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 <30%
13/13
ATP produkce <30%
4/4
Snížený obsah ATPázy
13/13
Sperl, Ješina et al, Neuromuscul.Disord., 2006
Poruchy Krebsova cyklu a metabolizmu pyruvátu
Deficit pyruvát karboxylázy
Deficit fosfoenolkarboxykinázy
Deficit fumarázy
Deficit transportétu pro pyruvát
…….
Deficit pyruvátdehydrogenázy (PDH)
E1 podjednotka (α) je X vázaná
Charakteristické fenotypy: neonatální laktátová acidóza,
Leigh syndrom, encefalopatie, ataxie, svalová slabost, vývojové
opoždění, degenerace bazálních ganglií
U žen: křeče, subkortikální a kortikální atrofie
Deficity ostatních podjednotek jsou vzácné – E3 podjednotka (AR)
Léčba: ketogení dieta, thiamin
Nepříznivá prognóza
Struktura mitochondrií
Poruchy
metabolizmu
mastných kyselin
Poruchy metabolizmu mastných kyselin


Porucha transportu
(karnitinový cyklus)
Porucha β-oxidace MK
Příznaky se často objevují
po hladovění, fyzické zátěži,
při katabolizmu
Hypoglykémie
Nízké koncentrace ketolátek
v krvi a moči
www.annualreviews.org (Bennett MJ, Fatty acid oxidation disorders, 2002)
U některých onemocnění svalová slabost, rhabdomyolýza,
kardiomyopatie
Karnitinový cyklus
CPT1 – karnitin palmitoyl
transferasa I
CPT2 - karnitin palmitoyl
transferasa II
CACT – karnitine /acylkarnitine
translokase
CPT I a CACT – vzácné
CPT I – hepatopatie, RTA
CACT - kardiomyopatie,
srdeční selhání, arytmie,
jaterní selhání
CPT II – časná forma –
podobná CACT
- late onset – sval.slabost,
rhabdomyolýza, netolerance
cvičení
www.bioscience.org
Porucha β-oxidace mastných kyselin


VLCAD – infantilní forma – SIDS
- late onset – rhabdomyolýza, intol.cvičení
LCHAD a MTP (trifunkční protein) – kardiomyopatie,
intol.cvičení, hepatopatie, retinopatie, neuropatie,
rhabdomyolýzy, Reye-like epizody (hypoglykémie,
hyperamonémie, hepatopatie, steatóza jater)
- gravidní matky – HELLP
- dg – OH-acylkarnitiny, U-OK
- th – nízkotuková dieta, antihypoglyk.režim,
MCT oleje, režimová opatření
Porucha beta-oxidace MK


MCAD – nejčastější – 1:6000 v Evropě
- prevalentní mutace p.K329E
- příznaky - není primární myopatie
- jaterní postižení – po lačnění hypoglykémie, zvracení, porucha vědomí,
křeče, SCID
- asymptomatické období před atakou!!!
- dg – novorozenecký screening, profil karnitinu
- th – antihypoglyk.režim, režimová opatření
SCAD – široké klinické spektrum
Asymptomatičtí jedinci … neprospívání … život
ohrožující ataky hypoglykémie, koma
Poruch beta-oxidace MK

Hlavní symptomy – široká symptomatologie
Svalové postižení - sval.slabost, hypotonie, intolerance
cvičení, rhabdomyolýzy, intolerance cvičení
Jaterní postižení – Reye-like
Postižení srdce
 Hladovění, chlad, infekce, katabolizmus, fyz.zátěž, …

Široké spektrum – akutní x chronické
- infantilní x late onset
- izolované x multisystémové
Patobiochemie
hladovění
Patobiochemie lačnění/hladovění
Lačnění – po vstřebání nutrientů ze stravy před hladověním
↑ glukóza v krvi -> ↑ inzulin a ↓ glukagon ->
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