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Human mitochondria

J Neurol Neurosurg Psychiatry74:1188

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Endosymbiotic 

evolution

 

Mitochondria arose from proteobacteria 

and chloroplasts - from 

cyanobacteria.

Nature Rev Gen 5: 123, 2004

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Consequences of the 

mitochondrial dysfunction

NEJM 1995

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Mitochondrial disorders – 

muscle biopsy

Ragged-red muscle fibers on Gomori stain 

http://www.neuro.wustl.edu

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Elevated lactate 

concentrations in serum 

and cerebrospinal fluid –

 the main laboratory finding 

in  mitochondrial disorders  

 

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Maternal inheritance

Complicated by variable 

pentrance

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Relaxed replication of mitochondrial 

DNA (mtDNA) and accumulation of 

mtDNA mutations leading to 

stochastic variation in disease 

expression 

Lancet 2002

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Large (such as 

4977 bp)

 deletions 

in mtDNA

prev. ~1:5 000

  1        2      3         
4        5

Southern blot hybridized with mtDNA probe

1,2 single deletions,  3,4 – multiple deletions, 5 – 

normal mtDNA.

Note heteroplasmy (normal variant is always present)

J Neurol (2003)

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Large deletions in mtDNA – clinical 

picture

Brain 2004

Lancet 2004

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mtDNA deletion disorders 

with mitochondrial 

inheritance:  genetic 

counselling

• Incidence does not increase with 

maternal age 

• Unaffected mothers are unlikely to 

have more than one affected child. 

• Children of affected women have 

empirical risk of about 1:24 births (why 

not all? –embryonic viability?)

Lancet 2004

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Leber’s hereditary optic 

neuropathy (LHON)

• Typically  affects  young  males. 

Visual  acuity  deteriorates  over  a 

period 

of 

days/weeks 

as 

consequence  of  rapid,  painless  loss 

of central vision in one eye, usually 

followed  by  the  other  eye.  Stable 

residual  values  at  or  below  20/200 

are  reached  in  a  few  months, 

associated  with  a  large  centro-

caecal absolute scotoma.

• Worldwide  ~90%    patients harbour 

one 

of 

three 

mtDNA 

point 

mutations affecting genes that code 

for  different  subunits  of  complex  I 

(11778G>A, 

3460A>G 

or 

14484T>C) 

• Typicall 

variable 

expression 

which 

may 

be 

due 

to 

the 

association of pathogenic mutations 

with  specific  mtDNA  haplogroups, 

environmental  factors  such  as 

smoking and a nuclear modifier.

http://jmg.bmjjournals.com

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Nuclear genes make a major 

contribution to mitochondrial 

metabolic systems  - role for nuclear 

gene mutations in mitochondrial 

dysfunction

Mitochondrially encoded subunits (shown in bright color) 
vs. nuclear-encoded subunits of respiratory chain 
complexes

Brain 2004

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Niektóre schorzenia 

(najczęściej pewne 

przypadki PEO) 

przebiegające z 

delecjami mtDNA 

wykazują dziedziczenie 

autosomalne

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Mutacje w POLG1 

u pacjentów z PEO

 

Mechanizm: 

• Zaburzenie polimeryzacji (gł. mutacje dominujące ?).

• Zaburzenie naprawy błędów (gł. mutacje 

recesywne ?).

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Mutacje w genie 

helikazy/dNTPazy ‘Twinkle’

 

u pacjentów z PEO

 

Mechanizm: 

Wzrost aktywności dNTPazy i deplecja 

mitochondrialnej puli nukleotydów? 

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Mutacje w ANT - adenine nucleotide 

translokator

(ATP/ADP translokator) 

u pacjentów z PEO

 

Mechanizm: 

• Zaburzenia  mitochondrialnej puli nukleotydów?

• Związek z funkcją proapoptotyczną (ANT uczestniczy w 

tworzeniu MPTP -‘ mitochondrial permeability 

transition pore) – wzrost stężenia ROS prowadzący do 

uszkodzeń mtDNA 

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Integralność mtDNA a 

starzenie?

Normalna mysz

Myszy z defektem POLG1 

Delecje mtDNA
Łysienie
Zanik tkanki podskórnej
Kyfoza

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mtDNA - Podsumowanie

• Defekty mitochondriów – bez względu na 

przyczynę - dają często zbliżone objawy

• Typowa jest heterogenność fenotypowa 

związana ze stochastycznymi procesami 

replikacji mitochondriów oraz słabo poznanymi 

interakcjami ze środowiskiem i/lub innymi 

genami

• Mutacje mtDNA dziedziczą po matce, ale w 

szeregu przypadków defekty mitochondriów, 

łącznie z pewnymi formami delecji mtDNA, są 

skutkiem mutacji genów jądrowych

• Stabilność mtDNA może być istotna w innych 

chorobach, a także w procesach starzenia

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Imprinting disorders

Effect depends on whether maternal or paternal chromosome is affected.

Specific counselling

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Imprinting effects -  

example of parental sex-

dependent influence on 

phenotype 

• mare x donkey =mule, 
• stallion x donkey = hinny (shorter 

ears, a thicker mane and tail, and 
stronger legs than the mule)

Imprinting - the differential expression of alleles depending on the parent of 
origin

An imprinting defect is an abnormality of the parent-of-origin-specific gene 
regulation, such that a maternal allele or genomic domain has the resulting 
pattern of gene expression) of a paternal allele or genomic domain, or vice versa.

Imprinted genes are often differentially methylated!

EPIGENETICS..

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Genetic imprinting  - principles of 

inheritance 

Idealized pedigrees for maternal and paternal imprinting. These figures are meant to diagram 
what a pedigree of human disease that had imprinting effects might look like. The term 
"imprinting" implies a modification in expression of a gene or allele. An "imprintable" allele will be 
transmitted in a Mendelian manner, but expression will be determined by the sex of the 
transmitting parent. In these idealized pedigrees the term "maternal imprinting" is used to imply 
that there will be no phenotypic expression of the abnormal allele when transmitted from the 
mother, and paternal imprinting is used to imply that there will be no phenotypic expression when 
transmitted from the father. Because there will be a phenotypic effect only when the gene in 
question or chromosome segment in question is transmitted from one or the other parent, there 
are a number of nonmanifesting carriers. 

link

Paternal imprinting

Maternal imprinting

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Genetic imprinting

Hum Mol Genet. 1992 Apr;1(1):7-10

Autosomal dominant glomus tumors manifest only when the gene is inherited 
from the father (family reported by Heutink et al., 1992

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Pathway for the 

Methylation of Cytosine in 

the Human Genome 

A family of three active enzymes, the DNA 

methyltransferases (DNMTs), catalyzes the methylation 

of the 5 position of the cytosine ring, using S-adenosyl-

methionine as the donor molecule for the methyl group 

(CH3). 

Methylation  is imposed only on cytosines that precede a 

guanosine in the DNA sequence (the CpG dinucleotide). 

NEJM 349:2042

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DNA (CG) methylation

A  methylating 
enzyme 
(white)  binds 
to  its  target 
site  (red)  on 
DNA; 

the 

methyl  donor 
is  shown  in 
green

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Distribution of CpG Dinucleotide and 

Differences in Methylation Patterns between 

promoters and the rest of  DNA

NEJM 349:2042

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Life cycle of methylation 

imprints 

IC -Imprinting control element. Grey indicates modification and 

white indicates no modification at the corresponding alleles. 

Parental chromosomes are marked according to their sex in blue 

(male) or red (female). The reading (transcriptional interpretation 

of the primary imprints) in the developing embryo is indicated by 

arrows. 

Nature Rev Gen

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Beckwith-Wiedemann 

Syndrome 

• 1:14 000
• Congenital macroglossia, 

exomphalos and gigantism, 

danger of neonatal 

hypoglycemia and brain damage.

• Increased risk of cancer. Wilms 

tumor is the most common (5-

7%). Most cases before fourth 

birthday. 

source

sou

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Map of the 11p15 imprinted region 

affected in Beckwith-Wiedemann 

Syndrome 

Red -maternally expressed genes, 

Blue- paternally expressed genes

Gray - not imprinted

DMR-differentially methylated region, IGF- insulin like growth factor, CDKN1C -cyclin-

dependent kinase inhibitor (negative regulator of cell proliferation) 

25- 50%  patients have biallelic expression of IGF2. Another 50% of patients have an 

epigenetic mutation resulting in loss of imprinting of a transcript called KCNQ1OT1, 10% 

of patients - paternal uniparental disomy (UPD) of 11p15 

Hum Mol Gen 2003

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Prader-Willi 

Syndrome: 

phenotype

Am J Med Gen

http://health.allrefer.com/

75% of the patients have large 

chromosomal deletions of +/- 4 

Mb of 15q11-13 region, Always, 

the deletion is on the 

paternally inherited 

chromosome. 

sou

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Angelman Syndrome 

• Developmental delay, 

functionally severe 

• Speech impairment, none or 

minimal use of words; 

receptive and non-verbal 

communication skills higher 

than verbal ones 

• Movement or balance 

disorder, usually ataxia of 

gait and/or tremulous 

movement of limbs 

• Behavioral uniqueness: any 

combination of frequent 

laughter/smiling; apparent 

happy demeanor; easily 

excitable personality, often 

with hand flapping 

movements; hypermotoric 

behavior; short attention 

span 

• „HAPPY PUPPET” 

appearance

http://www.asclepius.com/

70% of the  patients have 

deletions of +/- 4 Mb in the 

15q11-13 region. The  deletion is 

always on the maternally 

inherited chromosome. 

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Causes for 

Prader-Willi 

Syndrome (PWS) and Angelman 

Syndrome (AS)

Red -maternall chrmosome genes, 

Blue- paternall chromosome

Ann Rev 2001

No single gene muations. 
A polygenic defect?

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Imprinting - 

podsumowanie

• Forma monoallelicznej ekspresji genu, w 

której wyciszeniu ulega kopia od rodzica 
zawsze tej samej płci

• Niespójna nomenklatura
• Niejasne pochodzenie ewolucyjne – być 

może związane z antagonizmem 
płód(ojciec)-matka

• Inaktywacja często (zawsze?) związana z 

metylacją DNA


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