Dědičná mitochondriální onemocnění a poruchy mitochondriální beta oxidace mastných kyselin

Dědičná mitochondriální onemocnění a poruchy mitochondriální beta oxidace mastných kyselin prim.MUDr. RNDr. Pavel Ješina, Ph.D. 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

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

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

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

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)

Segregace a distribuce heteroplasmických mtDNA mutací Germinativní bb („bottleneck“ – nízký počet mtDNA)

Somatické bb (velký počet dělení)

rychlá segregace pomalá segregace (trend k homoplasmii) rozdílný přenos a meziorgánové i postižení potomků mezibuněčné rozdíly

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

Mitochondriální fůze a štěpení Koordinovaná fůze jak vnější, tak vnitří mitochondriální membrány Mitofusiny jsou GTPasy lokalizované do zevní mitochondriální membrány Mfn1 a Mfn2

Mutace mitofusinu 2 způsobují neuropatii typu Charcot-Marie-Tooth neuropathy 2A(Hereditární motorická a senzorická neuropatie) GTPasa OPA1 z rodiny dynaminu: mutatovaná u autosomálně dominantní optické atrofie, gen je na chromozomu 3q28. Kjerova choroba – ztráta zrakové ostrosti, ztráta retinálních gangliových buněk

Mitochondriální fůze a štěpení

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 - late onset – rhabdomyolýza, intol.cvičení LCHAD a MTP (trifunkční protein) – kardiomyopatie, intol.cvičení, hepatopatie, retinopatie, neuropatie gravidní matky - HELLP - dg – OH-acylkarnitiny, U-OK - th – dieta, antihypoglyk.režim

Porucha beta-oxidace MK 





MCAD – nejčastější; prevalentní mutace - není primární myopatie SCAD – široké klinické spektrum myopatie (těžké,hepat.encefalopatie)…asympt. Glutarová acidurie II typu – (ETF) těžká forma (Reye sy, hypoglykémie, progr.encefalopatie, (kardio)myopatie) lehčí myopatická forma

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