Mitochondriální DNA - Ústav dědičných metabolických poruch

Dědičná mitochondriální
onemocnění
a poruchy mitochondriální beta
oxidace mastných kyselin
Pavel Ješina
Ústav dědičných metabolických poruch
1.LF UK, VFN
Metabolická jednotka
Klinika dětského a dorostového lékařství
VFN 1.LF UK
Mitochondrie - struktura
Struktura mitochondrií
OXPHOS (systém oxidativní fosforylace)
Dýchací řetězec
Produkce ATP – molekula pro přenos energie v buňce
aerobní oxidace v mitochondriích v eukaryotních buňkách
fotosyntéza
(glykolýza a cyklus kyseliny citronové)
ATP – adenosine triphosphate
Metabolické dráhy v mitochondriích
 Krebsův cyklus
 oxidace
 Ketogeneze
 Močovinový cyklus
 Syntéza hemu a porfyrinů
…
Mitochondriální transportní systém
 cykly pro přenos transport NADH.H+
 malát-aspartátový cyklus
 glycerolfosfátový cyklus
 přenašeče pro substráty a produkty metab. drah
probíhajících v mitochondriích
 ADP-ATP transokátor
 import proteinů
Oxidativní fosforylace
43
4
11
13
16
podjednotek
Superkomplexy
Tkáňová specifita
(játra, srdce, hnědý tuk ...)
Ontogenetické změny
(perinatální vývoj, ...)
Mitochondriální onemocnění
porucha mitochondriální respirační funkce
jaderné geny
geny kodované mitochondriální DNA mtDNA
Deficity enzymů respiračního řetězce
Deficity enzymů cyklu kyseliny citronové a pyruvátového
metabolismu
Poruchy mitochondriální fůze a dělení
Konzervativní odhad incidence : 12/100 000
1/4 000
ncDNA
NUCLEUS
mRNA
CYTOSOL
prekursor
OXPHOS
komplex
nc podjednotka
mt podjednotka
MATRIX
mRNA
mtDNA
> 70 nc OXPHOS podjednotek
13 mt OXPHOS podjednotek
26 asemblačních proteinů
~ 150 „biogenesis“ proteinů
Genetické příčiny mitochondriálních chorob
mtDNA
nDNA




 podjednotky OXPHOS
 mt biosyntetický aparát
podjednotky OXPHOS
rRNA
tRNA
množství mtDNA


OXPHOS defekt
(replikace, transkripce,
translace)
import a modifikace
proteinů
asemblační faktory
Mitochondriální choroby
 1962
 1963
 1970
 1974
 1979
 1981
 1988
 2000
Luft R, et al
Luftova nemoc
Nass S, Nass MHK DNA v mitochondriích
Spiro AJ, et al.
defekt resp. řetězce
Berk AS, Clayton DA replikace mtDNA
Barrell BG, et al
genetický kód mtDNA
Andersson S, et al. sekvence mtDNA
Holt IJ, et al.
delece mtDNA
Wallace DC, et al
bodová mutace mtDNA
www.gen.emory.edu/mitomap.html
> 130 bodových mutací
> 70 typů delecí/duplikací
……… další a další objevy
Mitochondriální DNA
 16 569 párů bazí
 13 mRNA, 2 rRNA; 22 tRNA
 2-20 / mito
 10-10 000 / bb
Mitochondriální choroby
 Frekvence 1:3500 – 1:4000
 Vysoce energeticky závislé orgány
 Mutace v ncDNA i v mtDNA
 13 mRNA, 2 rRNA
 22 tRNA - >100 mutací
 Leu; Lys; Ser
 MELAS; MERRF
Schon et al, 2001
Dědičnost mtDNA mutací

Sporadické mtDNA mutace
jednoduché delece/duplikace

Maternálně děděné mtDNA mutace
bodové mutace
jednoduché delece/duplikace

Autosomálně děděné mtDNA mutace
mnohočetné delece
deplece
Bodové mutace
mtDNA
RFLP
Homoplasmické – 1forma mtDNA
 OXPHOS proteiny (LHON)
Heteroplasmické – 2 formy mtDNA
 tRNA (MERRF, MELAS)
 rRNA (Kardiomyopatie)
 OXPHOS proteiny
Leigh, NARP
LHON
N
P
N
P
Heteroplasmie, mtDNA a nemoci
Symptomy nemocí způsobených mutacemi v mtDNA se často
progresivně zhoršují s věkem. K mitochondriální dysfunkci dochází
když je překročen bioenergetický práh .
Některé orgány jsou zvláště závislé na funkci mitochondrií:
Mozek, kosterní sval, srdeční sval a endokrinní žlázy
Buňky ztrácí respirační funkci až při vysokém podílu patogeních
mtDNA, obvykle 60-90% pro jednotlivé mtDNA mutace
Některé mutantní mtDNA mají replikační výhodu (v porovnaní s
nemutovanou mtDNA).
Inter- a intramitochondriální
heteroplazmie
Segregace mtDNA
Mitochondriální genetické „zúžení“
(Mitochondrial genetic bottleneck)
MOLECULAR MEDICINE TODAY, NOVEMBER 2000 (VOL. 6)
7512T>C mutace v mtDNA
Krev: 68%
Bukální slizn.: 59%
Vlas.folikuly: 73%
Krev: 92%
Bukál.sliznice: 86%
Fibroblasty: 94%
Sval: 95%
Krev: 91%
Fibroblasty: 92%
Sval: 95%
Krev: 93%
Fibroblasty: 94%
Buk.slznice: 92%
Vlas.folikuly: 95%
Krev: 71%
Buk.sliznice: 74%
Vlas.folikuly: 87%
Segregace mtDNA v rodinách s mutacemi NARP
(8993), MELAS (3243) a MERRF (8344).
NARP
MELAS
MELAS
MERRF
MERRF
MERRF
Heterogenita fenotypu
Klinické projevy
OXPHOS
Limitující krok v
OXPHOS
isoenzymy
Biochemický defekt
heteroplasmie
počet podjednotek
počet komplexů
segregace
Mutace
Heterogenita genotypu
Prahový efekt u OXPHOS defektů




0-100% podíl mutované mtDNA
Nelineární vztah mezi heteroplazmií a poruchou
funkce – „recesivní mutace“ tolerance mutací do 8090%
S věkem klesající aktivita OXPHOS
Tkáňová/bb specifita –energetické nároky
Patogenní mechanismy
mutace mtDNA
tvorba
kyslíkových
radikálů
porucha OXPHOS
snížená tvorba
ATP
mutace ncDNA
porucha bb
funkcí
apoptóza
nekróza
buněk
Defektu v mitochondriálním respiračním
řetězci by se měl zvažovat u pacientů, kteří
mají jakoukoli nevysvětlenou kombinaci
neuromuskulárních a/nebo jiných příznaků,
s progredujícím průběhem a postihující
zdánlivě nesouvisející orgány nebo tkáně.
Munnich et al , OMMBD, Chapter 99
“jakýkoli příznak, v
jakomkoli orgánu, v
jakémkoli věku
a s jakoukoli
dědičností“
Různorodé orgánové postižení u
deficitů respiračního řetězce
Munnich et al, OMMBID, Ch 99
Defekty mtDNA
LHON – Leberova hereditární optická neuropatie
- 11778 G>A; 3460G>A; 14484 T>C – podjednotky komplexu I
- akutní/subakutní ztráta zraku v dopělosti
- 4x u mužů
NARP/Leigh syndrom – neurogenní svalová slabost, ataxie, retinitis
pigmentosa
- 8993 T>G a další
- psychomotorická retardace, laktátová acidóza, nekróza
bazálních ganglií
MERRF – myoclonic epilepsy, ragged red fibres
- 8344 G>A (tRNA pro Lys) a další
- hluchota senzorineurální
MELAS – mit. encephalomyopathy, laktátová acidóza, stroke-like episodes
- 3243 A>G (tRNA pro Leu) a další
- diaetes mellitus
…….
Leighův syndrom
Neurodegenerativní onemocnění se začátkem obvykle
před 1 rokem věku vedoucí k úmrtí během několika
měsíců nebo let.
„subakutní sklerozující encefalomyelopatie“
Degenerace bazálních ganglií, progresivní průběh se
zhoršováním motoriky a vývoje, nepravidelné dýchání,
ataxie, hyperlaktacidemie, svalová slabost, křeče.
Přechodné fenotypy
Deficity :
komplex pyruvát dehydrogenázy (PDH)(E1α gene),
Cytochrom c oxidáza (complex IV) – často deficit
SURF-1, asemblačního proteinu komplexu IV
NADH-ubichinon oxidoreduktáza (komplex I) – jak
jaderně tak mitochondriálně kodované geny
(jiné komplexy respiračního řetězce)
Threshold efekt
mut mtDNA
nástup
symptomy
31 %
zdraví
82 %
dospělost
ataxia
retinopatie
93 %
95 %
dětství
novorozenci
NARP
syndrom
Leigh
syndrom
Threshold
Mutant mtDNA level
Defekt
CPEO – Chronická progresivní externí oftalmoplegie
Bodové mutace v
mitochondriální DNA
Syndrom Kearns-Sayre
http://www.snof.org/maladies/kearnsSayre.html
Oftalmoplegie, ptóza a mitochondriální myopatie před 20 lety věku
Další příznaky : pigmentová retinitida a nejméně jeden z následujících příznaků: převodní
srdeční porucha, mozečková ataxie, zvýšená koncentrace bílkoviny v likvoru (více než 100
mg/dl)
Obvykle způsobeno delecemi či duplikacemi v mtDNA
Leberova hereditární optická neuropatie-LHON
Theodore Leber
http://www.snof.org/maladies/leber.html
LHON je maternálně dědičná akutní optická atrofie s pozdním začátkem.
V některých rodinách se vyskytuje i neuritida optiku.
Neúplná penetrance (U 40% mužů a 10% žen se vyvinou příznaky)
LHON je způsoben homoplasmickými mutacemi mitochondriální DNA
Více než 90% evropských a asijských případů LHON je způsobeno třemi bodovými
mutacemi mtDNA
Mutace G na A v genu MTND4 v posici 11778 (MTND4*LHON11778A) způsobuje asi 50%
evropských a asi 90% asijských případů LHON
Dále MTND1*LHON3460A (ND1 Ala52Thr) a MTND6*LHON14484C (ND6 Met64Val) .
Řada vzácnějších mutací mtDNA zřejmě také způsobuje LHON
Rodokmen rodiny s
LHON – maternální
dědičnost
Defekty mtDNA – MERRF
Svalová biopsie
Ragged red
fibres
Defekty mtDNA
Svalová biopsie
Subsarkelemální
reaktivita SDH
COX negativní vlákna
Defekty jaderné DNA
jaderná DNA - replikace, transkripce, translace, oprava …
asemblace, strukturální podjednotky…
 defekty v genech pro strukturální podjednotky
komplex I – Leigh syndrom, kardiomyopatie,
encefalomyopatie, myoklonická epilepsie
komplex II – ataxie, atrofie optiku
- hereditaární paragangliomy
 defekty ve assemblačních genech
COX – SURF-1, SCO2, SCO1, COX10, COX15, …
ATPáza – ATP12
Leigh syndrom
 defekt SURF1
 těžké
neurodegenerativní
onemocnění
 dětská populace
 nekróza basálních
ganglií a mozkového
kmene
 fatální průběh
Model poruchy COX na podkladě chybění
Surf1 proteinu
kDa
Nekompletní formy COX
 Chybění regulačních
nc-kódovaných
podjednotek
 Labilita subkomplexů
 porucha H+transportu
670
440
230
140
70
C P
P
Defekty ATPázy jaderného původu
TMEM70
Nástup v novoroz.věku
Úmrtí
14/14
7/14 (4; 3)
Žijící (≥3;≥5;≥10 let) 7/14 (3;2;3)
Kardiomyopatie
13/14
Hypotonie
12/13
Psychomotor.retardace
10/10
Hepatomegalie
6/14
Dysmorfie obličeje 5/14
Hyperlaktacidémie 14/14
3-methylglutakon.acidurie
12/12
ATP hydrolýza <30%
13/13
ATP produkce <30%
4/4
Snížený obsah
ATPázy
13/13
Sperl, Ješina
et al, Neuromuscul.Disord.,
Study
of mitochondrial
proteins was based
on electrophoretic
and 2006
immunochemical analysis. Blue-Native PAGE showed a decreased
Defekty ATPázy
mutace v mtDNA
v jaderné DNA
„kvalitativní“
strukturálně
změněný ATPázový
komplex s
poškozenou funkcí
maternální
dědičnost
neurologická
symptomatologie
„kvantitativní“
X
výrazně snížený
obsah ATPázy
X
Mendelovská
dědičnost
X
kardiomyopatie
Poruchy mitochondriálního metabolismu pyruvátu a cyklu kyseliny
citronové
Deficit pyruvát karboxylázy
Deficit fosfoenolkarboxykinázy
Deficit pyruvát dehydrogenázy (PDH)
Deficit dihydrolipoamid dehydrogenázy, E3 podjednotky PDH,
mnohočetný deficit dehydogenáz 2-oxokyselin: deficit PDH, deficit
dehydogenázy 2-oxoglutarátu, deficit dehydrogenáz větvených 2-oxo
kyselin
Deficit fumarázy
Deficit sukcinát dehydrogenázy
Deficit transportétu pro pyruvát
Laktátová acidosa, často neurologické příznaky, progresivní průběh,
příznaky postižení kosterního svalu
Autosomálně recesivní onemocnění, deficit podjednotky α PDH E1 je
dědičný gonosomálně recesivně
Komplex pyruvát dehydogenázy
Pyruvát → acetyl-CoA
Dehydrogenázová komponenta:E1, podjednotka α je X vázaná
Deficit PDHE1α : psychomotorická retardace, ataxie, křeče
Charakteristické fenotypy:
neonatální laktátová acidóza,
Leighova encefalopatie: abnormální dýchání, apnoe, ataxie,
svalová slabost, vývojové opoždění, degenerace bazálních ganglií
U žen: křeče, subkortikální a kortikální atrofie
Deficity ostatních podjednotek jsou vzácné
laktátová acidóza, zvýšení koncentrace laktátu po jídle, snížení
během hladovění
Léčba: ketogení dieta, thiamin
Nepříznivá prognóza
Defekty jaderné DNA
jaderná DNA - replikace, transkripce, translace, oprava …
asemblace, strukturální podjednotky…
 Integrita a replikace mtDNA – thymidin fosforyláza
ANT1, twinkle, polymeráza (POLG)
 Transport proteinů
 Fission / fuse mitochondrií – OPA1
 Stabilita mitochondriální membrány – Bartův syndrom
Struktura mitochondrií
Poruchy mitondriální beta-oxidace
mastných kyselin
Karnitinový cyklus
Beta oxidace
Transfer elektronů na komplex II (deficit vede ke glutarové acidurii
II typu)
Syntéza ketolátek, ketolýza
Deficity beta oxidace:
Příznaky se často objevují po hladovění (obvykle 12-16h)
Hypoglykémie
Nízké koncentrace ketolátek v krvi a moči
(U některých onemocnění svalová slabost, rhabdomyolýza,
kardiomyopatie)
Porucha b-oxidace MK
Metabolické myopatie

Porucha transportu MK

Porucha b-oxidace MK

Kardiomyopatie

Hepatopatie

Neketot.hypoglykémie

Myopatie

U-org.kyseliny

Profil karnitinů
www.annualreviews.org (Bennett MJ, Fatty acid oxidation disorders, 2002)
Karnitinový cyklus
Volné mastné kyseliny s
dlouhým řetězcem jsou
aktivovány na acyl-CoA estery
v cytosolu a jsou importovány
do mitochondrie pomocí
karnitinového cyklu
Mastné kyseliny o středně
dlouhém a krátkém řetězci
vstupují do mitochondrie přímo
a jsou aktivovány na acyl-CoA
estery v mitochondriální matrix
CPT1 – karnitin palmitoyl
transferasa I
CPT2 - karnitin palmitoyl
transferasa II
CACT – karnitine /acylkarnitine
translokase
www.bioscience.org
Porucha beta-oxidace MK


CPT I a CACT – kardiomyopatie, srdeční selhání,
arytmie, jaterní selhání
CPT II – časná forma – podobná CPT I
- late onset – sval.slabost, rhabdomyolýza,
netolerance dlouhého cvičení, není „sec.wind“
- dg – profil karnitinů, U-org.kyselin – bpn
EMG, CK mezi atakami v pořádku
- th – režimová opatření, strava
Porucha beta-oxidace MK


VLCAD – infantilní forma – SIDS
- pozdní forma – rhabdomyolýza, intol.cvičení
LCHAD a MTP (trifunkční protein) – kardiomyopatie,
hepatopatie, retinopatie, rhabdomyolýza;
neuropatie, Reye-like epizody
- HELLP (Hemolysis, Elevated Liver enzymes, Low Platelets)
syndrom v graviditě
- dg – OH-acylcarnitiny
- th – dieta, frekventní strava, nehladovět
Porucha beta-oxidace MK

MCAD – nejčastější – 1:6000 v Evropě
- prevalentní mutace p.K329E
- novorozenecký screening
- příznaky - Reye like (hladovění, nemoc)
zvracení, letargie, křeče, srdeční
selhání, hypoglykémie, hyperamonémie
bez primárního postižení svalů
často asymptomatický průběh (p.Y67H)
- dg – C6 a C8 acylkarnitiny, dikarboxyl.
acidurie, glycinové konjugáty
- léčba – nehladovět, frekventní stava
Disorders of mitochondrial-beta oxidation
of fatty acids


SCAD – široké klinické spektrum
myopatie (těžké,hepat.encefalopatie)…asympt.
Glutarová acidurie II typu – (ETF) deficit elektronové
transportu z dehydrogenáz na dýchací řetězec
těžká forma (Reye sy, hypoglykémie,
progr.encefalopatie, (kardio)myopatie)
lehčí myopatická forma
cysty v ledvinách
laboratorní nálezy – hypoglykémie,
metabol.acidóza, laktát
Souhrn klinických projevů
Poruch beta-oxidace MK





Hlavní symptomy - sval.slabost, hypotonie, intolerance
cvičení, rhabdomyolýzy, laboratorní (z ataky)
Intolerance krátkého cvičení – porucha
glykogenu/glykolýzy
Intolerance vytrvalostního cvičení – utilizace MK,
mitopatie
Hladovění, chlad, infekce, léky –zhoršují myopatie
Široké spektrum – akutní x chronické
- infantilní x late onset
- izolované x multisystémové
Děkuji za pozornost