Pyknodysostose - fælles stamfar til en del af danske patienter

Otte patienter med pyknodysostose fra seks danske familier er undersøgt molekylærgenetisk for mutation i sygdomsgenet cathepsin K. Tre forskellige mutationer er årsag til pyknodysostose i de seks familier, hvoraf fem er fra Ringkjøbing Amt og én er fra Vejle Amt. Én enkelt mutation optræder særligt hyppigt hos familierne fra Ringkjøbing Amt. De fem familier er beslægtede via en fælles stamfar, hos hvem mutationen optrådte første gang omkring år 1100. Sygdommen gennemgås med hensyn til ætiologi, symptomer, prognose, diagnose og symptomatisk behandling. Forskning i pyknodysostose nyder stor bevågenhed på grund af sygdommens mulige ætiologiske slægtskab med osteoporose.

Pyknodysostose er en sjælden, genetisk betinget sygdom med en autosomal recessiv arvegang. I den elektroniske database Online Mendelian Inheritance in Man (OMIM) (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/omim/), har sygdommen id-nummer 265800. Sygdommen er karakteriseret ved dværgvækst, dysmorfe træk, universel osteosklerose og fragile knogler. Den blev første gang beskrevet i 1962 (1, 2) og har muligvis været årsagen til den franske maler Toulouse-Lautrecs dværgvækst (3, 4). Seks danske patienter blev beskrevet klinisk i 1973 (5). Der er rapporteret om færre end 150 individer med pyknodysostose i verdenslitteraturen. Sygdomslocus for pyknodysostose blev lokaliseret til kromosom 1q21 i 1995 (6-8). Genet for cathepsin K blev klonet i 1996 (9) og senere beskrevet med hensyn til genomisk organisation (10, 11) (Fig. 1 ). Proteinkrystalstrukturen er ligeledes rapporteret (12). I dag er 14 forskellige sygdomsfremkaldende mutationer i genet for chatepsin K beskrevet (9, 13-18).

Vi har for nylig publiceret en undersøgelse af syv danske patienter med pyknodysostose fra Ringkøbing Amt (18). De to patienter fra henholdsvis familie 4 og 5 er tidligere klinisk beskrevet af Lykkegaard Nielsen som henholdsvis sygehistorie III og V (5). Vi fandt, at tre forskellige mutationer var årsag til sygdommen hos de syv patienter. To af de tre mutationer er endnu ikke beskrevet i andre populationer. Efter en kort beskrivelse af sygdommen redegør vi for mutationsundersøgelse af otte danske patienter med pyknodysostose. Vi gennemgår den genetiske udredning af danske patienter og deres familier og diskuterer sygdommens medicinske fremtidsperspektiver. (Boks 1 )

Ætiologi

Cathepsin K(CTSK)-genet, er et cysteinproteasegen med høj ekspression i osteoklaster. Proteinet menes at være afgørende for cysteinproteasernes enzymatiske aktivitet og dermed for degraderingen af knogleproteinkomponenter under det resorptive stadium af knogleremodelleringen (19). Mutation i CTSK-genet i homozygot eller sammensat (compound) heterozygot form giver fænotypen pyknodysostose, der således nedarves autosomalt recessivt. Aktiviteten af cathepsin K har vist sig at være praktisk talt 0 hos patienter med pyknodysostose og mellem 50-80% hos heterozygote (15).

Symptomer og prognose

Pyknodysostose kan manifestere sig i neonatalperioden med respirationsproblemer, opkastningstendens eventuelt med aspiration og dårlig trivsel. I småbørnsperioden bliver dværgvækst med korte ekstremiteter gradvist mere udtalt. Den nedsatte længdevækst og vigende vægtøgning (-1- -4 standarddeviationer) udløser ofte indlæggelse under diagnosen dårlig trivsel. Andre karakteristiske objektive fund er et stort kranieomfang, en prominerende pande, en stor anterior fontanel, et hypoplastisk midtansigt, en stump kæbevinkel, protuberende øjne, terminal hypoplasi af fingre, negledeformiteter og tandanomalier. I alle aldre ses øget tendens til frakturer efter inadækvate traumer og ofte med forsinket heling. Sluthøjden er 135-145 cm for kvinder og 145-155 cm for mænd. Normal graviditet og fødsel hos en kvinde med pyknodysostose er beskrevet (18). Pyknodysostose påvirker ikke intelligens eller livslængde.

Diagnose

Den erfarne kliniker kan stille diagnosen på baggrund af karakteristiske objektive og radiologiske fund (5). Molekylærgenetisk stiller man diagnosen med sikkerhed ved påvisning af mutation i CTSK-genet. Man kender i dag 14 forskellige mutationer i CTSK-genet (Tabel 1 ), hvoraf tre (41V-81Mdel, G79E og L309P) er fundet hos danske patienter (18). Analyserne foretages i øjeblikket på Klinisk Genetisk Afdeling på Århus Kommunehospital efter tilsendelse af 10 ml EDTA-blod og 5 ml heparinblod.

Symptomatisk behandling

Adenotomi og tonsillektomi kan afhjælpe patienternes respirationsbesvær og desuden ofte give generel bedre trivsel med bedre vækst til følge. Væksthormonbehandling kan give en betydelig længdetilvækst, når den påbegyndes tilstrækkeligt tidligt. Det er endnu usikkert, om væksthormon vil give patienterne en større sluthøjde, eller om den blot fremskynder den naturlige vækst (personlig meddelelse fra Jørn Müller , Afdeling for Vækst og Reproduktion). Denne behandling er i Danmark centreret på Afdeling for Vækst og Reproduktion på Rigshospitalet. Kirurgisk knogleforlængelse er aldrig beskrevet hos pyknodysostosepatienter, men har i en årrække været anvendt hos patienter med andre former for dværgvækst (20). Behandlingen er fortsat omdiskuteret, idet den er langvarig, mutilerende og ikke uden menneskelige og sociale omkostninger (21). Det er særdeles tvivlsomt, om behandlingen kan anvendes til patienter med pyknodysostose på grund af fragile knogler og forsinket frakturheling. Pyknodysostosepatienter bør henvises til specialodontologisk behandling.

Danske familier

Vi har undersøgt otte danske patienter med pyknodysostose for mutationer i CTSK-genet. De syv patienter fordeler sig på fem familier fra Ringkjøbing Amt (Fig. 2 : Fam. 1-5), og en enkelt patient er fra Vejle Amt (Fig. 2: Fam. 6). Alle patienterne fra Ringkøbing Amt har mutationen L309P, og tre af patienterne har den i homozygot form. Mutation G79E er til stede hos familie 2 og familie 6, mens mutationen 41V-81Mdel eksisterer i familie 3 og familie 6. Det samlede antal af danske patienter kendes ikke. Sygdomshyppigheden i befolkningen kan beregnes til 1:22.500 (95% CI: 1:1,6106 - 1:1.940), hvis blot hyppigheden af mutation L309P indregnes (18).

Fælles stamfar

Den store forekomst af mutation L309P i Ringkøbing Amt ville kunne forklares af slægtskab mellem familierne 1-5. Undersøgelse af familiernes haplotyper (18) sandsynliggør, at mutationen er nedarvet fra en fælles stamfar. Mutation L309P's alder i befolkningen kan under antagelse af koblingsligevægt beregnes (22) som syv forskellige estimater af antallet af generationer: 5,1; 26,3; 31,2; 33,7; 39,2; 41,3 og 65,7. Gennemsnitsværdien er 34,6 generationer svarende til ca. 900 år. Beregningen fastlægger således tidspunktet for mutation L309P's introduktion i den danske befolkning til ca. år 1100. Denne introduktion kan skyldes enten en ny mutation hos en herboende eller immigration af en mutationsbærer fra en anden befolkning. Beregningen er behæftet med nogen usikkerhed, idet flere af de anvendte parametre ikke kendes med nøjagtighed, men beror på det bedst mulige skøn. Imidlertid er det overbevisende med så lille en spredning fem af de syv estimater fordeler sig.

Diskussion

Molekylærgenetisk forskning har på blot fem år ændret pyknodysostose fra et genetisk syndrom med ukendt ætiologi til en fuldt afklaret genetisk sygdom med mulighed for sikker diagnostik, prænatal diagnostik og bærerdiagnostik. Identifikation af sygdomsgenet cathepsin K har induceret forskning i patofysiologien for pyknodysostose, hvilket også har vist sig af stor betydning for andre beslægtede og meget hyppigere knoglesygdomme som fx osteoporose. I en ny og spændende hypotese betragtes osteopetrose (pyknodysostose) og osteoporose som to ekstreme sider af samme sag (23), således at for lav eller ingen ekspression af cathepsin K medfører osteopetrose og for høj ekspression af cathepsin K vil give osteoporose. Konstruktion af cathepsin K-gen knockout -mus har vist sig at være en god dyremodel for pyknodysostose (24, 25) og vil muligvis også være nyttig i fremtidig osteoporoseforskning. Administration af cathepsin K-antagonister til mus inhiberer knogleresorption både in vitro og in vivo (26), hvilket kan vise sig at have et stort potentiale for fremtidig behandling af osteoporose. Endvidere er det vist, at østrogen nedregulerer ekspressionen af cathepsin K (27), hvilket måske delvist kan forklare udviklingen af post-menopausal osteoporose (23). Sammenfattende må det siges, at kausal behandling af pyknodysostose synes at være rykket betydeligt nærmere i de seneste fem år.

Konklusion

Pyknodysostose skyldes mutation i genet for cathepsin K, der er lokaliseret til kromosom 1q21. Tre danske sygdomsfremkaldende mutationer er påvist ved undersøgelse af seks danske familier med pyknodysostose fra henholdsvis Ringkjøbing og Vejle Amter. De undersøgte patienter fra Ringkjøbing Amt har alle arvet en særlig hyppig mutation fra en fælles stamfar fra omkring år 1100. Pyknodysostose kan diagnosticeres med sikkerhed såvel præ- som postnatalt. Bærerdiagnostik af raske søskende og mutationsundersøgelse af raske ægtefæller til pyknodysostosepatienter bør overvejes inden eventuel graviditet. Intensiv forskning i sygdommens patofysiologi pågår og peger frem mod en mulig kausal behandling.

Annette Haagerup , Institut for Human Genetik, Bartholin Bygningen, Aarhus Universitet, DK-8000 Århus C. E-mail: ah@humgen.au.dk

Antaget den 17. juli 2001.

Aarhus Universitet, Institut for Human Genetik,

Herning Centralsygehus, børneafdelingen,

Århus Universitetshospital, Århus Kommunehospital, klinisk genetisk afdeling, og

Odense Universitetshospital, afdeling KKA.

Litteratur

1. Maroteaux P, Lamy M. La pycnodysostosis. Presse Med 1962; 70: 999-1002.
2. Andren L, Dymling JF, Hogeman KE, Wendeberg B. Osteopetrosis-osteolytica: a syndrome of osteopetrosis, acro-osteolysis and open sutures of the skull. Acta Chir Scand 1962; 124: 496-507.
3. Maroteaux P, Lamy M. The malady of Toulouse-Lautrec. JAMA 1965; 191: 715-7.
4. Frey JB. What dwarfed Toulouse-Lautrec? Nat Genet 1995; 10: 128-30.
5. Nielsen EL. PyknodysostoseEn oversigt med seks tilfælde. Ugeskr Læger 1973; 135: 2093-8.
6. Polymeropoulos MH, Ortiz De Luna RI, Ide SE, Torres R, Rubenstein J, Francomano CA. The gene for pycnodysostosis maps to human chromosome 1cen-q21. Nat Genet 1995; 10: 238-9.
7. Gelb BD, Edelson JG, Desnick RJ. Linkage of pycnodysostosis to chromosome 1q21 by homozygosity mapping. Nat Genet 1995; 10: 235-7.
8. Gelb BD, Spencer E, Obad S, Edelson GJ, Faure S, Weissenbach J et al. Pycnodysostosis: refined linkage and radiation hybrid analyses reduce the critical region to 2 cM at 1q21 and map two candidate genes. Hum Genet 1996; 98: 141-4.
9. Gelb BD, Shi GP, Chapman HA, Desnick RJ. Pycnodysostosis, a lysosomal disease caused by cathepsin K deficiency. Science 1996; 273: 1236-8.
10. Rood JA, Van Horn S, Drake FH, Gowen M, Debouck C. Genomic organization and chromosome localization of the human cathepsin K gene (CTSK). Genomics 1997; 41: 169-76.
11. Gelb BD, Shi GP, Heller M, Weremowicz S, Morton C, Desnick RJ et al. Structure and chromosomal assignment of the human cathepsin K gene. Genomics 1997; 41: 258-62.
12. LaLonde LM, Zhao B, Janson CA, D'Alessio KJ, Mcqueney MS, Orsini MJ, Debouck CM et al. The crystal structure of human procathepsin K. Biochemistry 1999; 38(3) :862-9.
13. Johnson MR, Polymeropoulos MH, Vos HL, Ortiz de Luna RI, Francomano CA. A nonsense mutation in the cathepsin K gene observed in a family with pycnodysostosis. Genome Res 1996; 6: 1050-5.
14. Gelb BD, Willner JP, Dunn TM, Kardon NB, Verloes A, Poncin J et al. Paternal uniparental disomy for chromosome 1 revealed by molecular analysis of a patient with pycnodysostosis. Am J Hum Genet 1998; 62: 848-54.
15. Ho N, Punturieri A, Wilkin D, Szabo J, Johnson M, Whaley J et al. Mutations of CTSK result in pycnodysostosis via a reduction in cathepsin K protein. J Bone Miner Res 1999; 14: 1649-53.
16. Hou WS, Bromme D, Zhao Y, Mehler E, Dushey C, Weinstein H et al. Characterization of novel cathepsin K mutations in the pro and mature polypeptide regions causing pycnodysostosis. J Clin Invest 1999; 103: 731-8.
17. Fujita Y, Nakata K, Yasui N, Matsui Y, Kataoka E, Hiroshima K et al. Novel mutations of the cathepsin K gene in patients with pycnodysostosis and their characterization. J Clin Endocrinol Metab 2000; 85: 425-31.
18. Haagerup A, Hertz JM, Christensen MF, Binderup H, Kruse TA. Cathepsin K gene mutations and 1q21 haplotypes in patients with pycnodysostosis in an outbred population. Eur J Hum Gen 2000; 8: 431-6.
19. Bossard MJ, Tomaszek TA, Thompson SK, Amegadzie BY, Hanning CR, Jones C et al. Proteolytic activity of human osteoclast cathepsin K. Expression, purification, activation, and substrate identification. J Biol Chem 1996; 271: 12517-24.
20. Rasmussen S, Sonne-Holm S. Callostasis for reconstruction of congenital skeletal deficiencies. Acta Orthop Scand 1996; 76: 80.
21. Rasmuss en S, Sonne-Holm S. Knogleforlængelse. Udviklingshistorien og anvendelsesmulighederne. Ugeskr Læger 1999; 161: 4863-7.
22. Risch N, de Leon D, Ozelius L, Kramer P, Almasy L, Singer B et al. Genetic analysis of idiopathic torsion dystonia in Ashkenazi Jews and their recent descent from a small founder population. Nat Genet 1995; 9: 152-9.
23. Lazner F, Gowen M, Pavasovic D, Kola I. Osteopetrosis and osteoporosis: two sides of the same coin [In Process Citation]. Hum Mol Genet 1999; 8: 1839-46.
24. Saftig P, Hunziker E, Wehmeyer O, Jones S, Boyde A, Rommerskirch W et al. Impaired osteoclastic bone resorption leads to osteopetrosis in cathepsin-K-deficient mice. Proc Natl Acad Sci USA 1998; 95: 13453-8.
25. Gowen M, Lazner F, Dodds R, Kapadia R, Feild J, Tavaria M et al. Cathepsin K knockout mice develop osteopetrosis due to a deficit in matrix degradation but not demineralization. J Bone Miner Res 1999; 14: 1654-63.
26. Votta BJ, Levy MA, Badger A, Bradbeer J, Dodds RA, James IE et al. Peptide aldehyde inhibitors of cathepsin K inhibit bone resorption both in vitro and in vivo. J Bone Miner Res 1997; 12: 1396-406.
27. Mano H, Yuasa T, Kameda T, Miyazawa K, Nakamaru Y, Shiokawa M et al. Mammalian mature osteoclasts as estrogen target cells. Biochem Biophys Res Commun 1996; 223: 637-42.