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

…

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

Mitochondriální transportní systém

Oxidativní fosforylace

43 4 11 13 16

podjednotek

Superkomplexy

Tkáňová specifita (játra, srdce, hnědý tuk ...) Ontogenetické změny (perinatální vývoj, ...)

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 onemocnění

Mitochondriální DNA

2-20 / mito

10-10 000 / bb

16 569 párů bazí

13 mRNA, 2 rRNA; 22 tRNA

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

1962 Luft R, et al Luftova nemoc 1963 Nass S, Nass MHK DNA v mitochondriích 1970 Spiro AJ, et al. defekt resp. řetězce 1974 Berk AS, Clayton DA replikace mtDNA 1979 Barrell BG, et al genetický kód mtDNA 1981 Andersson S, et al. sekvence mtDNA 1988 Holt IJ, et al. delece mtDNA

Wallace DC, et al bodová mutace mtDNA 2000 www.gen.emory.edu/mitomap.html > 130 bodových mutací > 70 typů delecí/duplikací ……… další a další objevy

Mitochondriální choroby

mRNA

prekursor

NUCLEUS

CYTOSOL

MATRIX

OXPHOS komplex

nc podjednotka

ncDNA

mRNA

mtDNA

mt podjednotka > 70 nc OXPHOS podjednotek 13 mt OXPHOS podjednotek 26 asemblačních proteinů

~ 150 „biogenesis“ proteinů

Genetické příčiny mitochondriálních chorob

mtDNA

podjednotky OXPHOS

rRNA

tRNA

množství mtDNA

nDNA

podjednotky OXPHOS

mt biosyntetický aparát (replikace, transkripce, translace)

import a modifikace proteinů

asemblační faktory

OXPHOS defekt

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

Homoplasmické – 1forma mtDNA

OXPHOS proteiny (LHON)

Heteroplasmické – 2 formy mtDNA

tRNA (MERRF, MELAS)

rRNA (Kardiomyopatie)

OXPHOS proteiny

Leigh, NARP

LHON

N P

RFLP

N P

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).

Heteroplasmie, mtDNA a nemoci

Inter- a intramitochondriální heteroplazmie

Segregace mtDNA

MOLECULAR MEDICINE TODAY, NOVEMBER 2000 (VOL. 6)

Mitochondriální genetické „zúžení“ (Mitochondrial genetic bottleneck)

Segregace a distribuce heteroplasmických mtDNA mutací

Germinativní bb Somatické bb („bottleneck“ – nízký (velký počet dělení) počet mtDNA)

rychlá segregace pomalá segregace

(trend k homoplasmii)

rozdílný přenos a meziorgánové i

postižení potomků mezibuněčné

rozdíly

7512T>C mutace v mtDNA

Sval: 95% Krev: 91% Fibroblasty: 92%

Krev: 68% Bukální slizn.: 59% Vlas.folikuly: 73%

Sval: 95% Krev: 93% Fibroblasty: 94% Buk.slznice: 92% Vlas.folikuly: 95%

Krev: 71% Buk.sliznice: 74% Vlas.folikuly: 87%

Krev: 92% Bukál.sliznice: 86% Fibroblasty: 94%

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

NARP MELAS MELAS

MERRF MERRF MERRF

Klinické projevy

Biochemický defekt

Mutace

OXPHOS

isoenzymy Limitující krok v OXPHOS

počet podjednotek počet komplexů

heteroplasmie

segregace

Heterogenita fenotypu

Heterogenita genotypu

Prahový efekt u OXPHOS defektů

0-100% podíl mutované mtDNA

Nelineární vztah mezi heteroplazmií a poruchou funkce – „recesivní mutace“ tolerance mutací do 80-90%

S věkem klesající aktivita OXPHOS

Tkáňová/bb specifita –energetické nároky

Patogenní mechanismy

mutace mtDNA

porucha OXPHOS

snížená tvorba ATP

porucha bb funkcí

tvorba kyslíkových radikálů

apoptóza nekróza buněk

mutace ncDNA

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

Různorodé orgánové postižení u deficitů respiračního řetězce Munnich et al, OMMBID, Ch 99

“jakýkoli příznak, v jakomkoli orgánu, v jakémkoli věku a s jakoukoli dědičností“

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 …….

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)

Leighův syndrom

Mutant mtDNA level

Threshold

Defekt

mut mtDNA 31 % 82 % 93 % 95 %

nástup - dospělost dětství novorozenci

symptomy zdraví ataxia NARP Leigh

retinopatie syndrom syndrom

Threshold efekt

CPEO – Chronická progresivní externí oftalmoplegie

Bodové mutace v mitochondriální DNA

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

Leberova hereditární optická neuropatie-LHON

Theodore Leber

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

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

Rodokmen rodiny s LHON – maternální

dědičnost

Defekty mtDNA – MERRF Svalová biopsie

Ragged red fibres

Defekty mtDNA Svalová biopsie

COX negativní vlákna

Subsarkelemální reaktivita SDH

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

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

670

440

230

140

70

kDa

Model poruchy COX na podkladě chybění Surf1 proteinu

C P P

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 <30% 13/13

Snížený obsah ATPázy 13/13 Sperl, Ješina et al, Neuromuscul.Disord., 2006 Study of mitochondrial proteins was based on electrophoretic andimmunochemical analysis. Blue-Native PAGE showed a decreasedcontent of the whole ATPase complex which retained normal sizeof approximately 640 kDa. It was detected in fibroblasts, skeletal

and heart muscle tissue, liver and in one case in brain.

ATP produkce <30% 4/4

Defekty ATPázy

„kvalitativní“ „kvantitativní“

mutace v mtDNA v jaderné DNA

strukturálně změněný ATPázový komplex s poškozenou funkcí

výrazně snížený obsah ATPázy

maternální dědičnost

Mendelovská dědičnost

neurologická symptomatologie

kardiomyopatie

X

X

X

Poruchy mitochondriálního meta-bolismu 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

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

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 transportu MK

Porucha b-oxidace MK

Kardiomyopatie

Hepatopatie

Neketot.hypoglykémie

Myopatie

U-org.kyseliny

Profil karnitinů

Porucha b-oxidace MK

Metabolické myopatie

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

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

Porucha 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

Souhrn klinických projevů

Poruch beta-oxidace MK

Děkuji za pozornost