פנילקטונוריה - ההיבט הביוכימי והגנטי

א. מהו מהלך המחלה מבחינה ביוכימית? | ב. מה גורם לחסר באנזים PAH? | ג. מה גורם לחסר בקופקטור BH4?

פֶנִילְקֶטוֹנוּרְיָה היא הפרעה מטבולית-תורשתית, שמאפייניה: אי-סבילות לתזונה של חומצת-אמינו חיונית פֵנִיל-אַלַנִין, הצטברות תמידית של החומצה בנוזלי הגוף (יתר-פניל-אלנין), וגם פיגור שכלי קשה, בהיעדר טיפול הולם ביילוד, עקב היחשפות מערכת העצבים המרכזית לרמות פניל-אלנין גבוהות, וסיבתה פגם בחילוף החומרים של הפניל-אלנין בגלל חסר באנזים פניל-אלנין הידרוקסילאז או בקופקטור טיטרה-הידרו-ביופטרין.

א. מהו מהלך המחלה מבחינה ביוכימית?

פניל-אלנין (phenylalanine) נמנית על עשר חומצות-אמינו חיוניות, שאין לגוף האדם מנגנונים ביוכימיים ליצירתן, ולכן הוא חייב לקבלן במזונו. הפניל-אלנין חיונית כמו שאר החומצות-אמינו לבניית חלבונים ולחומר מוצא לתרכובות חשובות לגוף. היא בין הבודדות המסוגלות לעבור את מחיצת דם-מוח (Blood brain barrier) שהיא קרום חדיר למחצה, עשויה משכבה כפולה של תאים, המונעת מחומרים מסוימים הנישאים בזרם הדם לחדור אל רקמות המוח, ובכך להשפיע על פעילותו. פניל-אלנין (Phe) מצויה בשפע במוצרי בשר וחלב, והאדם בד"כ מקבלה בכמות עודפת בתזונה רגילה. הגוף צורך את הנחוץ לו ואת השאר הוא הופך לחומצת-אמינו טירוזין (ראה תמונה למטה) באמצעות אנזים פניל-אלנין הידרוקסילאז (Phenyalanine-4-hydroxylase, PAH) וקופקטור טיטרה-הידרו-ביופטרין (tetrahydrobiopterine, BH4).

מכוון שריכוז גבוה של חומצת-אמינו פניל-אלנין רעיל למערכת העצבים המרכזית ואף גורם לנזקים חמורים ובלתי הפיכים למוח במהלך התפתחותו (וכנראה גם אח"כ) הרי הגוף נזקק למנגנון יעיל לשמירה על רמה נמוכה שלו בדם ולסילוק עודפיו. ואכן, כפי שנאמר למעלה, בגוף קיים מנגנון, שעיקרו האנזים פניל-אלנין הידרוקסילאז (PAH), שהוא מולקולת חלבון המכילה ברזל, מיוצרת ופועלת בתאי-הכבד ותפקידה לזרז הפיכה של פניל-אלנין עודפת לטירוזין (ראה שוב את התמונה למעלה). מחסור אנזים PAH, גורם לעליה בריכוז פניל-אלנין בדם והפעלת המנגנון המשני, הצדדי. המנגנון המשני הופך את הפניל-אלנין לקטונים כמו חומצת פניל-פירובית ותוצרים אחרים (ראה תמונה משמאל).

יצירת טירוזין מפניל-אלנין מתבצעת בסיוע האנזים פניל-אלנין הידרוקסילאז (PAH) בתהליך הנקרא הידרוקסילציה.

בהידרוקסילציה האנזים נוטל מולקולת חמצן (O2) ומזרז קשירת אחד משני אטומי החמצן לסובסטראט (במקרה שלנו לפניל-אלנין) בשעה שהשני מחוזר למולקולת מים (ראה תמונה למעלה). בהידרוקסילציה משתתף גורם נוסף המכונה קופקטור שתפקידו לקלוט את אטום החמצן השני (O) לזמן זעיר ולתרום שני אטומי מימן (H2) ליצירת מולקולת מים (H2O). הגורם המשתתף בהידרוקסילציה של פניל-אלנין הוא טטרה-הידרו-ביופטרין (ביופטרין-ארבע-מימן, BH4). בשעה שהוא מתחמצן על ידי מסירת שני אטומי מימן הוא הופך לדי-הידרו-ביופטרין (די=2) וזה האחרון מחוזר ומשוחזר ל- BH4 וחוזר חלילה. תהליך שראשית BH4 וסופו BH4 נקרא מחזור BH4.

הקופקטור BH4 הינה מולקולה לא חלבונית, והיא נחוצה לחמצונם של שלושת החומצות-אמינו הארומטיות (מכילות טבעת בנזן): פניל-אלנין, טירוזין וטריפטופן. בנוסף היא משמשת אחת מחמשת הקופקטורים של האנזים תחמוצת החנקן סינטאז (nitric oxide synthase) (ראה תמונה) וקופקטור להשבתת אתר-גליצרין (glyceryl-ether), תרכובת שומנית עם שרשת אחת של אלקן, באמצעות חמצונו. ואכן, חסר בקופקטור  BH4 גורם לקשת רחבה של הפרעות נוירולוגיות בנוסף ליתר-פניל-אלנין ומעוט בטירוזין.  ה-FDA אישר את התרופה Kuvan, לחולים שחסר להם קופקטור BH4. קובאן ובשמו המקצועי הוא sapropterin dihydrochloride היא תחליף סינטטי של קופקטור  BH4. מחקרים מראים כי שימוש בתרופה מוריד את רמת הפנילאלנין בגוף בכ-30% לשליש מחולי פנילקטונוריה. קובאן מאפשרת לחולים בפנילקטונוריה ליהנות ממיני מזונות רבים יותר מהמותרים להם היום, וזו יכולה להיות הקלה משמעותית. תרופה זו  מצויה בסל התרופות, החל מתאריך 23 לינואר 2011 (ראה חוזר המנהל הכללי 4/11).

במצב רגיל ותקין, פניל-אלנין הופכת לטירוזין במסלול הביוכימי הראשי (ראה תמונה). הפיכת פניל-אלנין לטירוזין הוא השלב הראשון בתהליך פירוק פניל-אלנין למים ולפחמן דו-חמצני. בשלבים הבאים הטירוזין העודף מתחמצן ומשולב במעגל קרבס תוך כדי הפקת אנרגיה הנחוצה לגוף בדומה לפחמימות. החסימה בתהליך זה יוצר הצטברות פניל-אלנין תמידית וזה מגביר את המנגנון המשני והלא תקין בו נוצרים ששה תוצרים אותם ניתן לאתר בשתן (ראה תמונה). ואילו הן:

חומצה פניל-פירובית נוצרת באמצעות טראנסאמינציה (transamination), דהיינו העברת קבוצה אמינית מהפניל-אלנין לאורניתין אלפא קטוגלוטארט (Ornithine alpha-ketoglutarate) תוך יצירת גלוטמט (glutamate) (ראה תמונה). הטראנסאמינציה של חומצות אמינו הוא תהליך המתבצע על ידי אנזים מיוחד (transaminase). ידועים מספר אנזימים שונים כאלו, אבל הקופקטור המשותף לכולם הוא הוויטמין B6.

החומצה פניל-פירובית מדכאת את פעילותו של החלבון-נשא של התרכובת פירובאט (pyruvate), אבל לא של האצטט - מלח חומצת לימון, ובכך נמנעת כניסתה של התרכובת פירובאט לתוך המיטוכונדריה לצורך השתלבות במעגל קרבס. שיבוש במעגל קרבס מפחית את יכולת התאים להפיק אנרגיה ולצור מולקולות ATP. מולקולות אילו נצרכות בכמות גדולה ברקמות המוח וחסרונן עלול לגרום לנזקים במערכת העצבים המרכזית והפרעות רגשיות.

פנילאתילאמין הנו חומר הנוצר בד"כ במוח לאחר ארוחה דשנה עשירה בפניל-אלנין ויוצר תחושה של אהבה, ריגוש, סיפוק וכדומה. פניל-אתילאמין מתקבל כתוצאה של נטילת קבוצת קרבוסיל מפניל-אלנין (ראה תמונה). ריכוזים נמוכים של פניל-אתילאמין, הנקרא גם "כימקל האהבה", נמצאו בקשר ישיר לדיכאון. ובדומה לחומצה פניל-פירובית הוא הופך לחומצה פניל-אצטית.

חסר ב-PAH או BH4 גורם לא רק להצטברות תמידית של פניל-אלנין בנוזלי הגוף אלא גם למחסור חריף בטירוזין, שהוא אחד ממאפייניה של הפנילקטונוריה ומהווה חלק מסיבוכיה. הטירוזין (tyrosine) כמו חומצות-אמינו אחרות משמש לבניית חלבוני הגוף והוא משמש בגוף כחומר מוצא לייצורם של הורמונים (תירוקסין, אדרנלין) ומעבירים עצביים (דופאמין, ונוראפינפרין או בשמו האחר נוראדרנלין, (ראה תמונה)) ושל הפיגמנט מלנין (ראה תמונה).

צימצום בייצור המלאנין מפחית את הפגימנטציה של העור, השיער וקשתית-העין. כמו כן, מתגלה התפתחות לקויה של המוח וירידה בייצור מיאלין (החומר העוטף את סיבי בעצב) ובייצור המעבירים העצביים מחמת מחסור בטירוזין.

מנגנון הפגיעה במוח מריכוז גבוה של פניל-אלנין עדיין לא מחוור כל-צרכו. ייתכן שמקור הפגיעה הוא בתוצרים הביניים החריגים של פניל-אלנין. אפשרות נוספת היא שפניל-אלנין עודפת מתחרה בחומצות-אמינו אחרות על החדירה לתאים, כך שנפגעת הספקתם לתאים. חוקרים אחדים מיחסים את הפגמים הללו לאי-תקינות קלה במעבירים העצביים. למשל, רמות גבוהות של פניל-אלנין בולמות את האנזים המזרז את ייצורו של הסרוטונין.

ב. מה גורם לחסר באנזים PAH?

ייצור האנזים התקין נמנע כתוצאה ממוטציה בגן PAH המצוי בקצה הזרוע הארוכה של כרומוזום 12 (ראה תמונה). הגן PAH מכיל את הקוד הגנטי ליצור האנזים PAH והוא כולל 13 אקסונים ו-12 אינטרונים ואורכו של הגן כשמונים אלף בסיסים, אבל הרנ"א שליח לאחר שיחבור הוא באורך של 2680 בסיסים בלבד. התוצר התקין הוא אנזים חלבוני באורך של 452 חומצות-אמינו. הגן ממוקם במקטע 12q24.1 כשהמספר 12 מסמל את מספר הכרומוזום. האות q מסמלת שהגן נמצא בזרוע הארוכה של הכרומוזום. המספר הסידורי 24.1 מסמן המקטע שנמצא קרוב לקצה.

עד כה התגלו 462 מוטציות שונות הגורמות ליתר-פניל-אלנין לאורך שלוש עשרה האקסונים שלו וברצפים קצרים (FLANKING SEQUENCE) הגובלים ליחידות התעתוק. חלק מהמוטציות (31 במספר) אינן פוגעות בייצור החלבון ולכן האללים הללו מהווים וריאנטים ניטרליים.

סוגי המוטציות הם: מיסנס (62.85%), השמט (12.96%), שיחבור (11.23%), ניטרלי (5.62%) נוסנס (5.18%), החדר (1.3%), שיחבור אך ניטרלי (0.65%), אחר (0.22%).

המוטציות שגורמות לפנוטיפים חמורים הן גם ידועות כמי שמשביתות לחלוטין את ייצור האנזים או פוגעות לחלוטין ביעילותו. מוטציות מיסנס בד"כ יוצרות אנזימים שיכולת פעולתן חלקית בניגוד לאחרות הנחשבות למוטציות NULL.

קיים קושי לנבא את חומרת התבטאות המוטציה בגוף החי לפי סוג המוטציה, מכוון שפעילות האנזים במבחנה אינה דומה לפעילותו בגוף. יתרה מזאת הגינוטיפ אולי מנבא את הפינוטיפ הביוכימי, אבל אינו בהכרח מנבא את הפינוטיפ הקליני. נמצאו חולים הנושאים מוטציה שבדרך כלל גורמת לפנילקטונוריה טיפוסית עם אינטליגנציה רגילה. לחולים אילו נמדדו רמות פניל-אלנין נמוכות במוחם בהשוואה לרמות גבוהות בדמם. כמו כן, נמצא בקרב אחים חולים בפנילקטונוריה פינוטיפ שונה ולעיתים אף פינוטיפ ביוכימי שונה. השוני בפינוטיפ לא היה מפתיע, אילולא הגינוטיפ שלהם היה זהה לחלוטין. נכון להיום, המנגנונים האחראים לשונות בהיווצרות הנזקים למוח עדיין לא ברורים דיים. ובכך, הפנילקטונוריה מאתגרת את הביולוגיה המולקולרית. אותה פנילקטונוריה שתמיד הורמה על נס על ידי מדע הביו-כימיה.

מקורות נוספים:

ג. מה גורם לחסר בקופקטור BH4?

מחסור באנזים תקין מארבעת האנזימים המשתתפים בייצורו של BH4 או במחזורו הם האחראים לחסר בקופקטור והסיבה למחסורם היא פגמים בגנים האחראים לקידודם. הקטעים הבאים מרובים במידע כימי אך ניסתי לפשט אותם לטובת הקוראים.

1.    כשל ביצירת טיטרה-הידרו-ביופטרין

ייצור תקין של BH4 מורכב מחמישה שלבים ובאמצעות שלשה אנזימים שונים: א. GTPCH ב. PTPS ג. SR. רק מחסור בשני האנזימים הראשונים גורמים לחסר ב- BH4 וליתר-פניל-אלנין בדרגות שונות. האנזים השלישי (SR) אומנם אחראי על שלשת השלבים האחרונים, אבל חסרונו אינו גורם ליתר-פניל-אלנין, לא בלי הפרעות נוירולגיות קשות, מכוון שקיימים מסלולי ייצור עוקפים כפי שניתן לראות בשרטוט. ריכוז גבוה של BH4 מדכא את פעילותו של האנזים הראשון (GTPCH) ומעכב את כל תהליך הייצור. וכמובן לחסר באל-דופא שהוא חומר-מוצא לדופאמין - מעביר עצבי במוח ראה בתמונה.

בטבלה ניתנים שמות האנזימים וקישורים נוספים להשגת מידע.

2.    כשל במחזור הטיטרה-הידרו-ביופטרין

במהלך הידרוקסילאציה, פניל-אלנין + BH4 + מולקולת חמצן מגיבים האחד עם השני ואז נוצרים טירוזין +qBH2 + מולקולת מים. בתהליך, פניל-אלנין הופך לטירוזין ואלו BH4 הופך להיות qBH2. אטום החמצן השני מחוזר למולקלת מים (ראה שוב בתמונה).

במהלך פליטת מולקולת מים, BH4 מוסר שני אטומי מימן (דהידרוגנאציה) והופך להיות qBH2. ובשלב השני qBH2 משוחזר ל-BH4. לכל אחד מהשלבים הללו נחוץ אנזים שונה. שלב הדהידרוגנאציה מזורז על ידי אנזים PCD ואילו שלב החיזור מזורז על ידי DHPR. כל התהליך, מרגע ערעור מולקולת החמצן על ידי BH4 והכשרתו לחמצון חומצת-אמינו ועד שחזורו נקרא מחזור הטיטרה-הידרו-ביופטרין. הפרעה במחזור BH4 (ראה שוב בתמונה והפעם מנקודת מבט אחרת) בגלל חסר באחד משני האנזימים הללו גורמת לנתק בתהליך הפיכת הפניל-אלנין לטירוזין.

בגלל חסר ב-DHPR נוצר חסר משני בחומצה פולית. ראה בשרטוט.

בטבלה ניתנים שמות האנזימים וקישורים נוספים להשגת מידע.