Dědičná mitochondriální onemocnění a poruchy mitochondriální beta oxidace mastných kyselin

Transkript

1 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

2 Mitochondrie - struktura

3 Struktura mitochondrií

4 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

5 Metabolické dráhy v mitochondriích Krebsův cyklus oxidace Ketogeneze Močovinový cyklus Syntéza hemu a porfyrinů

6 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

7 Oxidativní fosforylace podjednotek

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

9

10 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/ /4 000

11 ncdna NUCLEUS CYTOSOL mrna prekursor nc podjednotka OXPHOS komplex MATRIX mt podjednotka mrna mtdna > 70 nc OXPHOS podjednotek 13 mt OXPHOS podjednotek 26 asemblačních proteinů ~ 150 biogenesis proteinů

12 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

13 Mitochondriální choroby 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 > 130 bodových mutací > 70 typů delecí/duplikací další a další objevy

14 Mitochondriální DNA párů bazí 13 mrna, 2 rrna; 22 trna 2-20 / mito / bb

15 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

16 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

17 Bodové mutace mtdna Homoplasmické 1forma mtdna OXPHOS proteiny (LHON) RFLP N P Heteroplasmické 2 formy mtdna trna (MERRF, MELAS) rrna (Kardiomyopatie) OXPHOS proteiny Leigh, NARP LHON N P

18 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).

19 Inter- a intramitochondriální heteroplazmie

20 Segregace mtdna

21 Mitochondriální genetické zúžení (Mitochondrial genetic bottleneck) MOLECULAR MEDICINE TODAY, NOVEMBER 2000 (VOL. 6)

22 7512T>C mutace v mtdna Krev: 92% Bukál.sliznice: 86% Fibroblasty: 94% Krev: 68% Bukální slizn.: 59% Vlas.folikuly: 73% 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%

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

24 Heterogenita fenotypu OXPHOS isoenzymy heteroplasmie segregace Klinické projevy Biochemický defekt Mutace Limitující krok v OXPHOS počet podjednotek počet komplexů Heterogenita genotypu

25 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

26

27 Patogenní mechanismy mutace mtdna porucha OXPHOS tvorba kyslíkových radikálů apoptóza nekróza buněk snížená tvorba ATP mutace ncdna porucha bb funkcí

28 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

29 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

30 Defekty mtdna LHON Leberova hereditární optická neuropatie G>A; 3460G>A; T>C podjednotky komplexu I - akutní/subakutní ztráta zraku v dopělosti - 4x u mužů NARP/Leigh syndrom neurogenní svalová slabost, ataxie, retinitis pigmentosa T>G a další - psychomotorická retardace, laktátová acidóza, nekróza bazálních ganglií MERRF myoclonic epilepsy, ragged red fibres G>A (trna pro Lys) a další - hluchota senzorineurální MELAS mit. encephalomyopathy, laktátová acidóza, stroke-like episodes A>G (trna pro Leu) a další - diaetes mellitus.

31 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)

32 Threshold efekt mut mtdna 31 % 82 % 93 % 95 % nástup - dospělost dětství novorozenci symptomy zdraví ataxia NARP Leigh retinopatie syndrom syndrom Threshold Mutant mtdna level Defekt

33 CPEO Chronická progresivní externí oftalmoplegie Bodové mutace v mitochondriální DNA

34 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

35 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 (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

36 Rodokmen rodiny s LHON maternální dědičnost

37 Ragged red fibres Defekty mtdna MERRF Svalová biopsie

38 Defekty mtdna Svalová biopsie Subsarkelemální reaktivita SDH COX negativní vlákna

39 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

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

41 Model poruchy COX na podkladě chybění Surf1 proteinu kda C P P Nekompletní formy COX Chybění regulačních nc-kódovaných podjednotek Labilita subkomplexů porucha H+transportu

42 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 Study ATPázy of mitochondrial 13/13 proteins was based Sperl, Ješina on electrophoretic et al, Neuromuscul.Disord., and 2006 immunochemical analysis. Blue-Native PAGE showed a decreased

43 Defekty ATPázy mutace v mtdna kvalitativní strukturálně změněný ATPázový komplex s poškozenou funkcí maternální dědičnost neurologická symptomatologie X X X v jaderné DNA kvantitativní výrazně snížený obsah ATPázy Mendelovská dědičnost kardiomyopatie

44 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

45 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

46 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

47 Struktura mitochondrií

48 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)

49 Porucha b-oxidace MK Metabolické myopatie Porucha transportu MK Porucha b-oxidace MK Kardiomyopatie Hepatopatie Neketot.hypoglykémie Myopatie U-org.kyseliny Profil karnitinů (Bennett MJ, Fatty acid oxidation disorders, 2002)

50 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

51 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

52 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

53 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

54 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

55 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

56 Děkuji za pozornost