Především termín „metabolismus“. Znamená přeměnu látkovou v nejširším slova smyslu, tj. obrovské množství procesů, při kterých se v buňkách organismu jednak vytvářejí (syntetizují) látky, které jsou pro buňku nezbytné. Jde o sloučeniny „jednoduché“ (aminokyseliny, mastné kyseliny, cholesterol, hormony atd. atd.), z nichž některé mohou být spojované do větších molekulárních celků, jako jsou lipidy, bílkoviny, glykogen, nukleové kyseliny. Paralelně probíhá degradace těchto komplexních celků na výchozí jednoduché molekuly. Tyto jednoduché molekuly mohou být opět recyklovány nebo vyloučeny z organismu nebo definitivně degradovány až na atomy oxidoredukčními procesy. Touto poslední cestou se z nich uvolňuje energie nezbytná pro chod všech biologických procesů v živé hmotě. Mezi nejznámější „energetické molekuly“ patří např. glukóza a mastné kyseliny. Metabolické procesy jsou, velmi zjednodušeně řečeno, neustále probíhající řetězce přeměn, vše dokonale regulované, navzájem propojené, ale i pečlivě oddělené. Hybnou silou jsou enzymy - bílkoviny s katalytickými funkcemi, které po spojení svého aktivního centra s určitou látkou bleskově provedou specifickou operaci (degradační, syntetickou, oxidoredukční). Buňka je z biologického hlediska obrovským celkem s řídícím programovým centrem v jádře a s mnoha drobnými orgány (organelami) v cytoplazmě, které jsou sídlem řady specializovaných procesů.
Metabolická porucha postihuje primárně enzymy. Jde tedy o „onemocnění enzymů“ - enzymopatie, jejím projevem je nejčastěji snížená katalytická aktivita. Známy jsou však i stavy, kdy má postižený enzym aktivitu naopak zvýšenou. Porucha je dána mutací v genu příslušného enzymu, vedoucí k produkci mutantního enzymu s narušenou funkcí, případně k úplné zástavě jeho produkce. Společným obecným důsledkem metabolické poruchy je tendence k akumulaci nezpracovaného substrátu v buňkách a v tělesných tekutinách a k jeho případnému alternativnímu zpracování. Jako negativní faktor může působit akumulovaný nezpracovaný substrát samotný (zejména u poruch degradace), případně následky přetížení metabolické cesty, která zprostředkuje jeho alternativní zpracování, nebo nedostatek produktu enzymové reakce. Poslední varianta přichází v úvahu zejména u poruch syntézy biologicky důležitých molekul, jako jsou glykoproteiny, peptidové hormony a další.
Vedle procesů metabolických existuje obrovská skupina molekulárních funkcí „nemetabolických“, zajišťovaných nekatalytickými (neenzymovými) proteiny, resp. glykoproteiny. Patří sem proteiny, které mají transportní funkce (transport aminokyselin, bilirubinu, mastných kyselin přes membrány buněk nebo buněčných organel), proteiny, které se účastní na přenosu signálů z mimobuněčného prostoru do buněk včetně buněčného jádra (poruchy signalizace) nebo které zajišťují buněčné spojení (strukturální a funkční). Sem však patří i proteiny regulující tak důležité a globální funkce, jako je buněčný cyklus, a „aktivitu genů“ (jejich přepis - transkripci), a to jak v jádře, tak v mitochondriích. S nimi úzce spolupracuje skupina enzymů přenášejících fosfátovou skupinu (tzv. kinázy). Množství definovaných proteinů s těmito funkcemi neustále stoupá a stoupá i množství definovaných poruch způsobených jejich geneticky přenosnou poruchou. Paleta následků těchto poruch má obrovskou šíři a jde od relativně příznivých poruch, jako je cystinurie (porucha transportu cystinu a tří tzv. dibasických aminokyselin přes membrány střevních a ledvinných buněk), až po nádorovou transformaci buňky.
Množství známých dědičně podmíněných poruch neustále roste. Nejlepším dokladem této exploze je monografie shrnující v intervalech pěti let vše v této oblasti dosažené a i postupná změna jejího názvu. Prvé vydání v roce 1960 („Metabolic Basis of Inherited Disease“) reprezentovala jedna knížka malého formátu o 1400 stranách, 46 kapitolách, od stejného počtu autorů. Letošní (osmé) vydání této monografie má přes 7000 stránek velkého formátu a hustého tisku. Je čtyřdílné, do 225 kapitol přispělo přes 500 autorů. Název se změnil na „Metabolic and Molecular Bases of Inherited Disease“. Adjektivum „molecular“ odráží právě široké nové pole neenzymatických poruch.
 
Kolik je v současné době známých enzymopatií?
Čísla budou odlišná podle kritéria, které použijeme jako základ pro výpočet. V dnešní době by to měl být defekt na molekulární úrovni. I tak dojdeme k odlišným počtům podle toho, zda budeme brát jako základní údaj pro výpočet mutované geny (obecně řečeno mutované genové produkty) nebo deficitní enzymatické (obecně funkční) systémy buňky. Jen pro názornost. Pokud bude funkční deficit enzymu sloužit jako základ, bude číslo menší, protože enzymový systém je velmi často vytvářen dvěma a více proteiny (podjednotkami) různého typu, z nichž každý je pro správnou katalytickou funkci enzymového komplexu nezbytný. Jako extrémní, ale nikterak vzácný příklad lze uvést doslova obří enzymové komplexy (multimery) složené z desítek různých proteinových podjednotek (kódovaných příslušným počtem genů), uspořádaných evolucí přesně vymezeným způsobem, např. na membráně určité organely. Vše nasvědčuje tomu, že narušení jedné každé z podjednotek v důsledku mutace může mít negativní dopad na funkční aktivitu celého komplexu. Proti jedné definující položce, představující deficit funkce enzymového komplexu, stojí desítky specifických izolovaných defektů, každý s vlastní molekulárně genetickou charakteristikou. Opačnou situací je mutace v jediném proteinu, který zajišťuje aktivaci pro skupinu enzymů, transport do příslušného oddílu buňky (např. u některých typů peroxisomálních defektů), syntézu (deficity několika enzymů respiračního řetězce při mutaci určité tRNA) nebo dokonce asemblaci více enzymů v cílové membráně (defekty SURF proteinu vedoucí mnohočetné nedostatečnosti respiračního řetězce).
V současnosti lze odhadnout počet enzymopatií (počítány pouze katalytické proteiny) na cca 250, i když je nutno toto číslo brát jako aproximativní. S ním ovšem ostře kontrastuje počet známých enzymů, který od roku 1954 do posledního vydání Enzyme Nomenclature (Academic Press, 1992) stoupl ze 712 na 3192 a další nárůst do dnešního data je pravděpodobný. Přestože určitá, těžko zjistitelná část registrovaných enzymů se může vyskytovat pouze mimo lidské tkáně, dává uvedené číslo tušit, jak velké množství enzymopatií na identifikaci teprve čeká.

Průkaz metabolického defektu
lze provádět na různých úrovních, v zásadě určených stupněm poznání dané poruchy. Klasická diagnóza, opřená o průkaz akumulovaného substrátu (metabolitu), je ideální u dědičných metabolických poruch, při kterých dochází k akumulaci substrátu v extracelulární tekutině, umožňující průkaz v séru, cerebrospinálním moku či v sekretech nejrůznějšího druhu, zejména v moči. Ideálnější je kombinace s průkazem funkčního deficitu příslušného enzymu, což nejen upřesňuje příčinu akumulovaného metabolitu (a vylučuje jeho sekundární povahu). V řadě případů může být substrát alternativně zpracován a porucha detekována pomocí těchto „sekundárních“ metabolitů. I tak je průkaz enzymového deficitu důležitým diagnostickým parametrem.
Nově se ukazuje nezbytnost průkazu příčin enzymového deficitu. Pokud je protein enzymu primárním genovým produktem, je nejčastější příčinou mutace v příslušném genu. Stále více je však zřejmé, že příčina enzymového deficitu může být složitější. Jak výše zmíněno, ve hře může být např. porucha proteinů, které kontrolují různým způsobem enzymový systém. Pak je stanovení jejich nepřítomnosti (mutované proteiny bývají rychleji degradovány) nebo stanovení mutace v jejich genu nezbytná pro přesnou diagnózu poruchy. Diagnóza na těchto úrovních není jen výrazem akademické tendence hlouběji studovat dědičné metabolické poruchy, ale je doslova diktována stále více a více se rozvíjející prenatální diagnózou těchto stavů, jejíž dokonalost je přímo úměrná dokonalosti definování poruchy na molekulární úrovni.

Prenatální diagnostika
Zcela pragmaticky řečeno je prenatální diagnostika v současnosti nejefektivnějším řešením fatálních a neléčitelných dědičných metabolických poruch. Podstatou je rozpoznání defektu v tkáních plodu nebo v tekutinách, které plod vylučuje (plodová voda). Nejideálnější prenatální diagnóza je u poruch, u kterých je známa biochemická a molekulární podstata, neboť následky těchto primárních poruch nemusí být - a často také nejsou - zřetelné pro krátký časový interval života plodu (řádově týdny), anebo protože vyšetřované tkáně plodu (standardně jsou vyšetřovány struktury plodových obalů - amnia a placenty) nemusí inklinovat k projevu metabolické vady (na rozdíl od tkání těla plodu). Tento přístup dává matce jistotu a možnost rozhodnutí.

Prvopočátek všech těchto poruch je v genomu. Kolik je genomů
v lidských buňkách? Jaké jsou typy dědičnosti?
Pro dobré pochopení genetické podstaty metabolických (a dalších) poruch je nutno si uvědomit, že máme dva typy genomů. Jeden, který je v současnosti zcela oprávněně ve středu pozornosti jak odborníků, tak laiků. Jde o jaderný genom (lokalizovaný v buněčném jádře), který představuje genom hlavní. Je přítomen ve formě dvou sad, z nich každá má 23 samostatných obřích lineárních molekul; jedna sada je původu otcovského, druhá mateřského. Celkový počet obřích molekul je tedy 46. Tyto obří molekuly se přetvářejí při dělení buňky na tyčinkovitá tělíska, známá jako chromosomy. Jaderný genom je tedy zdvojený - každý úsek na každém chromozomu (odlišná situace je na pohlavních chromozomech) má svůj protějšek (homolog) na druhém z chromozomálního páru. Z toho plyne, že samozřejmě i každý gen je párový a že jsou párové i všechny produkty genů. Není nic známo o tom, v jakém vzájemném prostorovém vztahu se nalézají tyto homologní genové páry v interfazickém jádře, tj. v mezidobí mezi dělením buňky, kdy jsou „geny aktivní“ (pokud má DNA tzv. chromozomální uspořádání, jak je tomu při dělení buňky, jsou geny v inaktivní formě). Nic podstatného není známo o koordinaci homologních genů a o její regulaci - tedy o tom, jakým způsobem spolu mateřský a otcovský genom kooperují. Ukázalo se však, že existuje mechanismus, který může umlčet maternální nebo paternální části genomu a umožnit tak funkci pouze jednoho z nich (tzv. imprinting).
To vše shora řečené se týkalo 22 tzv. autosomálních chromozomů. O problematice pohlavních chromozomů, jejichž kombinace určuje pohlaví, se lze zmínit velmi krátce. Prakticky všechny dosavadní poruchy pohlavně vázané jsou lokalizovány v genech nacházejících se na chromozomu X. U muže je pohlavní pár nestejný. Od otce dostává muž genomovou sadu s chromozomem Y, v druhé sadě od matky dostává chromozom zvaný X. Muž má tedy jediný chromozom X, a je-li gen na něm uložený postižen, neexistuje modifikující homolog. U ženy jsou v obou genomových sadách stejné chromozomy X. Z důvodů, které nelze blíže specifikovat ani ideálně definovat, musí být jeden z dvojice chromozomů X u ženy inaktivován. Zákonitosti určující, jaký bude mezi nimi poměr, nejsou doposud známy. Žena je tedy mozaikou z buněk s odlišnou inaktivací X chromozomů (viz dále).
Poruchy genů jaderného genomu mají trojí způsob genetického přenosu: autosomálně dominantní, recesivní a pohlavně (X) vázaný. Pro jednoduchost nezmiňuji skupinu tzv. polygenních dědičných poruch, u kterých dochází k manifestaci až po mutaci v určité skupině genů. Rodiče dětí postižených dědičnou poruchou metabolismu by měli být informováni od lékaře, jakým způsobem je nemoc v jejich rodině přenosná. To není důležité pouze jako informace dokreslující biologickou povahu nemoci, ale zejména pro genetické poradenství při rozhodování o stupni rizika dalších těhotenství.
Při mutacích na autosomech (na sadě nepohlavních chromozomů, které jsou párové a trvale aktivní) existují dva způsoby přenosu - autosomálně recesivní a autosomálně dominantní. Zásadní rozdíl mezi nimi je v rozdílných následcích postižení jednoho z genového páru. U recesivního přenosu nejsou žádné zjistitelné následky. Jinak řečeno, produkce jednoho intaktního genu stačí na pokrytí funkčních nároků buňky. Jelikož se jedná většinou o enzymy, znamená to, že v každé buňce jsou přítomny jak plně funkční molekuly, tak molekuly mutantní, které si zřejmě vzájemně neovlivňují. Jelikož při postižení jednoho genu nedochází k poruše, chová se postižený gen recesivně vůči genu normálnímu (který má naopak dominantní postavení). Tak je tomu nejčastěji u metabolických defektů - u enzymopatií. K manifestní poruše dojde teprve, až když jsou mutovány oba geny příslušného genového páru. Znamená to, že mutace musely být získány od obou rodičů. Rodiče, kteří mají mutovaný pouze jeden z genového páru, jsou zcela bez příznaků (jsou nosiči). Dají se rozpoznat tím, že mají poloviční aktivitu kritického enzymu, a že mají mutovaný pouze jediný gen z příslušného genového páru.
U dominantního přenosu vede mutace jednoho z genového páru k manifestaci poruchy. Proti normálnímu genu má tedy mutovaný gen dominantní postavení (normální gen se chová recesivně). Nejčastěji dochází k tomuto fenoménu u neenzymových poruch (viz výše). Situace je zde však dosti složitá a nejednotná a některá vysvětlení se začínají objevovat teprve nyní, po desítkách let. Lze je v největší stručnosti jen nastínit. Přítomnost mutovaného proteinu může interferovat ve funkčním komplexu (viz odlišnou situaci u recesivních poruch) s produktem párového genu nebo s produkty jiných genů, se kterými tvoří jeden složitý funkční nebo strukturální komplex. V řadě případů je však tento stav bez následků a k manifestaci poruchy dojde, až když je druhý z párového genu vyřazen z funkce.
X-vázaný přenos se vyskytuje u mutací genů lokalizovaných na X chromozomu. Zde je oproti shora zmíněným autosomálním poruchám významný rozdíl mezi mužem a ženou. Muž, vlastnící jediný X chromozom je buď postižen nebo zdráv. U ženy je situace komplikovaná. V případě mutace na jednom ze dvou X chromozomů (mutace na obou je jen teoretickou možností) jeden z nich musí být inaktivován. Je-li tedy mutován gen na X chromozomu, pak je možnost, že tento chromozom bude inaktivován, tedy umlčen, což je optimální situace, neboť funkci přebere gen na normálním X chromozomu. Horší variantou je samozřejmě, proběhne-li inaktivace na normálním X chromozomu. Jelikož proces inaktivace X chromozomu probíhá náhodně, jsou tkáně u žen mozaikou buněk postižených (inaktivován normální X) a zdravých (inaktivován mutantní X). Klinický obraz je také vždy u žen mírnější. O to snadněji se však nemoc v populaci přenáší.
Častost definovaných monogenních poruch se odhaduje na 10 na 1000 živě narozených dětí. Z oněch 10 postižených připadá průměrně 7 na poruchy dominantní, 2,5 na recesivní a 0,4 na pohlavně vázané.
Druhým základním genomem je genom mitochondriální. Mitochondrie jsou všudypřítomné organely, ve kterých probíhá řada metabolických procesů (nebo jejich částí). Nejznámější z nich jsou procesy vytvářející energii tím, že vytrhávají z molekul atomy vodíku a spojují je s kyslíkem za uvolnění značného množství energie, kterou střádají do energeticky bohatých molekul (ATP). Celý tento systém se skrývá pod názvem „respirační (dýchací) řetězec“ nebo též oxidativně fosforylační systém (fosforylační proto, protože energeticky bohaté systémy skladují energii do vazeb mezi řadou skupin kyseliny fosforečné). Každá buňka v těle má řádově od desítek po tisíce mitochondrií, jejichž množství může v buňce kolísat podle situace. Mitochondrie mají svou DNA, která kóduje řadu z těchto proteinů. Genom je však pod kontrolou genomu jaderného. Oba genomy se liší po mnoha stránkách uspořádání DNA. Důležitá pro úvahy o tzv. mitochondriální dědičnosti je skutečnost, že genom každé mitochondrie je samostatný. To znamená, že pokud teoreticky vznikne mutace DNA v jednom z mitochondriálních genů, je postižena jen tato mitochondrie. Geny ve zbývajících desítkách, případně tisících buněčných mitochondrií jsou nepostiženy a fungují tedy zcela normálně. Naproti tomu funkční následky mutace genu situovaném v genomu jaderném postihují celou buňku.
Protože mitochondrie jsou mateřského původu (z cytoplazmy vajíčka - spermie dodává, zjednodušeně řečeno, pouze hlavičku s jaderným genomem), je přenašečem geneticky podmíněných mitochondriálních poruch matka. Dědičnost mitochondriálních poruch je tedy dědičností maternální (nemendelovskou). Existuje řada dalších faktorů, více či méně známých, které určují stupeň postižení buněk a tkání během vývoje, což do značné míry předurčuje, které tkáně budou v poporodním vývoji postiženy. I pak však hraje roli, o kolik výhodnější podmínky pro množení budou mít mitochondrie s mutovanou DNA proti mitochondriím normálním. Situace připomíná šíření mutace jaderného genu v lidské populaci. Při převaze postižených mitochondrií v určité buňce nastane zhroucení jejího energetického metabolismu a tím prvý krok k manifestní poruše. Shora řečené platí pouze pro poruchy způsobené mutací mitochondriální DNA. Řada mitochondriálních poruch je způsobena mutací jaderných genů, které řídí mitochondriální funkce. Mitochondriální poruchy reprezentují velkou skupinu onemocnění postihujících zejména nervovou a svalovou tkáň.

Neznáme zdaleka vše,
co se děje v buňkách v průběhu metabolické vady
Známe vcelku velmi dobře rozvinutá stadia metabolických poruch. Známe orgánové změny funkční a tvarové (morfologické), které umíme dokumentovat technicky velmi dokonalými zařízeními. Známe řadu biochemických hodnot v tkáňových vzorcích a v tělních tekutinách odrážejících narušenou orgánovou funkci. Začínáme znát začátky dědičných poruch, ale zdaleka neznáme řetězec změn, který se od nich odvíjí a kulminuje v těžké všeobecné dysfunkci buňky a orgánu. V této oblasti, kterou lze nazvat molekulární patologií buňky, jsou doposud velká bílá místa, která jsou nejen zdrojem poznání, ale i možností terapeutických zásahů.

Odlišujte dědičné
od vrozeného
Termín vrozený je termín střechový. Pokrývá všechny stavy, jež vedly k postižení plodu a které se liší genetickou zodpovědností rodičů. Jde-li o poruchu geneticky podmíněnou, byla informace o chorobě předána oběma rodiči (u poruch autosomálně recesivních) nebo jedním rodičem (u poruch autosomálně dominantních nebo pohlavně vázaných). Mutace příslušného rodičovského genu může být přítomna ve všech tělesných buňkách včetně buněk zárodečných - spermii a vajíčku - nebo mohla vzniknout nějakým mutagenním zásahem pouze v zárodečných buňkách.
Jde-li o poruchu negeneticky podmíněnou, došlo k jejímu vzniku až v některém stadiu vývoje plodu zcela nezávisle na původním genomu rodičovském.

Jak lze léčit dědičné metabolické poruchy
Léčba je odrazem stupně znalostí biologické podstaty nemoci a současných možností biotechnologického a farmaceutického průmyslu. V řadě případů lze efektivně ovlivnit metabolickou poruchu úpravou diety vyřazením kritické látky, jejíž metabolismus je defektní. Jde o případy notoricky známé, které není třeba blíže zmiňovat (např. fenylketonurie, tyrosinemie, galaktosemie). Podobně lze efektivně ovlivňovat poruchy syntézy podáváním látek nedostatečně vytvářených (aplikace cholesterolu dětem se Smith-Laemli-Opitzovým syndromem nebo žlučových kyselin u tzv. cerebrokutánní xanthomatózy). Díky pokročilé biotechnologii se začínají léčit poruchy degradace složitých molekul (lipidů, cukerných konjugátů a dalších látek) v lysozomálním systému buňky, který je jedním z významných degradačních center buňky. Aplikuje se příslušný degradační enzym čištěný nebo vyráběný rekombinační DNA technologií. V blízké době bude léčba prováděna již u čtyř takovýchto lysozomálních enzymopatií (nemoc Gaucherova, Fabryho, Hurlerové a Niemannova-Pickova). Testovány jsou i variantní postupy, zakládající se na farmakologicky snížené syntéze látek, jejichž degradace v lysozomech je narušena. Jejich snížené množství částečně kompenzuje jejich nedostatečné odbourávání. Královna kauzální terapie geneticky podmíněných poruch - genová terapie - je stále ve stadiu experimentálního ověřování.

Ústav dědičných a metabolických poruch 1. LF UK a VFN, Praha