PMC

BACKGROUND

Zespół Downa (DS) jest jednostką kliniczną rozpoznawaną od około 150 lat (1), skorelowaną 100 lat później z trisomią 21 (2), stanowi najczęstszą ludzką aneuploidię autosomalną, a także najczęstszą przyczynę niepełnosprawności intelektualnej (3).

Wysoki stopień zmienności fenotypu jest cechą charakterystyczną obrazu klinicznego DS, nie u każdego pacjenta występują te same problemy lub schorzenia towarzyszące.

Częstość występowania zespołu Downa waha się od 1 na 650 do 1 na 1000 żywych urodzeń w zależności od populacji (4).

Postęp genetyczny

Podstawą genetyczną DS jest trisomia 21: obecność w genomie trzech chromosomów 21 zamiast dwóch, jak to jest w normie. Chromosom 21 jest najmniejszym ludzkim chromosomem i zawiera od 200 do 300 genów. Analiza tego chromosomu ujawniła 127 znanych genów, 98 przewidywanych genów i 59 pseudogenów (5).

Pacjenci z zespołem Downa mają zwiększoną dawkę lub liczbę kopii genów na chromosomie 21. Geny, które są zaangażowane są normalne i ich produkty genowe są również normalne. Nieprawidłowość genetyczna polega na wytwarzaniu zwiększonej ilości produktów genów na chromosomie 21, które uległy nadekspresji w komórkach i tkankach pacjentów z DS, wykazując nieprawidłowości fenotipowe (6). Ponieważ połowa wszystkich pacjentów z DS ma prawidłowe serce, aspekt ten sugeruje, że modyfikatory genetyczne oddziałują z genami wrażliwymi na dawkę na chromosomie 21 w celu spowodowania wrodzonej choroby serca (CHD) (7).

Trisomia dla funkcjonalnych elementów DNA niekodujących białka może być zaangażowana w niektóre z nieprawidłowych fenotypów.

Możliwości diagnostyczne

Badania prenatalne

W przypadku ciąż wysokie ryzyko wystąpienia DS ocenia się na podstawie analizy próbki płodu po inwazyjnym pobraniu kosmówki (CVS) i amniopunkcji oraz przy zastosowaniu technik laboratoryjnych, takich jak konwencjonalna analiza cytogenetyczna (kariotyp), Fluorescence in Situ Hybridization (FISH), Quantitative Fluorescence-Polymerase Chain Reaction (QF-PCR), Multiplex Ligation Probe Assay (MLPA) oraz array Comparative Genomic Hybridization (CGH), które są powszechnie stosowanymi technikami w diagnostyce prenatalnej DS, a każda z nich ma swoje wady i zalety. Istnieje również nieinwazyjna technika wykrywania trisomii 21 za pomocą technologii sekwencjonowania nowej generacji (Next Generation Sequencing, NGS), znana jako nieinwazyjna diagnostyka prenatalna (Non Invasive Prenatal Diagnosis, NIPD). Proces ten opiera się na analizie wyekstrahowanego bezkomórkowego DNA płodowego z próbek osocza matki.

Badania postnatalne

Konwencjonalne kariotypowanie z krwi obwodowej jest wykonywane w celu potwierdzenia diagnozy u wszystkich pacjentów, u których podejrzewa się zespół Downa.

Cytogenetyka

Zespół Downa jest spowodowany trisomią chromosomu 21. Głównie wyróżnia się trzy formy cytogenetyczne DS:

1. Trisomia wolna 21 polega na występowaniu dodatkowego chromosomu 21 we wszystkich komórkach (8).

2. Trisomia mozaikowa 21 oznacza występowanie dwóch linii komórkowych, jednej z prawidłową liczbą chromosomów i drugiej z dodatkową liczbą chromosomów 21 (9). Mechanizm powstawania polega na błędzie lub błędnym podziale po zapłodnieniu podczas podziału komórki.

3. translokacja Robertsona Trisomia 21 występuje tylko w 2-4% przypadków (10). Długie ramię chromosomu 21 jest przyłączone do innego chromosomu, na ogół akrosomu, głównie chromosomu 14 (11).

Około 90% wolnych trisomii 21 jest spowodowanych matczynym błędem mejotycznym (13, 14), a tylko niewielka część jest spowodowana błędami ojcowskimi (15).

Trisomia mozaikowa 21 występuje postzygotycznie z powodu malsegregacji homologów lub opóźnienia anafazowego (16).

Trisomia 21 z translokacją Robertsona. Istnieją dwie formy translokacji Robertsonowskiej DS: rodzinna i de novo. W przypadku postaci rodzinnej rodzic jest nosicielem translokacji i może ją przekazać dziecku w postaci niezrównoważonej, natomiast w przypadkach de novo rodzice mają prawidłowy kariotyp, a nieprawidłowy chromosom powstaje spontanicznie w mejozie I u matki w wyniku translokacji chromatydowej (17).

4. Inne formy trisomii 21

a) Końcowa rearanżacja chromosomu 21 wokół regionu telomerowego (18), końcowy chromosom mający dwa centromery i satelity na obu końcach.

b) Jako składnik podwójnej aneuploidii (na przykład 48,XYY,+21 lub 46,X,+21) (19, 20).

Aspekty molekularne

Do zrozumienia DS kluczowe jest poznanie zawartości genomowej chromosomu 21 i zrozumienie, w jaki sposób ekspresja tych genów jest zmieniana przez dodatkowy chromosom 21. Przeprowadzono wiele badań w celu określenia korelacji między genotypem a fenotypem w DS.

Duplikacja określonego regionu chromosomu 21 może być odpowiedzialna za główne cechy DS. Zaproponowano region krytyczny (21), a mianowicie Down Syndrome Critical Region (DSCR), który został zdefiniowany z proksymalną granicą pomiędzy markerami D21S17 (35 892 kb) i D21S55 (38 012 kb) oraz dystalną granicą w MX1 (41 720 kb) (22). Badania molekularne rzadkich osobników z CHD i częściową duplikacją chromosomu 21 pozwoliły ustalić gen kandydujący DSCAM, który ulega ekspresji w sercu podczas rozwoju kardiomiocytów (23). Wykorzystując technikę porównawczej hybrydyzacji genomowej (array comparative genomic hybridization) do analizy pacjentów z anomaliami chromosomu 21, częściową trisomią 21 i częściową monosomią 21, uzyskano wyniki sugerujące istnienie większej liczby regionów odpowiedzialnych za wszystkie aspekty fenotypu zespołu Downa (24). Mapowanie fenotypów do określonych regionów chromosomu 21 pozwala na identyfikację, które geny (lub małe regiony) przyczyniają się do powstawania cech fenotypowych DS, a tym samym do zrozumienia patogenezy DS (24).

Podstawowe badania nad DS są obecnie szybko przyspieszane, z wykorzystaniem nowych technologii genomicznych. Konieczne są dodatkowe badania w celu ograniczenia liczby regionów kandydujących do określonych fenotypów.

Poradnictwo genetyczne w zespole Downa

Badanie cytogenetyczne wszystkich osób podejrzanych o DS jest bardzo ważne dla ustalenia dokładnej diagnozy i jest obowiązkowe w określeniu ryzyka nawrotu zespołu w przyszłych pokoleniach.

Bezobjawowa trisomia 21 występuje zazwyczaj jako zdarzenie sporadyczne, a nawroty są rzadkie. W przypadku nawrotów hipotezami są: mozaicyzm gonadalny, predyspozycja rodziców do nondysjunkcji, wpływ czynników endogennych i ekspozycji środowiskowych, a także przypadek (8).

Mozaikowa trisomia 21. Opisano dwa różne mechanizmy powstawania mozaicyzmu: jeden to błąd mitotyczny w prawidłowej, euploidalnej zygocie, w wyniku którego powstaje mozaikowy zarodek o kariotypie 46/47,+21, przy czym linia komórkowa 45,-21 jest niezdolna do życia, a drugi to nondysjunkcja w gametogenezie rodzicielskiej, po której następuje wczesna postzygotyczna malsegregacja chromosomu 21 („tri – somy rescue”). Znaczna część mozaikowych rodziców została poczęta jako trisomiczni (25, 26).

Translokacja Robertsona trisomia 21

Zawsze zaleca się analizę kariotypu obojga rodziców, jeśli przypadek DS jest spowodowany translokacją. Translokacje Robertsona niosą ze sobą ryzyko reprodukcyjne, które jest zależne od zaangażowanych chromosomów i płci nosiciela w rodzinie. Jeśli żadne z rodziców nie jest nosicielem translokacji Robertsona, ryzyko nawrotu DS jest niskie, podobne jak w przypadku wolnej trisomii 21. Ustalono, że zaawansowany wiek matki jest czynnikiem ryzyka związanym z DS (27).

Screening w pierwszym trymestrze ciąży poprzez połączenie echografii płodu (przezierność karkowa) i biochemicznych badań prenatalnych w surowicy matki (wolna-β-ludzka gonadotropina kosmówkowa i związane z ciążą białko osocza A) może zidentyfikować około 90% płodów z trisomią 21 i innymi głównymi aneuploidiami przy odsetku wyników fałszywie dodatnich wynoszącym 5% (28).

Ocena przezierności karkowej płodu (NT) w połączeniu z badaniami przesiewowymi w kierunku wrodzonych wad serca może przewidzieć wiele poważnych wad serca w pierwszym trymestrze (29).

Wrodzone choroby serca a zespół Downa

Informacje ogólne

Pierwsze doniesienie o związku między DS a wadami serca pochodzi z 1894 roku (30), a pierwsza korelacja między ubytkami przegrody międzykomorowej (AVSD) a DS została zasugerowana prawie 25 lat później (31).

Około połowa pacjentów z DS ma CHD (32, 33), jedną z głównych przyczyn zachorowalności i śmiertelności (34), a spektrum wzorca CHD jest bardzo zróżnicowane i obejmuje wszelkie nieprawidłowości strukturalne w sercu i wielkich naczyniach. Ubytki w przegrodzie międzyprzedsionkowej są najczęściej stwierdzanymi wadami. Około połowa AVSD występuje u pacjentów z DS (35). Chociaż trisomia 21 jest czynnikiem ryzyka CHD, nie jest to jednak wystarczający warunek (około 40-60% osób z trisomią 21 nie ma CHD), dlatego tak ważna jest identyfikacja genów podatności.

Embriologia

Wady przegrody międzykomorowej stanowią spektrum wad serca obejmujące trzy podtypy: niepełne AVSD, przejściowe AVSD i całkowite AVSD (36, 37). Niekompletne AVSD charakteryzują się obecnością wyraźnych pierścieni mitralnych i trójdzielnych lub otworów zastawkowych lewego i prawego serca. W przejściowych AVSD połączenie przedniego i tylnego płatka mostka prowadzi do powstania pojedynczego pierścienia zastawkowego. Całkowite AVSD charakteryzują się obecnością pojedynczego, wspólnego otworu zastawki AV (36, 37). Całkowite AVSD mogą być również klasyfikowane zgodnie z systemem klasyfikacji Rastellego, który opiera się na morfologii, stopniu pomostowania i przyczepach strunowych płatka górnego (38).

Wady te powstają w wyniku nieprawidłowego rozwoju poduszeczek wsierdzia, dając początek częściowym, pośrednim lub całkowitym AVSD. Tworzenie się przegrody rozpoczyna się pod koniec czwartego tygodnia życia płodowego, kiedy poduszki wsierdzia przedsionkowo-komorowego pojawiają się na górnej i dolnej granicy kanału przedsionkowo-komorowego. Dodatkowo na prawym i lewym brzegu kanału pojawiają się dwie boczne poduszki przedsionkowo-komorowe. Defekt fuzji poduszek górnych i dolnych prowadzi do przetrwałego kanału przedsionkowo-komorowego, a tym samym do AVSD (39).

Zrozumienie genów odpowiedzialnych za poszczególne etapy morfogenezy serca jest konieczne, mogłoby pomóc w lepszym zdefiniowaniu wszystkich tych aspektów ram embriologicznych.

Epidemiologia

Istnieją istotne różnice pomiędzy regionami geograficznymi. W krajach Europy Zachodniej i w USA główną nieprawidłowością serca był ubytek poduszki wsierdzia (43%), który skutkuje ubytkiem kanału AVSD/AV, następnie ubytek przegrody międzykomorowej (VSD) (32%), ubytek przegrody międzyprzedsionkowej secundum (10%), tetralogia Fallota (6%) i izolowany drożny przewód tętniczy (PDA) (4%) (32, 40). W Azji izolowany VSD jest najczęstszą wadą serca (40%) (41, 42). W jednym z badań przeprowadzonych w Korei wykazano, że ubytek w przegrodzie międzyprzedsionkowej był najczęstszą wadą stanowiącą 30,5% DS, a następnie ubytek w przegrodzie międzykomorowej (19,3%), drożny przewód tętniczy (17,5%) i ubytek w przegrodzie międzyprzedsionkowo-komorowej (9,4%) (43). Typ secundum ASD był najczęstszą zmianą kardiologiczną w Ameryce Łacińskiej (44, 45). W Libii najczęstszą izolowaną zmianą kardiologiczną był ubytek przegrody międzyprzedsionkowej (ASD), stwierdzony u 23% pacjentów (46).

Genetyka

Występowanie CHD lub rodzaj wady ma niewielki związek z samą nieprawidłowością chromosomu 21. Trzy kopie chromosomu 21 zwiększają ryzyko wystąpienia CHD, ale trisomia 21 sama w sobie nie jest wystarczająca do wywołania CHD. Dodatkowa zmienność genetyczna i/lub czynniki środowiskowe mogą przyczynić się do zwiększenia ryzyka CHD (47). Zidentyfikowano również geny kandydujące, niezwiązane z chromosomem 21, odpowiedzialne za podatność na kilka CHD, a w szczególności AVSD (niezwiązane z DS) (48). Ubytki w przegrodzie międzykomorowej i gen CRELD1 zostały powiązane w kontekście DS, a mutacje w tym genie przyczyniają się do patogenezy AVSD (49). Ubytki w przegrodzie międzykomorowej (AVSD) występują jako wady kliniczne kilku różnych zespołów, wady dziedziczone autosomalnie dominująco oraz sporadycznie występujące malformacje (50). Również mutacje genu GATA4 zostały znalezione w rodzinach z wadami serca, które obejmowały AVSD (51).

Inne badanie wśród osób z DS i kompletnym AVSD zidentyfikowało potencjalnie uszkadzające warianty w sześciu genach: COL6A1, COL6A2, CRELD1 (już znany), FBLN, FRZB, GATA5 zaangażowanych w szlak VGFA (52).

Kolejne badania rozwojowe oraz nowe technologie pozwolą na zidentyfikowanie dokładnego sposobu działania poprzez ustalenie związku pomiędzy zmiennością genomu a zmiennością fenotypową

Podziękowania: Autor chciałby podziękować zespołowi Genetics Department z Alessandrescu-Rusescu INSMC Bucharest za ich ciągłe wsparcie jako pomoc laboratoryjna w zakresie cytogenetyki oraz za dostarczenie obrazów kariogramów.

Konflikt interesów: nie zgłoszono