Dědičné poruchy metabolismu mitochondrií

Mitochondriální onemocnění Poruchy metabolizmu mastných kys. Patobiochemie hladovění

Pavel Ješina Ústav dědičných metabolických poruch 1.LF UK,VFN

Mitochondrie - struktura

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

Mitochondriální onemocnění

 Porucha mitochondriálního energetického metabolizmu OXPHOS • jaderné geny • mitochondriální geny  Porucha Krebsova cyklu a metabolizmu pyruvátu  Poruchy mitochondriální fuze a dělení  Porucha stability mitochondriální membrány … Odhad incidence – 1:4000

Genetické příčiny mitochondriálních chorob mtDNA    

podjednotky OXPHOS rRNA tRNA množství mtDNA

OXPHOS defekt

nDNA

 podjednotkyOXPHOS  mt biosyntetický aparát (replikace, transkripce, translace)  import a modifikace proteinů  asemblační faktory

“jakýkoli příznak, v jakomkoli orgánu, v jakémkoli věku “

Primárně energeticky náročné orgány – nervová soustava, srdce a svaly

Munnich et al, OMMBID, Ch 99

Patogenní mechanismy

mutace mtDNA

tvorba kyslíkových radikálů

porucha OXPHOS snížená tvorba ATP mutace ncDNA

porucha bb funkcí

apoptóza nekróza buněk

Mitochondriální poruchy způsobené mutacemi v mtDNA

Mitochondriální DNA  16 569 párů bazí  13 mRNA, 2 rRNA; 22 tRNA

 2-20 / mito  10-10 000 / bb

Mitochondriální choroby  Mutace 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

Heteroplazmie Dělení

Maturace

Oplození Nízká heteroplazmie Zdravý potomek

Vysoká heteroplazmie Postižený potomek

Střední heteroplazmie ????

Mitochondrie s mutací Mitochondrie bez mutace Jádro

Primární oocyt

Segregace mtDNA

Zralý oocyt

Mitochondrial genetic bottleneck

Prahový efekt velké delece

bodové mutace

% mutované mtDNA

Nelineární vztah mezi heteroplazmií a poruchou funkce/množství Tkáňová heterogenita heteroplazmií

Segregace mtDNA v rodinách s mutacemi NARP (8993), MELAS (3243) a MERRF (8344).

NARP

MERRF

MELAS

MELAS

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%

Mitochondriální nemoci způsobené mutacemi v mtDNA NARP/Leigh syndrom – neurogenní svalová slabost, ataxie, retinitis pigmentosa - 8993T>G a další -psychomotorická retardace, laktátová acidóza, nekróza bazálních ganglií

LHON – Leberova hereditární optická neuropatie -11778 G>A; 3460G>A; 14484T>C – podjednotky komplexu I - akutní/subakutní ztráta zraku v dopělosti - 4x u mužů MERRF – myoclonic epilepsy, ragged red fibres - 8344 G>A (tRNA pro Lys) a další - hluchota senzorineurální MELAS – mit. encephalomyopathy, laktátová acidóza, stroke-like episodes - 3243A>G (tRNA pro Leu) a další - diaetes mellitus …….

Prahový efekt – NARP - 8993T>G mut mtDNA nástup symptomy

31 % zdraví

82 % dospělost ataxia retinopatie

93 % dětství

95 % novorozenci

NARP syndrom

Leigh syndrom

Threshold Mutant mtDNA level

Defekt

Leigh 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 : • ATP syntázy - 8993T>G a další • Pyruvátdehydrogenázový komplex (PDH)(E1α gene), • Cytochrom c oxidázy (complex IV) – často deficit SURF-1, asemblačního proteinu komplexu IV • NADH-ubichinon oxidoreduktáza (komplex I) – jaderně i mitochondriálně kodované podjednotky • (jiné komplexy respiračního řetězce)

Mitochondriální nemoci způsobené mutacemi v mtDNA NARP/Leigh syndrom – neurogenní svalová slabost, ataxie, retinitis pigmentosa - 8993T>G a další -psychomotorická retardace, laktátová acidóza, nekróza bazálních ganglií

LHON – Leberova hereditární optická neuropatie -11778 G>A; 3460G>A; 14484T>C – podjednotky komplexu I - akutní/subakutní ztráta zraku v dopělosti - 4x u mužů MERRF – myoclonic epilepsy, ragged red fibres - 8344 G>A (tRNA pro Lys) a další - hluchota senzorineurální MELAS – mit. encephalomyopathy, laktátová acidóza, stroke-like episodes - 3243A>G (tRNA pro Leu) a další - diaetes mellitus …….

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

Mitochondriální nemoci způsobené mutacemi v mtDNA NARP/Leigh syndrom – neurogenní svalová slabost, ataxie, retinitis pigmentosa - 8993T>G a další -psychomotorická retardace, laktátová acidóza, nekróza bazálních ganglií

LHON – Leberova hereditární optická neuropatie -11778 G>A; 3460G>A; 14484T>C – podjednotky komplexu I - akutní/subakutní ztráta zraku v dopělosti - 4x u mužů MERRF – myoclonic epilepsy, ragged red fibres - 8344 G>A (tRNA pro Lys) a další - hluchota senzorineurální MELAS – mit. encephalomyopathy, laktátová acidóza, stroke-like episodes - 3243A>G (tRNA pro Leu) a další - diabetes mellitus …….

Defekty mtDNA – MERRF Svalová biopsie

Ragged red fibres

Mitochondriální nemoci způsobené delecemi/duplacemi/deplecemi mtDNA

http://www.nature.com

Progresivní externí oftalmoplegie Pearsonův syndrom Kearns-Sayreův syndrom

Mitochondriální nemoci způsobené delecemi/duplacemi/deplecemi mtDNA

PEO – progresivní externí oftalmoplegie

Mitochondriální nemoci způsobené delecemi/duplacemi/deplecemi mtDNA

http://www.snof.org/maladies/kearnsSayre.html

Syndrom Kearns-Sayre 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 Pearsonův syndrom – anémie/pancytopenie, dysfunkce pankreatu a jater v dětství - přeživší přecházejí do Kearns-Sayre syndrom

Mitochondriální poruchy způsobené mutacemi v jaderné DNA

Defekty jaderné DNA jaderná DNA - replikace, transkripce, translace, oprava … asemblace, strukturální podjednotky… 

defekty v genech pro strukturální podjednotky komplexů OXPHOS Leigh syndrom, kardiomyopatie, ataxie, encefalomyopatie, myoklonická epilepsie, atrofie optiku; hereditaární paragangliomy, …

 defekty ve assemblačních genech COX – SURF-1, SCO2, SCO1, COX10, COX15, … ATPáza – ATP12, TMEM70

Defekty jaderné DNA  Integrita a replikace mtDNA – thymidin fosforyláza ANT1, twinkle, polymeráza (POLG )  Transport proteinů  Fission / fuse mitochondrií – OPA1  Stabilita mitochondriální membrány – Bartův syndrom

Leigh syndrom  několik příčin  defekt SURF1  těžké neurodegenerativní onemocnění  dětská populace nekróza basálních ganglií a mozkového kmene  fatální průběh

Nekompletní formy COX  Chybění regulačních nc-kódovaných podjednotek  Labilita subkomplexů  porucha H+transportu

Defekty ATPázy jaderného původu TMEM70 Nástup v novoroz.věku

14/14

Úmrtí

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 glykolýza, lipogeneza, glykogeneza, proteosyntéza

Hladovění - 3 fáze – časná fáze – glukoneogenetická adaptační fáze terminální fáze – kritická, celkový katabolizmus

Patobiochemie lačnění/hladovění Časná glukoneogenetická fáze – normoglykémie

Glykogenolýza v játrech Glukoneogeneza v játrech Coriho cyklus; Alaninový cyklus BCAA ve svalech a Gln (GIT, ledviny)

Patobiochemie lačnění/hladovění Adaptační fáze – hodiny/dny

po vyčerpání glykogenu útlum glukoneogenezy (glukóza z glycerolu)

spuštění lipolýzy – hormone sens.lipáza (↑ glucagon, adrenalin; ↓ insuline) glycerol v játrech β-oxidace mastných kyselin ve svalu, srdci, játrech, ledvinách ketogeneza (v játrech) a ketolýza (v mozku, svalech, srdci) snaha o zamezení katabolizmu bílkovin

Patobiochemie lačnění/hladovění Terminální/kritická fáze – dny/týdny

totální vyčerpání glykogenu, tuků proteokatabolizmus –

o úbytek svalů o omezená imunitní reakce (↓ Ig) o koagulopatie o porucha reparace tkání o nefuknční enzymy, transportéry – ↓ tvorba, ↓ ATP o…. o smrt

DMP a hladovění/lačnění Glykogenózy – ketotická hypoglykémie, příznak „druhého dechu“ Poruchy β-oxidace MK – neketotická hypoglykémie Poruchy ketogeneze – neketotická hypoglykémie Poruchy ketolýzy - hyperketotická hypoglykémie Organické acidurie (MMA, PA, Leucinóza, IVA, …), poruchy močovinového cyklu zamezení katabolizmu aminokyselin ketotické hypoglykémie, hyperamonémie ketoacidóza, laktátová acidóza

Děkuji za pozornost