsium i blodet, øker hvis ikke kalsiumreseptorene binder kalsium og aktiveres. Nedsatt aktivering av kalsiumreseptorene fører i nyrene til at reabsorbsjonen av kalsium øker og utskillingen i urinen reduseres. Mutasjoner i reseptoren kan ha aktiverende effekt, men det er vanligst at de virker inaktiverende (10). Inaktiverende mutasjoner fører til at den hemmende effekten av kalsium på utskillingen av PTH reduseres. Dermed må det høyere konsentrasjoner av kalsium til for å oppnå likevekt mellom kalsiumkonsentrasjonen i ekstracellulærvæsken og PTH-sekresjonen. Pasienten får en kombinasjon av hyperkalsemi og normal eller lett økt PTH-konsentrasjon i blodet. I nyrene fører hemmet aktivering av kalsiumreseptoren til økt kalsiumreabsorpsjon og hypokalsiuri. Tilstanden er autosomalt dominant arvelig og betegnes familiær hypokalsiurisk hyperkalsemi (FHH). Omvendt fører en aktiverende mutasjon til hypokalsemi (11).

For å identifisere personer med familiær hypokalsiurisk hyperkalsemi er en grundig familiehistorie viktig. Påvisning av ratio mellom kalsium og kreatinin < 0,01 i urinen indikerer slik hyperkalsemi, men det er nylig vist mutasjoner i kalsiumreseptoren hvor hypokalsiurien er mindre uttalt. Molekylærdiagnostikk har således praktisk klinisk betydning siden det å identifisere korrekt årsak til pasientens hyperkalsemi blant annet kan hindre unødvendig parathyreoideakirurgi (12).

Kortvoksthet

Veksthormon er et metabolsk aktivt hormon som regulerer vekst av skjelett og bløtvev. Mutasjoner i veksthormongenet (GH1) finnes i rundt 10 % av både familiære og sporadiske former av isolert veksthormonmangel (13). De siste tiår er det også beskrevet genetiske årsaker til kombinert hypofysesvikt, med utfall av ett eller flere hormoner i tillegg til veksthormon. De best karakteriserte er knyttet til mutasjoner i genene for transkripsjonsfaktorene Pit-1 (POU1F1) og «prophet of» Pit1 (PROP1) (13, 14) som er sentrale for normal differensiering og funksjon av cellene i fremre hypofyse. Pit-1-feil gir kombinert utfall av veksthormon, TSH og prolaktin, mens det i motsetning til PROP1-feil ikke er utfall av gonadotropiner eller ACTH. Andre genetiske årsaker til kombinert hypofysesvikt er knyttet til mutasjoner i HESX1 (som forårsaker septooptisk dysplasi), LHX3 og LHX5. Fordi klinisk presentasjon og tidspunkt for utfall i de ulike aksene kan variere mye, vil eksakt molekylærdiagnose være viktig både med tanke på behandling og på videre prognose.

Veksthormonresistens er assosiert med normal eller klart forhøyet utskilling av veksthormon (15). Dette kan skyldes defekt i veksthormonreseptor (forårsaker klassisk Laron- syndrom) eller intracellulære signalmekanismer. Siden veksthormon i hovedsak medierer sin vekststimulerende effekt gjennom insulinliknende vekstfaktor type 1 (IGF-1), vil også primære defekter i IGF-1-produksjon og i IGF-1-reseptor gi kliniske bilder med alvorlig vekstsvikt (15).

Monogene årsaker til overvekt

Tvillingstudier har vist at arvelig predisposisjon kan forklare ca. 40 – 70 % av den fettmengden en person har. Hvilke gener som er involvert, er imidlertid i stor grad ukjent. Det er ca. 30 genetiske syndromer hvor overvekt i varierende grad er en del av det kliniske uttrykket, og fem monogene sykdommer med massiv overvekt er karakterisert. De monogene formene for overvekt skyldes defekter i overføringen av hormonelle signaler som gir informasjon om organismens energilagre til hypothalamus (16).

Hormonet leptin produseres i fettceller og skilles ut i økende mengder ved økende fettlagre. Det er i noen få sjeldne tilfeller påvist abnorm overvekt hos barn ved defekt i enten leptin eller leptinreseptor. Defekt leptinsyntese kan behandles med injeksjoner av rekombinant humant leptin. Leptin virker i hypothalamus i nucleus arcuatus, og aktivering av leptinreseptor fører til økt produksjon av proopiomelanokortin (POMC). POMC er et prohormon som spaltes av enzymet prohormon konvertase til blant annet melanocyttstimulerende hormon type α (MSHα). Det virker igjen hemmende på appetitt og matinntak ved å aktivere melanokortinreseptor type 4 (MC4R). Recessivt arvelige former for overvekt er beskrevet på grunn av mutasjoner i genene for POMC og prohormon konvertase som resulterer i nedsatt eller opphevet produksjon av MSHα. Den vanligste kjente monogene årsaken til overvekt er inaktiverende MC4R-mutasjoner som er autosomalt dominant arvelige og påvises hos ca. 5 % av svært overvektige unge.

Oppsummering

Det er en betydelig arvelig predisposisjon for de vanligste endokrine sykdommene. Til tross for dette er det stort sett bare for de monogene sykdommene at man hittil har lyktes i å identifisere genetiske årsaker eller predisponerende faktorer som kan gi en molekylærbiologisk forklaring på pasientens symptomer og funn. I de tilfeller hvor enkeltgensykdom mistenkes, kan molekylærdiagnostikk allerede i dag være til stor nytte, både for å spare pasienter for unødig utredning og for å gi klinikeren informasjon som kan benyttes i behandling og oppfølging. Økt kunnskap om disse enkeltgensykdommene er også til nytte for videre forskning for å kartlegge patofysiologiske mekanismer ved de vanligere endokrine sykdommene som autoimmun tyreoiditt, osteoporose, overvekt og type 2-diabetes.