مواضيع المحاضرة:
background image

Unit 2 - Molecular and genetic factors in disease

 

 

 

13 

Lecture 3 – 

Clinical Presentation of Diseases with 

molecular defect 

1. Inborn errors of metabolism 

Inborn errors of metabolism (IEM) are caused by 
mutations that disrupt the normal function of a 
biochemical pathway. Most IEM are due to autosomal or 
X-linked recessive loss-of-function mutations in genes 
encoding specific enzymes or enzymatic co-factors. 
Knowledge of the biochemical pathway involved means 
that specific blocks have predictable consequences, 
including deficiency 
of the end product and build-up of intermediary 
compounds. Many hundreds of different IEM have been 
identified and. Most IEM are restricted to paediatric 
practice; however, a growing number may now present 
during adult life and some of these are discussed below: 

 

 

Intoxicating IEM 

 

A subgroup of IEM, termed ‘intoxicating IEM’, can present 
as a sudden deterioration in a previously well individual. 
Such deteriorations are usually precipitated by some form 
of stress, such as infection, pregnancy, exercise or changes 
in diet. The intoxication is due to the build-up of 
accumulation of intermediary compounds, which will vary 
according to the pathway involved. For example, in urea 
cycle disorders ammonia is the toxic substance 

  The intoxication is often associated with derangement of 

the acid–base balance and, if not recognised and 
treated,will often proceed to multi-organ failure, coma 
and death.  

  The diagnosis of these disorders requires specialist 

biochemical analysis of blood and/or urine. 

  Treatment relies on removal of the toxic substance using 

haemodialysis or chemical conjugation, and prevention of 
further accumulation by restricting intake of the precursors: 
as  total protein restriction in urea cycle disorders 

 

Mitochondrial disorders 

Disorders of energy production are the most common type 
of IEM presenting in adult life  
The tissues that are most commonly affected in this group 
of disorders are those with the highest metabolic energy 
requirements, such as muscle, heart, retina and brain.  
Therapy in this group of disorders is based on giving 
antioxidants as vitamin C and co-factors that can improve 
the function of the respiratory chain. 

 

 

Storage disorders 

  Storage disorders are most commonly caused by loss-of 

function mutations affecting enzymes involved in 
lysosomal degradation pathways.  

  The clinical consequences depend on the specific enzyme 

involved. For example: 

  Niemann–Pick disease type C is caused by autosomal 

recessive loss-of function mutations in either the NPC1 or 
NPC2 gene. 

  These results in hepatosplenomegaly, dysphagia, loss of 

speech, early dementia, spasticity, An increasing number of 
storage disorders are treatable with enzyme replacement 
therapy, making awareness and diagnosis more important. 
 

2. Neurological disorders: 

Progressive neurological deterioration is one of the most 
common presentations.These diseases are mostly 
autosomal dominant , examples would be early-onset 
familial forms of dementia, Parkinson’s disease , 
Huntington disease The triplet repeat disorders cause an 
interesting group of syndromes and have specific features  

 

Huntington disease: 

  Huntington disease (HD) is   triplet repeat disorders. This 

condition can present with  
  a movement disorder or 
  weight loss or  
  psychiatric symptoms (depression, psychosis, dementia) 
  Or with a combination of all three.  

  The disease is the result of a [CAG] triplet repeat 

expansion mutation in the HD gene on chromosome 4. 
Since CAG is a codon for glutamine, the mutation 
probably leads to gain of function, as deletions of the gene 
do not cause HD, expansion of the repeat to above the 
normal range results in neurological disease.  

  The severity of disease and age at onset are related to the 

repeat length. In HD, atrophy of the caudate nuclei is 
obvious on magnetic resonance imaging (MRI) of the 
brain, and in later stages cerebral atrophy is also apparent.  

  There is currently no therapy that will alter the 

progression of the disease, which will often be the cause 
of the patient’s death.  

  Within families there is a tendency for disease severity to 

increase and age at onset to fall due to further expansion 
of the repeat, a phenomenon known as anticipation. The 
mutation is more likely to expand through the male germ 
line than through female.  

 

 


background image

Unit 2 - Molecular and genetic factors in disease

 

 

 

14 

3. Connective tissue disorders 

  Mutations in different types of collagen, fibrillin &elastin. 

Make up the majority of connective tissue disorders. 

  The clinical features of these disorders vary, depending on 

the structural function and tissue distribution of the 
protein which is mutated.  

  For example, autosomal dominant loss-of-function 

mutations in the gene encoding elastin cause either 
supravalvular aortic stenosis,  The most commonly 
involved systems are: 
  skin (increased or decreased elasticity, poor wound 

healing) 

  eyes (myopia, lens dislocation) 
  blood vessels (vascular fragility) 
  bones (osteoporosis, skeletal dysplasia) 

 

joints (hypermobility, dislocation, arthropathy

 

4. Learning disability, dysmorphism & 
malformations 

 

  Congenital cognitive impairment (also called mental 

handicap or learning disability) affects about 3% of the 
population.  

 

There are important ‘environmental & Genetic’ causes of 
cognitive impairment, including: 
  teratogen exposure during pregnancy 

(alcohol,anticonvulsants) 

  Congenital infections (cytomegalovirus, rubella, 

toxoplasmosis, syphilis) 

  premature delivery (intraventricular haemorrhage) 
  Birth injury (hypoxic encephalopathy). 

  Genetic disorders that contribute to the etiology of 

cognitive impairment are (Chromosome disorders & 

dysmorphic syndromes) 

 

 

Chromosome disorders 

Any significant gain or loss of autosomal chromosomal 
material (aneuploidy) usually results in learning disability 
and other phenotypic abnormalities, Down’s syndrome is 
the best known of these disorders, The DNA analysis can 
identify causative structural chromosome abnormalities in 
10–25% of cases of significant learning disability. 

 

Dysmorphic syndromes

 

Almost all dysmorphic syndromes are characterized by 
the occurrence of cognitive impairment, malformations 
and a distinctive facial appearance associated with various 
other clinical features.  
Making the correct diagnosis is important, as it has 
implications on immediate patient management, detection 

of future complications and assessment of recurrence risks 
in the family. 
Clinical examination remains the mainstay of diagnosis 
and the patient often needs to be evaluated by a clinician 
who specializes in the diagnosis of these syndromes. 
The differential diagnosis in dysmorphic syndromes is 
often very wide and this has resulted in computer aided 
diagnosis becoming an established clinical tool. 
The clinical diagnosis may then be confirmed by specific 
genetic investigations, as the genetic basis of a wide range 
of dysmorphic syndromes has been identified. 
 

5. Familial cancer syndromes 

  Most cancers are not inherited but occur as the result of an 

accumulation of somatic mutation. However some 
families are prone to one or more specific types of cancer 
affected individuals tend to present with: 
Tumors at an early age and are more likely to have 
multiple primary foci of carcinogenesis. 

  Example 

Hereditary non-polyposis colorectal cancer 

Hereditary non-polyposis colorectal cancer (HNPCC) is 
an autosomal dominant disorder with mutations can occur 
in several different genes encoding proteins involved in 
DNA mismatch repair that presents with early onset 
familial colon cancer, particularly affecting the proximal 
colon. Other cancers, such as endometrial cancer, are 
often observed in affected families. 

Familial breast cancer 

Familial breast cancer is an autosomal dominant disorder 
that is most often due to mutations in genes encoding 
either BRCA1 or BRCA2. Both these proteins are involved 
in DNA repair. Individuals who carry a BRCA1 or BRCA2 
mutation are at high risk of early-onset breast and ovarian 
tumours, and require regular screening for both these 
conditions. Many affected women will  do Prophylactic 
bilateral mastectomy and oophorectomy. 

 
 
 
 
 
 
 
 


background image

Unit 2 - Molecular and genetic factors in disease

 

 

 

15 

General principles of diagnosis 

 

Diagnosis can be made by a careful clinical history and 
examination and an awareness and knowledge of rare 
disease entities. Although DNA-based diagnostic tools are 
now widely used, it is important to be aware that not all 
diagnostic genetic tests involve analysis  of DNA. For 
example, a renal ultrasound can detect adult polycystic 
kidney disease. By definition, all genetic testing (whether 
it is DNA-based or not) has implications both for the 
patient and for other members of the family.  
 

1. Clinical history and examination including 
constructing a family tree 

The family tree—or pedigree—is a  three-generation 
family history it may reveal important genetic information 
of relevance to the presenting complaint, particularly 
relating to cancer. A pedigree must include details 

  from both sides of the family 

  any history of pregnancy loss or infant death,  

  consanguinity,  

  Details of all medical conditions in family members.  

  dates of birth and 

  Age at death. 

 

2. Non DNA-based diagnostic tools: 

It may sometimes be more economical or convenient to 
measure enzyme activity rather than sequencing the 
coding region of the genes involved. 

  Haemoglobinopathy  as  sickle-cell disease can be 

diagnosed by  haemoglobin electrophoresis 

  Immune deficiencies  as hypogammaglobulinaemia  can 

be diagnosed by Ig levels,  Complement levels  

  Inborn errors of metabolism e.g. phenylketonuria can 

be diagnosed by   Enzyme assays, amino acid levels  

  Endocrine disease e.g. congenital adrenal hyperplasia by  

Hormone levels, enzyme assays  

  Renal disease can be diagnosed by e.g. polycystic kidney 

can be diagnosed by Radiology, renal biopsy 
 

3. DNA-based diagnostic tools 

Polymerase chain reaction (PCR) and DNA sequencing: 
 PCR involves amplification of DNA from small 
quantities of starting material
. It is the most important 
technique in DNA diagnostic analysis. Almost any tissue 
can be used to extract DNA for PCR analysis, but most 
commonly, a sample of peripheral blood is used. The 
ability to determine the exact sequence of a fragment of 

DNA amplified by PCR is also of critical importance in 
DNA diagnostics. 
 

(( 

 

لالطالع: To detect the mutant gene, two primers (lengths of a 

single stranded DNA made complementary to part of the 
gene to be tested
 that bind to the 3' and 5'  ends of the normal 
sequence are designed. By using appropriate DNA polymerases 
(enzymes that build up DNA strand based on its complementary 
strand) and thermal cycling, the DNA between the primers is 
greatly amplified, producing millions of copies of the DNA 
between the two primer sites. The amplified normal DNA and 
patient's DNA are then digested with a restriction enzyme that 
cuts the amplified DNA into pieces of known sizes e.g. the 
normal DNA yields three fragments (67 base pairs, 37 base 
pairs, and 163 base pairs long); by contrast, the patient's DNA 
yields only two products, an abnormal fragment that is 200 base 
pairs (instead of two pairs of 37 and 163 b.p.) and a normal 
fragment that is 67 base pairs long. These DNA fragments can  
determind by gel electrophoresis (by which we can separate 
DNA bands or pieces according to their molecular weight) 
and 
then visualized after staining with  special stain under ultraviolet 
light..  
 

Hybridization:  

  This is a procedure used in the diagnosis of genetic and 

other pathologies as well as in the diagnosis of cancer.  

  It is based on the fact that the two DNA strands are not 

identical but complementary.  

  The test is performed by adding a synthetic, single 

stranded DNA sequence (called a probe) [that is made 
complementary to a specific region of DNA under study 
and is being labeled with a specific dye] to the double 
stranded DNA from the patient (after making it single 
stranded by a process called denaturation). If the probe 
found its complementary region along the patient's DNA, 
it'll combine (hybridize) to it and starts emitting a color or 
"fluoresce". This emitted color can be detected using a 
UV-microscope.  

  This procedure forms the basis of what is known as 

fluorescent in situ hybridization (FISH).  

  Nevertheless, this procedure cannot detect single point 

mutations or even addition / deletion of 2 or more 
nucleotide bases.  

  So, the technique used for detection of such smaller 

defects is usually DNA-based; the most representative and 
most commonly used one is polymerase chain reaction 
(PCR) that revolutionalized the diagnostic ability of 
genetic testing. Most new techniques used nowadays are 
PCR-based. 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Mostafa Altae
المشاهدات: لقد قام 6 أعضاء و 76 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