مواضيع المحاضرة:
background image

Unit 6: Genetic and Pediatric Diseases

 

 

 

201

 

GENETIC DISEASES 

 

Nature of genetic abnormalities 

contributing to human disease 

 
Mutation 
It refers to permanent changes in the DNA.  
a-  Those that affect germ cells are transmitted to the 

progeny and may give rise to inherited diseases.  

b-  Mutations in somatic cells are not transmitted to the 

progeny but are important in the causation of cancers 
and some congenital malformations. 

 

  Point mutations result from the substitution of a single 

nucleotide base by a different base,  

  Missense mutations it is a point mutation resulting in the 

replacement of one amino acid by another in the protein 
product. The mutation giving rise to sickle cell anemia is 
an excellent example of a point mutation that alters the 
meaning of the genetic code 

  Nonsense" mutation it is point mutation that results in 

change an amino acid codon to a chain termination codon, 
or stop codon. This mutation will interrupt translation, 
and result in truncated proteins that are rapidly degraded.   

 

  Frameshift mutations occur when the insertion or 

deletion of one or two base pairs alters the reading frame 
of the DNA strand. 

 

  Trinucleotide repeat mutations belong to a special 

category, because these mutations are characterized by 
amplification of a sequence of 3 nucleotides.  
For example, in fragile X syndrome, prototypical of this 
category of disorders, there are 200 to 4000 tandem 
repeats of the sequence CGG within a gene called FMR1. 
In normal populations, the number of repeats is small, 
averaging 29. The expansions of the trinucleotide 
sequences prevent normal expression of the FMR1 gene, 
thus giving rise to mental retardation. 
Another distinguishing feature of trinucleotide repeat 
mutations is that they are dynamic (i.e., the degree of 
amplification increases during gametogenesis) 
 
Genetic Disorders 
Three major categories of genetic disorders: 

1)  Those related to mutant genes of large effect, sometimes 

referred to as mendelian disorders, includes many 
uncommon conditions, such as the storage diseases and 
inborn errors of metabolism, all resulting from single-

gene mutations of large effect. Most of these conditions 
are hereditary and familial. 

2)  There are heterogeneous group of genetic disorders 

that, like mendelian disorders, involve single genes but do 
not follow simple mendelian rules of inheritance. These 
single-gene disorders with non-classic inheritance include 
those resulting from  

a)  triplet repeat mutations, 
b)   those arising from mutations in mitochondrial DNA, and 
c)   Those in which the transmission is influenced by an 

epigenetic phenomenon called genomic imprintin. 

3)  Diseases with multifactorial (polygenic) inheritance

The second category includes some of the most common 
disorders of humans, such as hypertension and diabetes 
mellitus. Multifactorial, or polygenic, inheritance implies 
that both genetic and environmental influences condition 
the expression of a phenotypic characteristic or disease. 

4)  Those arising from chromosomal aberrations includes 

disorders that are the consequence of numeric or 
structural abnormalities in the chromosomes. 
 

I- Mendelian disorders (diseases 

caused by single-gene defects) 

 

A- Diseases Caused by Mutations in 
Structural Proteins 

 

1- Marfan Syndrome 

  It is an autosomal dominant disorder of connective tissues. 

  There is Mutations in the FBN1 which is located in 

chromosome 15q21 . FBN1 gene encode for Fibrillin 1, is 
a glycoprotein secreted by fibroblasts, is the major 
component of microfibrils found in the extracellular 
matrix. Microfibrils serve as scaffolding for the 
deposition of elastin and are considered integral 
components of elastic fibers. 

  Many of the abnormalities in Marfan syndrome can be 

explained on the basis of structural failure of connective 
tissues, these are:  

  Skeletal abnormalities are the most obvious feature of 

Marfan syndrome.  
Patients have a slender, elongated habitus with 
abnormally long legs, arms, and fingers (arachnodactyly); 
a high-arched palate; and hyperextensibility of joints. A 
variety of spinal deformities, such as severe 
kyphoscoliosis, may appear. The chest is deformed, 
exhibiting either pectus excavatum (i.e., deeply depressed 
sternum) or a pigeon-breast deformity. 


background image

Unit 6: Genetic and Pediatric Diseases

 

 

 

201

 

  Ocular change is bilateral dislocation, or subluxation, of 

the lens owing to weakness of its suspensory ligaments. 

  Cardiovascular system.  

Fragmentation of the elastic fibers in the tunica media of 
the aorta predisposes to aneurysmal dilation & aortic 
dissection. Death from aortic rupture may occur at any age 
and is the most common cause of death. 

 

2- Ehlers-Danlos Syndromes 

  Ehlers-Danlos syndromes (EDSs) are characterized by 

defects in collagen synthesis or structure. All are single-
gene disorders, but the mode of inheritance encompasses 
all three of the mendelian patterns. 

  At least six clinical and genetic variants of EDS are 

recognized. 

  Clinical features  

Skin is hyperextensible and joints are, and rupture of 
internal organs like colon, cornea, and large arteries. 
Wound healing is poor. 
 

B- Diseases Caused by Mutations in 
Receptor Proteins or Channels 

 

1- Familial Hypercholesterolemia (figure 1) 

Familial hypercholesterolemia is an autosomal dominant 
disorder caused by mutations in the LDL receptor 
gene.Patients develop hypercholesterolemia due to 
impaired transport of LDL into the cells.In heterozygotes, 
elevated serum cholesterol greatly increases the risk of 
atherosclerosis and resultant coronary artery disease; 
homozygotes have an even greater increase in serum 
cholesterol and occurrence of ischemic heart disease. 
Cholesterol also deposits along tendon sheaths to produce 
xanthomas. 

 

Figure -1: Low-density lipoprotein (LDL) metabolism & the role 
of the liver in its synthesis and catabolism, in normal persons and 
those with familial hypercholesterolemia. IDL, intermediate-
density lipoprotein; VLDL, very-low-density lipoprotein. 

 

2- Cystic fibrosis 

  Cystic fibrosis (CF) is the most common lethal genetic 

disease that affects Caucasian populations. It is 
uncommon among Asians (1 in 31,000 live births) and 
African Americans (1 in 15,000 live births).  

  CF follows simple autosomal recessive transmission, and 

does not affect heterozygote carriers. 

  It is a widespread disorder of epithelial transport affecting 

fluid secretion in exocrine glands& the epithelial lining of 
the respiratory, gastrointestinal (GI) & reproductive tracts.  

  a high level of sodium chloride in the sweat is a consistent 

& characteristic biochemical abnormality in CF. 

 

Pathogenesis 

  The primary defect in CF is abnormal function of an 

epithelial chloride channel protein encoded by the CF 
transmembrane conductance regulator (CFTR) gene on 
chromosome 7q31.2. The changes in mucus are 
considered secondary to the disturbance in transport of 
chloride ions. 

  In normal epithelia the transport of chloride ions across the 

cell membrane occurs through transmembrane proteins 
such as CFTR that form chloride channels. Mutations in the 
CFTR gene render the epithelial membranes relatively 
impermeable to chloride ions. However, the impact of this 
defect on transport function is tissue-specific. The major 
function of the CFTR protein in the sweat gland ducts is to 
reabsorb luminal chloride ions and augment sodium 
reabsorption. Therefore, in the sweat ducts, loss of CFTR 
function leads to decreased reabsorption of sodium 
chloride 
 
and production of hypertonic sweat. 

  In contrast to the sweat glands, CFTR in the respiratory & 

intestinal epithelium forms one of the most important 
avenues for active luminal secretion of chloride. At these 
sites, CFTR mutations result in loss or reduction of chloride 
secretion into the lumen. Active luminal sodium absorption 
is also increased, and both of these ion changes increase 
passive water reabsorption from the lumen, lowering the 
water content of the surface fluid layer coating mucosal 
cells. Thus, unlike the sweat ducts, there is no difference in 
the salt concentration of the surface fluid layer coating the 
respiratory and intestinal mucosal cells in normal versus 
individuals with CF. Instead, the pathogenesis of 
respiratory and intestinal complications in CF seems to 


background image

Unit 6: Genetic and Pediatric Diseases

 

 

 

201

 

stem from an isotonic but low-volume surface fluid layer. 
In the lungs, this dehydration leads to defective mucociliary 
action and the accumulation of concentrated, viscid 
secretions that obstruct the air passages and predispose to 
recurrent pulmonary infections. 

 

 

  The most common CFTR gene mutation leads to a deletion 

(Δ) of 3 nucleotides coding for phenylalanine (F) at amino 
acid position 508 (ΔF508). This is an example of a "severe" 
mutation. Worldwide, ΔF508 mutation can be found in 
approximately 70% of CF patients. Since CF is an 
autosomal recessive disease, affected individuals harbor 
mutations on both alleles. As discussed later, the 
combination of mutations on the two alleles influences the 
overall phenotype, as well as organ-specific manifestations 
 

Clinical Course 

  The symptoms are extremely varied and may be:  

1-  mild to severe, 
2-  onset at birth to onset years later,  
3-   Involvement of one organ system to involvement of many.  

  Approximately 5% to 10% of the cases come to clinical 

attention at birth or soon after because of an attack of 
meconium ileus.  

  Exocrine pancreatic insufficiency occurs in the majority 

(85% to 90%) of patients with CF and is associated with 
"severe" CFTR mutations on both alleles (e.g., 
ΔF508/ΔF508), whereas  

  10% to 15% of patients with one "severe" and one "mild" 

CFTR mutation, or two "mild" CFTR mutations, retain 
sufficient pancreatic exocrine function so as not to require 
enzyme supplementation (pancreas-sufficient phenotype).  

  Pancreatic insufficiency is associated with  

1)  Malabsorption of protein and fat and increased fecal loss. 

Manifestations of malabsorption (e.g., large, foul stools; 
abdominal distention; and poor weight gain) appear 

during the first year of life. The faulty fat absorption may 
induce deficiency states of the fat-soluble vitamins, 
resulting in manifestations of avitaminosis A, D, or K. 

2)   Hypoproteinemia may be severe enough to cause 

generalized edema. 

3)   Persistent diarrhea may result in rectal prolapse in as 

many as 10% of children with CF. 
Cardiorespiratory complications 
o  chronic cough, 
o  persistent lung infections,  
o  obstructive pulmonary disease,  
o  & cor pulmonale, are the most common cause of death  

  By 18 years of age, 80% of patients with classic CF 

harbor P. aeruginosa, and 3.5% harbor B. cepacia.  

  Recurrent sinonasal polyps can occur in as many as 10% 

to 25% of patients with CF, and hence, children who 
present with this finding should be tested for 
abnormalities of sweat chloride.  

  Significant liver disease occurs late in the natural history 

of CF. 

 

Diagnosis 

The diagnosis of CF is based on  

1)  persistently elevated sweat electrolyte concentrations 

(often the mother makes the diagnosis because her infant 
tastes salty),  

2)  characteristic clinical findings (sinopulmonary disease 

and GI manifestations), 

3)   or a family history. 
4)   Sequencing the CFTR gene is of course the "gold standard" 

for the diagnosis of CF. Therefore, in patients with clinical 
findings or family history (or both) suggesting this 
diagnosis, genetic analysis may be warranted.  

 

Manangement 

  The Advances in management of CF, more patients are 

now surviving to adulthood; the median life expectancy 
approaches 30 years and continues to increase.  

  Clinical trials with gene therapy in humans are still in 

their early stages but provide a source of encouragement 
for millions of CF patients worldwide. 

 
C- Diseases Caused by Mutations in Enzyme 
Proteins  

 

1- Phenylketonuria  

  It is an autosomal recessive disorder of inborn error of 

metabolism, which affects 1 in 12,000 live-born 
Caucasian infants.  


background image

Unit 6: Genetic and Pediatric Diseases

 

 

 

201

 

  The most common form, referred to as classic 

phenylketonuria (PKU) have a severe lack of phenylalanine 
hydroxylase, leading to hyperphenylalaninemia & PKU.  , 
is quite common in persons of Scandinavian descent and is 
distinctly uncommon in blacks and Jews. 

 

  Biochemical abnormalities (Figure 2) 

  The biochemical abnormality in PKU is an inability to 

convert phenylalanine into tyrosine because of severe lack 
of phenylalanine hydroxylase.  

  In normal children, less than 50% of the dietary intake of 

phenylalanine is necessary for protein synthesis. The 
remainder is converted to tyrosine by the phenylalanine 
hydroxylase system.  

  It is believed that excess phenylalanine or its metabolites 

contribute to the brain damage in PKU. Concomitant lack 
of tyrosine, a precursor of melanin, is responsible for the 
light color of hair and skin.  

   

 

Figure 2: The phenylalanine hydroxylase system. NAD(H), 
Nicotinamide adenine dinucleotide (reduced form). 
 

  Clinically  

1)  Affected infants are normal at birth but within a few 

weeks develop a rising plasma phenylalanine level, which 
in some way impairs brain development.  

2)  Usually by 6 months of life severe mental retardation 

becomes all too evident; fewer than 4% of untreated 
phenylketonuric children have IQs greater than 50 or 60.  

3)  About one-third of these children are never able to walk, 

and two-thirds cannot talk.  

4)  Seizures, other neurologic abnormalities,  
5)  decreased pigmentation of hair and skin, and  
6)  eczema 
7)  strong musty or mousy odor to affected infants because 

when phenylalanine metabolism is blocked as a result of a 
lack of phenylalanine hydroxylase, minor shunt pathways 
come into play, yielding several intermediates that are 
excreted in large amounts in the urine and in the sweat. 

  

  Hyperphenylalaninemia and the resultant mental 

retardation can be avoided by restriction of phenylalanine 
intake early in life. Hence, several screening procedures 
are routinely performed to detect PKU in the immediate 
postnatal period. 

Female PKU patients who discontinue dietary treatment 
can give birth to mentally retarded children with 
malformations due to transplacental passage of 
phenylalanine metabolites.  

 

  Non-PKU hyperphenylalaninemia occurs in those with 

a partial deficiency of phenylalanine hydroxylase. There 
is only modest elevations of phenylalanine levels occur, 
and there is no neurologic damage. 
It is important to recognize because affected individuals 
may test positive in screening tests but do not develop the 
stigmata of classic PKU. Measurement of serum 
phenylalanine levels is necessary to differentiate non-
PKU hyperphenylalaninemia from PKU. 
 

2- Galactosemia 

  Galactosemia is an autosomal recessive disorder of 

galactose metabolism that affects one in 30,000 live-born 
infants.  

  Normally, lactase splits lactose, the major carbohydrate of 

mammalian milk, into glucose

 

and galactose in the 

intestinal microvilli. Galactose is then converted to 
glucose  in several steps, in one of which the enzyme 
galactose-1-phosphate uridyltransferase is required.
 

  Lack of galactose-1-phosphate uridyltransferase 

enzyme is responsible for galactosemia. As a result of this 
lack of transferase, galactose 1-phosphate and other 
metabolites, including galactitol, accumulate in many 
tissues, including the liver, spleen, lens of the eye, kidney, 
and cerebral cortex. 

  Clinically  

1)  Almost from birth, these infants fail to thrive.  
2)  Vomiting and diarrhea appear within a few days of milk 

ingestion. 

3)   Jaundice and hepatomegaly usually become evident 

during the first week of life.  

4)  Accumulation of galactose and galactose 1-phosphate in 

the kidney impairs amino acid transport, resulting in 
aminoaciduria.  

5)  There is an increased frequency of fulminant Escherichia 

coli septicemia. 

6)   Without appropriate dietary therapy, long-term 

complications such as cataracts, speech defects, 
neurologic deficits, and ovarian failure
 may occur in 
older children and adults. 

 
Diagnosis 
The diagnosis is established by assay of the transferase in 
leukocytes and erythrocytes. Antenatal diagnosis is 
possible by enzyme assays or DNA-based testing of 
cultured amniocytes or chorionic villi. 


background image

Unit 6: Genetic and Pediatric Diseases

 

 

 

201

 

 
Prevention  
Most of the clinical and morphologic changes can be 
prevented by early removal of galactose from the diet for 
at least the first 2 years of life.  

3- Lysosomal Storage Diseases (Autosomal 
recessive transmission) 

Lysosomes contain a variety of hydrolytic enzymes that 
are involved in the breakdown of complex substrates, 
such as sphingolipids and mucopolysaccharides, into 
soluble end products. These large molecules may be 
derived from the turnover of intracellular organelles that 
enter the lysosomes by autophagocytosis, or they may be 
acquired from outside the cells by phagocytosis. 
With an inherited lack of a lysosomal enzyme, catabolism 
of its substrate remains incomplete, leading to 
accumulation of the partially degraded insoluble 
metabolites within the lysosomes (Fig. 3). 

 

 

Fig.3: Pathogenesis of lysosomal storage diseases. In this 
example, a complex substrate is normally degraded by a 
series of lysosomal enzymes (A, B, and C) into soluble 
end products. If there is a deficiency or malfunction of 
one of the enzymes (e.g., B), catabolism is incomplete, 
and insoluble intermediates accumulate in the lysosomes. 
 

a)  Tay-Sachs disease 

is caused by an inability to metabolize 

G

M2

 gangliosides due to lack of lysosomal 

hexosaminidase A. G

M2

 gangliosides accumulate in the 

CNS and cause severe mental retardation, blindness, 
motor weakness, and death by 2-3 years of age. 

b)  Niemann-Pick disease

 types A and B are caused by a 

deficiency of sphingomeylinase. In the more severe type 
A variant, accumulation of sphingomyelin in the nervous 
system results in neuronal damage. Lipid is also stored in 
phagocytes within the liver, spleen, bone marrow, and 
lymph nodes, causing their enlargement. In type B, 
neuronal damage is not present.Niemann-Pick type C 
disease is caused by a defect in cholesterol transport and 

resultant accumulation of cholesterol and gangliosides in 
the nervous system. Affected children have ataxia, 
dysarthria, and psychomotor regression. 

c)  Gaucher disease 

results from lack of the lysosomal 

enzyme glucosylceramidase and accumulation of 
glucosylceramide in mononuclear phagocytic cells. In the 
most common, type I variant, affected phagocytes become 
enlarged (Gaucher cells) and accumulate in liver, spleen, 
and bone marrow, causing hepatosplenomegaly and bone 
erosion. Type II and III have variable neuronal 
involvement. 

d)  Mucopolysaccharidoses

 result from accumulation of 

mucopolysaccharides in many tissues including liver, 
spleen, heart, blood vessels, brain, cornea, and joints. 
Affected patients in all forms have coarse facial features. 
In Hurler syndrome there is corneal clouding, coronary 
arterial and valvular depositions, and death in childhood. 
Hunter syndrome has a milder course. 
 

4- Glycogen Storage Diseases 

Inherited deficiency of enzymes involved in glycogen 
metabolism can result in storage of normal or abnormal 
forms of glycogen, predominantly in liver or muscles or 
in all tissues. 

a)  Hepatic form (von Gierke disease), liver cells store 

glycogen because of a lack of hepatic glucose-6-
phosphatase. 

b)  There are several myopathic forms, including McArdle 

disease, in which muscle phosphorylase lack gives rise to 
storage in skeletal muscles and cramps after exercise. 

c)  In Pompe disease there is lack of lysosomal acid maltase, 

and all organs are affected but heart involvement is 
predominant.  
 

D- Diseases Caused by Mutations in Proteins 
That Regulate Cell Growth 
 

 

  There are two classes of genes, proto-oncogenes and 

tumor suppressor genes regulate normal cell growth and 
differentiation.  

  Mutations affecting these genes, most often in somatic 

cells, are involved in the pathogenesis of tumors. In 
approximately 5% of all cancers, however, mutations 
affecting certain tumor suppressor genes are present in all 
cells of the body, including germ cells, and hence can be 
transmitted to the offspring. These mutant genes 
predispose the offspring to hereditary tumors. 

 
 

 


background image

Unit 6: Genetic and Pediatric Diseases

 

 

 

201

 

II- Genetic disorders arising from 

chromosomal aberrations (numeric   

or structural abnormalities in the 

chromosomes) - Cytogenetic disorders 

 

It is estimated that approximately one of 200 newborn 
infants has some form of chromosomal abnormality. The 
figure is much higher in fetuses that do not survive to 
term. It is estimated that in 50% of first-trimester 
abortions, the fetus has a chromosomal abnormality. 
Cytogenetic disorders may result from alterations in the 
number or structure of chromosomes and may affect 
autosomes or sex chromosomes. 
 

Numeric Abnormalities 

  In humans, the normal chromosome count is 46 (i.e., 2n = 46) 

  euploid. Any exact multiple of the haploid number (n.).  

  Chromosome numbers such as 3n and 4n are called 

polyploid. Polyploidy generally results in a spontaneous 
abortion.  

  aneuploid Any number that is not an exact multiple of n.  

The chief cause of aneuploidy is 

1-  Nondisjunction of a homologous pair of chromosomes at 

the first meiotic division or a failure of sister chromatids 
to separate during the second meiotic division.  

2-   Failure of pairing of homologous chromosomes followed 

by random assortment (anaphase lag) can also lead to 
aneuploidy.  

  When nondisjunction occurs at the time of meiosis, the 

gametes formed have either an extra chromosome (n + 1) 
or one less chromosome (n - 1). Fertilization of such 
gametes by normal gametes would result in two types of 
zygotes: trisomic, with an extra chromosome (2n + 1), or 
monosomic (2n - 1).  

  Monosomy involving an autosome is incompatible with 

life, whereas trisomies of certain autosomes & monosomy 
involving sex chromosomes are compatible with life  

  Mosaicism is a term used to describe the presence of two 

or more populations of cells in the same individual. 

 

Structural abnormalities 

I) Cytogenetic Disorders Involving Autosomes  

Trisomy 21 (Down Syndrome) 

Is the most common of the chromosomal disorders. 
Types of chromosomal abnormalities 

1-  95% of affected persons have trisomy 21 die to meiotic 

nondisjunction, so their chromosome count is 47. The 

parents of such children have a normal karyotype and are 
normal in all respects.  
Maternal age has a strong influence
 on the incidence of 
Down syndrome. It occurs in 1 in 1550 live births in 
women younger than 20 years, in contrast to 1 in 25 live 
births in women older than 45 years

2-  4% of all patients with trisomy 21, the extra chromosomal 

material is present not as an extra chromosome but as a 
translocation of the long arm of chromosome 21 to 
chromosome 22 or 14. Such cases are frequently (but not 
always) familial

3-  Approximately 1% of trisomy 21 patients are mosaics, 

usually having a mixture of 46- and 47-chromosome cells. 

 

 

 

 
Clinical features of Down syndrome. 

1-  Epicanthic folds and flat facial profile
2-  
Trisomy 21 is a leading cause of mental retardation. 
3-  
40% of patients with trisomy 21 have cardiac 

malformations

4-  Serious infections are another important cause of 

morbidity and mortality

5-  The chromosomal imbalance, in some undefined manner, 

also increases the person's risk of developing acute 
leukemias,
 particularly acute megakaryocytic leukemia

 

Prognosis 

1-  Improved remarkably in the recent past as a result of 

better control of infections. Currently, the median age at 
death is 47 years.  

2-  Most of those who survive into middle age develop 

histologic, metabolic, and neurochemical changes of 
Alzheimer disease. Many develop frank dementia. 

 

Chromosome 22q11.2 Deletion Syndrome 

  Chromosome 22q11.2 syndrome encompasses a spectrum 

of disorders that result from a small interstitial deletion of 
band 11 on the long arm of chromosome 22. 


background image

Unit 6: Genetic and Pediatric Diseases

 

 

 

201

 

  The clinical features of this deletion include  

1-  Congenital heart disease affecting the outflow tracts. 
2-   Abnormalities of the palate. 
3-  
Facial dysmorphism. 
4-  
Developmental delay. 
5-  
Thymic hypoplasia with impaired T-cell immunity. 
6-  
Parathyroid hypoplasia causing hypocalcemia. 

Previously, these clinical features were believed to 
represent two different disorders: DiGeorge syndrome 
and velocardiofacial syndrome.
 
1.  DiGeorge syndrome (thymic hypoplasia with 

diminished T-cell immunity and parathyroid 
hypoplasia with hypocalcemia) . 

2.  velocardiofacial syndrome (congenital heart disease 

affecting outflow tracts, facial dysmorphism, and 
developmental delay). 

 

Patau syndrome (Trisomy 13) 

Trisomy 13 type: 47,xx,+13 
Translocation type: 46, xx,+13 (13;14)(q10;q10) 
Mosaic 46 xx/47xx=13 

 

Edward Syndrome (Trisomy 18) 

Trisomy 18ype: 47,xx,+18 
Mosaic 46, xx/47,xx,+18 
 

II) Cytogenetic disorders involving sex chromosomes  

Klinefelter Syndrome 

This syndrome is best defined as male hypogonadism that 
develops when there are at least two X chromosomes and 
one or more Y chromosomes.  

 

Abnormalities  

1-  Most patients are 47,XXY. This karyotype results from 

nondisjunction of sex chromosomes during meiosis. The 
extra X chromosome may be of either maternal or 
paternal origin. Advanced maternal age and a history of 
irradiation of either parent may contribute to the meiotic 
error resulting in this condition.  

2-  Approximately 15% of patients show mosaic patterns, 

including 46,XY/47,XXY, 47,XXY/48,XXXY, and 
variations on this theme.  
The presence of a 46,XY line in mosaics is usually 
associated with a milder clinical condition. 

 

Clinical manifestation 

1-  In some it may be expressed only as hypogonadism, 
2-  Most patients have a distinctive body habitus with an 

increase in length between the soles and the pubic bone, 
which creates the appearance of an elongated body. Also 
characteristic is eunuchoid body habitus.  

3-  Reduced facial, body, and pubic hair and gynecomastia 

are also frequently noted.  

4-  The testes are markedly reduced in size, sometimes to 

only 2 cm in greatest dimension. Along with the testicular 
atrophy,
 the serutestosterone  levels are lower than 
normal and urinary gonadotropin levels are elevated. 

5-  Rarely patients are fertile. 
6-  Klinefelter syndrome may be associated with mental 

retardation, the degree of intellectual impairment is 
typically mild and in some cases is undetectable. 

7-  Patients with Klinefelter syndrome have several associated 

disorders, such as breast cancer (20 times more common 
than in normal males), extragonadal germ cell tumors and 
autoimmune diseases such as systemic lupus erythematosus 
 

Turner Syndrome 

Turner syndrome, characterized by primary hypogonadism 
in phenotypic females, results from partial or complete 
monosomy of the short arm of the X chromosome. 

 

Abnormalities 

A-  The entire X chromosome is missing in 57% of patients, 

resulting in a 45,X karyotype. These patients are the most 
severely affected, and the diagnosis can often be made at 
birth or early in childhood.  

 

Clinical features 

1-  Significant growth retardation, leading to abnormally 

short stature (below third percentile);  

2-  Swelling of the nape of the neck due to distended 

lymphatic channels (in infancy) that is seen as webbing of 
the neck in older children;  

3-  Low posterior hairline;  
4-  Cubitus valgus (an increase in the carrying angle of the 

arms);  

5-  Shieldlike chest with widely spaced nipples;  
6-  High-arched palate; 
7-   Lymphedema of the hands and feet; and a  
8-  Vriety of congenital malformations such as horseshoe 

kidney, bicuspid aortic valve, and coarctation of the aorta. 

9-  Cardiovascular abnormalities are the most common cause 

of death in childhood.  

10-  In adolescence, affected girls fail to develop normal 

secondary sex characteristics; the genitalia remain 
infantile, breast development is minimal, and little pubic 
hair appears.  

11-  Most have primary amenorrhea,  
12-  The mental status of these patients is usually normal 
13-  Hypothyroidism caused by autoantibodies occurs 

especially in women with isochromosome Xp. As many 
as 50% of these develop clinical hypothyroidism. 


background image

Unit 6: Genetic and Pediatric Diseases

 

 

 

201

 

Note: In adult patients, a combination of short stature 
and primary amenorrhea should prompt strong suspicion 
of Turner syndrome.
 The diagnosis is established by 
karyotyping. 

 

B.  Approximately 43% of patients with Turner syndrome 

either are mosaics (one of the cell lines being 45,X) or 
have structural abnormalities of the X chromosome
The most common is deletion of the small arm.  

In contrast to the patients with monosomy X, those who 
are mosaics or have deletion variants may have an 
almost normal appearance and may present only with 
primary amenorrhea.
  

 
 

III- Single-gene disorders with 

atypical patterns of inheritance 

 

Three groups of diseases resulting from mutations 
affecting single genes do not follow the mendelian rules 
of inheritance:  

1-  Diseases caused by triplet-repeat mutations. 
2-  Diseases caused by mutations in mitochondrial genes. 
3-  Diseases associated with genomic imprinting. 

 

1- Triplet-Repeat Mutations:  

  In all cases, gene functions are altered by an expansion of 

the repeats, but the precise threshold at which 
premutations are converted to full mutations differs with 
each disorder. 

  The expansion in fragile X syndrome occurs during 

oogenesis, in other disorders such as Huntington disease, 
premutations are converted to full mutations during 
spermatogenesis. 

  The expansion may involve any part of the gene and can 

be grouped into two broad categories, (figure 2) 

1-  Those that affect untranslated regions (as in fragile X 

syndrome) as the mutations affect noncoding regions, 
there is "loss of function," since protein synthesis is 
suppressed (e.g., FMRP).   

2-  Coding regions (as in Huntington disease). In which the 

mutations involving translated parts of the gene give rise 
to abnormal proteins that interfere with function of 
normal proteins. Many of these so-called gain-of-function 
mutations involve CAG repeats that encode 
polyglutamine tracts, and the resultant diseases are 
sometimes referred to as "polyglutamine diseases," 
affecting primarily the nervous system. Accumulation of 
mutant proteins in aggregates within the cytoplasm is a 
common feature of these diseases.  

Fragile X Syndrome  

  Fragile X syndrome is the prototype of diseases in which 

the mutation is characterized by a long repeating sequence 
of 3 nucleotides.  

  Fragile X syndrome is characterized by  

1-  Mental retardation and an abnormality in the X 

chromosome.  

2-  It is one of the most common causes of familial mental 

retardation.  

Clinical features 

1-  Affected males have moderate to severe mental 

retardation.  

2-  They express a characteristic physical phenotype that 

includes a long face with a large mandible, large everted 
ears, and large testicles (macro-orchidism). Although 
characteristic of fragile X syndrome, these abnormalities 
are not always present or may be quite subtle.  

3-  Sometimes, The only distinctive physical abnormality that 

can be detected in at least 90% of postpubertal males with 
fragile X syndrome is macro-orchidism.   

 

Cytogenitic abnormalities 
Fragile X syndrome results from a mutation in the FMR1 
gene, which maps to Xq27.3.  
Like all X-linked recessive disorders, this disease affects 
males. However, unlike patients with other X-linked 
recessive disorders
, approximately 20% of males who 
are known to carry the fragile X mutation may be 
clinically and cytogenetically normal. These "carrier 
males" can transmit the disease to their grandsons through 
their phenotypically normal daughters. (figure 1) 
Another peculiarity is the presence of mental retardation 
in 50% of carrier females. These unusual features have 
been related to the dynamic nature of the mutation . 
In the normal population, the number of CGG repeats in 
the FMR1 gene is small, averaging around 29, whereas 
affected individuals have 200 to 4000 repeats. These so-
called full mutations are believed to arise through an 
intermediate stage of premutations characterized by 52 to 
200 CGG repeats. Carrier males and females have 
premutations. During oogenesis (but not 
spermatogenesis) the premutations can be converted to 
full mutations by further amplification of the CGG 
repeats, which can then be transmitted to both the sons 
and the daughters of the carrier female. These 
observations provide an explanation for why some carrier 
males are unaffected (they have premutations), and 
certain carrier females are affected (they inherit full 
mutations). Recent studies indicate that premutations are 
not so benign after all. Approximately 30% of females 


background image

Unit 6: Genetic and Pediatric Diseases

 

 

 

220

 

carrying the premutation have premature ovarian failure 
(before the age of 40 years), and about one-third of 
premutation-carrying males exhibit a progressive 
neurodegenerative syndrome starting in their sixth 
decade.
 This syndrome, referred to as fragile X-associated 
tremor/ataxia, is characterized by intention tremors and 
cerebellar ataxia and may progress to parkinsonism. 
However it is clear that the abnormalities in permutation 
carriers are milder and occur later in life. 

 

 

Figure 1: Fragile X pedigree. Note that in the first generation, all 
sons are normal and all females are carriers. During oogenesis in 
the carrier female, premutation expands to full mutation; hence, 
in the next generation, all males who inherit the X with full 
mutation are affected. However, only 50% of females who 
inherit the full mutation are affected, and often only mildly.  

 

The molecular basis of fragile X syndrome (Figure 2) 
 The CGG repeats are located in the 5' untranslated region 
of the FMR1 gene. 

 

 

Figure 2: Sites of expansion & the affected sequence in selected diseases 
caused by nucleotide repeat mutations. UTR, untranslated region 

 
In patients with this disease, the expanded CGG repeats 
are hypermethylated. Methylation then extends up-stream 
into the promoter region, resulting in transcriptional 
silencing of the FMR1 gene.  

 

Function of FMR protein (figure 3) 
The product of the FMR1 gene, called FMR protein 
(FMRP), is widely expressed in normal tissues, but higher 
levels of transcripts are found in the brain and the testis. 
Current evidence suggests that FMRP is an RNA-binding 

protein that is transported from the cytoplasm to the 
nucleus, where it binds specific mRNAs and transports 
them to the axons and dendrites (Figure 3). It is in the 
synapses that FMRP-mRNA complexes perform critical 
roles in regulating the translation of specific mRNAs. The 
absence of this finely coordinated "shuttle" function 
seems to underlie the causation of fragile X syndrome. 
 

 

Figure 3: A model for the action of familial mental retardation 
protein (FMRP) in neurons. 

 

2- Diseases Caused By Mutations in 
Mitochondrial Genes 

 

  Mitochondria contain several genes that encode enzymes 

involved in oxidative phosphorylation. Inheritance of 
mitochondrial DNA differs from that of nuclear DNA in 
that the former (mitochondrial DNA) is associated with 
maternal inheritance.  

  The reason for this peculiarity is that ova contain 

mitochondria within their abundant cytoplasm, whereas 
spermatozoa contain few, if any, mitochondria. Hence, the 
mitochondrial DNA complement of the zygote is derived 
entirely from the ovum. Thus, mothers transmit 

mitochondrial genes to all of their offspring, both male 
and female;
 however, daughters but not sons transmit 
the DNA further to their progeny.  

  Diseases caused by mutations in mitochondrial genes are 

rare. Because mitochondrial DNA encodes enzymes 
involved in oxidative phosphorylation, diseases caused by 
mutations in such genes affect organs most dependent on 
oxidative phosphorylation (skeletal muscle, heart, brain). 
Leber hereditary optic neuropathy is the prototypical 
disorder in this group. This neurodegenerative disease 
manifests itself as progressive bilateral loss of central 
vision that leads in due course to blindness.  

 

 
 


background image

Unit 6: Genetic and Pediatric Diseases

 

 

 

222

 

3- Diseases Caused by Alterations of 
Imprinted Regions (Genomic Imprinting) 

 

  All humans inherit two copies of each gene, carried on 

homologous maternal and paternal chromosomes. It has 
usually been assumed that there is no difference between 
normal homologous genes derived from the mother or the 
father. Indeed, this is true for many genes. However, it 
has now been established that with respect to some genes, 
functional differences exist between the paternal and 
the maternal genes.
  

  These differences arise from an epigenetic process called 

genomic imprinting, whereby certain genes are differentially 
"inactivated" during paternal & maternal gametogenesis. 
Thus, maternal imprinting refers to transcriptional silencing 
of the maternal allele, whereas paternal imprinting implies 
that the paternal allele is inactivated. Imprinting occurs in 
ovum or sperm and is then stably transmitted to all somatic 
cells derived from the zygote. 

 

1-  Prader-Willi syndrome (figure 4) 

It is characterized by mental retardation, short stature, 
hypotonia, obesity, small hands and feet, and 
hypogonadism.  
In 60% to 75% of cases, an interstitial deletion of band 
q12 in the long arm of chromosome 15 [i.e., 
del(15)(q11;q13)] can be detected. It is striking that in all 
cases the deletion affects the paternally derived 
chromosome 15
.  
 

2-  Angelman syndrome (happy puppet syndrome)  

  It is characterized by mental retardation, with ataxic gait, 

seizures, and inappropriate laughter. Because of the 
laughter and ataxia, this syndrome is also called the happy 
puppet syndrome.
 A comparison of these two syndromes 
clearly demonstrates the "parent-of-origin" effects on 
gene function.  

  An interstitial deletion of band q12 in the long arm of 

chromosome 15  

  It is striking that in all cases the deletion affects the 

maternally derived chromosome 15.  

  The Angelman syndrome gene (imprinted on paternal 

chromosome) is now known to encode a ligase that has a 
role in the ubiquitin-proteasome proteolytic pathway . 

  This gene, called UBE3A, is expressed primarily from the 

maternal allele in specific regions of the normal brain.  

  In Angelman syndrome, UBE3A is not expressed in 

these areas of the brain-hence the neurologic disorder.  
 

 

Figure 4: Genetics of Angelman and Prader-Willi syndromes. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

Unit 6: Genetic and Pediatric Diseases

 

 

 

221

 

PEDIATRIC DISEASES

 

 

 

Tumors and tumor-like lesions 
of infancy and childhood 

 

  Malignant neoplasms are the second most common cause 

of death in children between the ages of 4 and 14 years 
Benign tumors are even more common than are cancers. 

 

  Heterotopia or choristoma refers to microscopically 

normal cells or tissues that are present in abnormal 
locations. Examples include a pancreatic tissue "rest" 
found in the wall of the stomach or small intestine, or a 
small mass of adrenal cells found in the kidney, lungs, 
ovaries, or elsewhere.  

  Hamartoma refers to an excessive but focal overgrowth 

of cells and tissues native to the organ in which it occurs.  
Although the cellular elements are mature and identical to 
those found in the remainder of the organ, they do not 
reproduce the normal architecture of the surrounding tissue. 
Hamartomas can be thought of as the linkage between 
malformations and neoplasms. Hemangiomas, 
lymphangiomas, rhabdomyomas of the heart, and 
adenomas of the liver are considered by some to be 
hamartomas and by others to be true neoplasms. 
 

Benign Tumors 

1) 

Hemangiomas

  

  Is a benign and usually self-involuting tumor (swelling 

or growth) of thendothelia

l

 cells that line blood vessels  

  Are the most common tumors of infancy.  

Both cavernous and capillary hemangiomas may be 
encountered  

  In children most hemangiomas are located in the skin, 

particularly on the face and scalp, where they produce flat 
to elevated, irregular, red-blue masses; the flat, larger 
lesions are referred to as port wine stains.  

  Hemangiomas may enlarge as the child gets older, but in 

many instances they spontaneously regress.  

  The vast majority of superficial hemangiomas have no 

more than a cosmetic significance; rarely, they may be 
the manifestation of a hereditary disorder
 associated 
with disease within internal organs, such as the von 
Hippel-Lindau and Sturge-Weber syndromes. 

2) 

Lymphangiomas

  

  Represent the lymphatic counterpart of hemangiomas. 

  They are characterized by cystic and cavernous spaces 

lined by endothelial cells and surrounded by lymphoid 
aggregates; the spaces usually contain pale fluid.  

  They may occur on the skin but, more importantly, are 

also encountered in the deeper regions of the neck, axilla, 
mediastinum, and retroperitoneum.  

  Though histologically benign, they tend to increase in size 

after birth and may encroach on mediastinal structures or 
nerve trunks in axilla. 

3) Sacrococcygeal teratomas 

Are the most common germ cell tumors of childhood, 
accounting for 40% or more of cases. 
Approximately 10% of sacrococcygeal teratomas are 
associated with congenital anomalies, primarily defects of 
the hindgut and cloacal region and other midline defects 
(e.g., meningocele, spina bifida) not believed to result 
from local effects of the tumor. Approximately 75% of 
these tumors are histologically mature with a benign 
course, and about 12% are unmistakably malignant and 
lethal. The remainder is designated immature teratomas, 
and their malignant potential correlates with the amount 
of immature tissue elements present. Most of the benign 
teratomas are encountered in younger infants (<4 
months), whereas children with malignant lesions tend to 
be somewhat older. 
 

Malignant Tumors 

The organ systems involved most commonly by 
malignant neoplasms in infancy and childhood include the 
hematopoietic system, neural tissue, and soft. 
Malignant tumors of infancy and childhood differ 
biologically and histologically from those in adults. The 
main differences are as follows: 

1)  Relatively frequent demonstration of a close relationship 

between abnormal development (teratogenesis) and tumor 
induction (oncogenesis). 

2)  Prevalence of constitutional genetic abnormalities or 

syndromes that predispose to cancerTendency of fetal and 
neonatal malignancies to spontaneously regress or undergo 
"differentiation" into mature elements Improved survival or 
cure of many childhood tumors, so that more attention is 
now being paid to minimizing the adverse delayed effects 
of chemotherapy and radiotherapy in survivors, including 
the development of second malignancies. 

 

  Neuroblastoma 

  The term "neuroblastic tumor" includes tumors of the 

sympathetic ganglia and adrenal medulla that are derived 


background image

Unit 6: Genetic and Pediatric Diseases

 

 

 

221

 

from primordial neural crest cells populating these sites; 
neuroblastoma is the most important member of this 
family. 

  It is the second most common solid malignancy of 

childhood after brain tumors, accounting for 7% to 10% 
of all pediatric neoplasms, and as many as 50% of 
malignancies diagnosed in infancy.  

  Neuroblastomas demonstrate several unique features in 

their natural history, including spontaneous regression 
and spontaneous- or therapy-induced maturation
.  

  Most occur sporadically, the neoplasms may involve both 

of the adrenals or multiple primary autonomic sites. 

  Few are familial with autosomal dominant transmission. 

 

Factors influence prognosis 

1)  The stage of the tumorExample, stage 4S (S means 

special), because the outlook for these patients is 
excellent, despite the spread of disease. 

2)  The age of the patientchildren younger than 1 year have 

a much more favorable outlook than do older children at a 
comparable stage of disease.  

3)  Morphology is an independent prognostic variable in 

neuroblastic tumors; evidence of schwannian stroma and 
gangliocytic differentiation is indicative of a "favorable" 
histology.  

4)  Amplification of the MYCN oncogene in neuroblastomas 

is a molecular event that has profound impact on 
prognosis. MYCN amplification is present in about 25% to 
30% of primary tumors, most in advanced-stage disease; 
the greater the number of copies, the worse the prognosis.  

5)  Deletion of the distal short arm of chromosome 1, gain of 

the distal long arm of chromosome 17 and overexpression 
of telomerase are all adverse prognostic factors.  

6)  Expression of TrkA, a high-affinity receptor for nerve 

growth factor that is indicative of differentiation toward 
sympathetic ganglia lineage, is associated with favorable 
prognosis. 

o  The most important factors for the prognosis are the 

age of the patient and stage of the tumor 
 

Clinical Course  

o  Children younger than 2 years with neuroblastomas 

generally present with protuberant abdomen resulting 
from an abdominal mass, fever, and weight loss.  
In older children the neuroblastomas may remain 
unnoticed until metastases cause hepatomegaly, ascites, 
and bone pain.  

o  Neuroblastomas may metastasize widely through the 

hematogenous and lymphatic systems, particularly to 
liver, lungs, and bones, in addition to the bone marrow. 

o  In neonates, disseminated neuroblastomas may present 

with multiple cutaneous metastases with deep blue 
discoloration to the skin (earning the rather unfortunate 
moniker of "blueberry muffin baby").  

o  About 90% of neuroblastomas, regardless of location, 

produce catecholamines (similar to the catecholamines 
associated with pheochromocytomas), which are an 
important diagnostic feature (i.e., elevated blood levels 
of catecholamines and elevated urine levels of 
catecholamine metabolites such as vanillylmandelic acid 
[VMA] and homovanillic acid [HVA]). Despite the 
elaboration of catecholamines, hypertension is much less 
frequent with these neoplasms than with 
pheochromocytomas. 
 

  Retinoblastoma 

  Retinoblastoma is believed to arise from a cell of 

neuroepithelial origin, usually in the posterior retina 

1)  Retinoblastoma is the most common malignant eye tumor 

of childhood.  

2)  Retinoblastoma frequently occurs as a congenital tumor, 
3)  It can be multifocal and bilateral,  
4)  It undergoes spontaneous regression, and  
5)  Patients have a high incidence of second primary tumors.  
6)  The incidence decreases with age, most cases being 

diagnosed before the age of 4 years. 

  Retinoblastomas occur in both familial and sporadic 

patterns. Familial cases typically develop multiple 
tumors that are bilateral, although they may be unifocal 
and unilateral. Patients with familial retinoblastoma are 
also at increased risk for developing osteosarcoma and 
other soft tissue tumors. All sporadic non heritable tumors 
are unilateral and unifocal. 

  Approximately 60% to 70% of the tumors are associated 

with a germline mutation in the RB1 gene and are hence 
heritable
30% to 40% of the tumors develop sporadically, and these 
have somatic RB1 gene mutations. 

 
Clinical Features 
The median age at presentation is 2 years, although the 
tumor may be present at birth. The presenting findings 
include poor vision, strabismus, a whitish hue to the pupil 
("cat's eye reflex"), and pain and tenderness in the eye.  

 
Prognosis 
Untreated, the tumors are usually fatal, but after early 
treatment with enucleation, chemotherapy, and 
radiotherapy, survival is the rule.  
Some tumors spontaneously regress. 


background image

Unit 6: Genetic and Pediatric Diseases

 

 

 

221

 

  Wilms' Tumor 

  Wilms' tumor, or nephroblastoma, is the most common 

primary tumor of the kidney in children.  

  Most cases occur in children between 2 & 5 years of age.  

  This tumor illustrates several important concepts of 

childhood tumors: 
1)  The relationship between congenital malformation and 

increased risk of tumors, 

2)   The histologic similarity between tumor and 

developing organ, and finally,  

3)  The remarkable success in the treatment of childhood 

tumors. 

 

Three groups of congenital malformations are 
associated with an increased risk of developing 
Wilms' tumor; 

1)  Patients with the WAGR syndrome, characterized by 

aniridia, genital abnormalities, and mental retardation, 
have a 33% chance of developing Wilms' tumor.  

2)  Another group of patients, those with the so-called Denys-

Drash syndrome (DDS) also has an extremely high risk 
(

90%) of developing Wilms' tumor. This syndrome is 

characterized by gonadal dysgenesis and renal 
abnormalities. Both of these conditions (WAGR,DDS) 
are associated with abnormalities of the Wilms' tumor 1 
(WT1
) genelocated on chromosome 11p13 

o  The nature of genetic aberration differs, however. Patients 

with WAGR syndrome demonstrate loss of genetic 
material (i.e., deletions) of WT1
, and individuals with 
DDS harbor a dominant negative inactivating mutation 
in a critical region of the gene. (A dominant negative 
mutation interferes with the function of the remaining 
wild-type allele.)  

o  The WT1 gene is critical to normal renal and gonadal 

development; inactivation of one copy of this gene results 
in genitourinary abnormalities in humans.  

3)  A third group of patients, those with the Beckwith-

Wiedemann syndrome (BWS), also has an increased risk 
of developing Wilms' tumor. These patients have 
enlargement of individual body organs (e.g., tongue, 
kidneys, or liver) or entire body segments 
(hemihypertrophy); enlargement of adrenal cortical cells 
(adrenal cytomegaly) is a characteristic microscopic 
feature.  

BWS is an example of a disorder of genomic imprinting
The genetic locus that is involved in these patients is in 
band p15.5 of chromosome 11 distal to the WT1 locus. 
This region contains at least 10 genes that are normally 
expressed from only one of the two parental alleles, with 
transcriptional silencing of the other parental homologue . 

One of the candidate genes in this region-insulin-like 
growth factor-2 (IGF2) is normally expressed solely from 
the paternal allele, while the maternal allele is imprinted 
(i.e., silenced). In some Wilms' tumors, loss of imprinting 
(i.e., re-expression of IGF2 by the maternal allele) can be 
demonstrated, leading to overexpression of the IGF2 
protein, which is postulated to result in both organ 
enlargement and tumorigenesis.

 




رفعت المحاضرة من قبل: Mostafa Altae
المشاهدات: لقد قام 7 أعضاء و 140 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل