Genom miochondrialny, choroby mitochondrialne

Anna Wawrocka

Katedra i Zakład Genetyki Medycznej UM w Poznaniu

W ka_dej komórce ludzkiego ciała znajduja sie mitochondria (wyjatek

erytrocyty), na ogół w jednej komórce jest ich kilkaset, a ka_de mitochondrium

zawiera 4-10 czasteczek własnego, kolistego DNA o długosci 16569 par zasad (pz).

Genom mitochondrialny ulega transkrypcji i translacji. Na tej kolistej czasteczce

zapisana jest informacja o syntezie 13 białek zwiazanych z fosforylacja oksydacyjna,

22 klasach tRNA i 2 klasach rRNA.

Główna funkcja to wytwarzanie dwóch form swobodnej energii (protonowej siły

motorycznej i ATP, przetworzonych z potencjału oksydo-redukcyjnego).

Fosforylacja oksydacyjna

Czasteczki NADH i FADH2, tworzone sa wskutek glikolizy, utleniania kwasów

tłuszczowych, w cyklu kwasu cytrynowego. Czasteczki NADH i FADH2 sa bogate

energetycznie (zawieraja pary elektronów). Energia swobodna uwalniana przez

przenoszenie tych elektronów na tlen czasteczkowy O2 zostaje wykorzystana do

syntezy ATP. Proces syntezy ATP zachodzacy w wyniku przenoszenia elektronów z

FADH2 lub NADH na O2 nazywa sie fosforylacja oksydacyjna. Proces ten ma

miejsce w wewnetrznej błonie mitochondrialnej.

Proces odbywa sie przy udziale szeregu nosników energii (kompleksów):

- reduktaza NADH-Q - I kompleks

- reduktaza bursztynian-Q - II kompleks

- reduktaza cytochromowa - III komleks

- oksydaza cytochromowa - IV kompleks

Mutacje w mitochondrialnym DNA

W komórce wystepuja setki kopii mtDNA (poliplazmia), które w prawidłowych

komórkach sa identyczne (homoplazmia). Wiekszosc mutacji dotyczy tylko czesci

populacji mtDNA, co powoduje koegzystencje dzikiego i zmutowanego typu mtDNA

(heteroplazmia)

Pierwsza opisana mutacja mtDNA - 1988r. Defekty w genomie mitochondrialnym objawiaja sie najczesciej nieprawidłowym

funkcjonowaniem i anomaliami struktury mitochondriów. Ujawniaja sie w tkankach o

wysokim zapotrzebowaniu na ATP np. miesniach szkieletowych, mózgu, sercu,

siatkówce.

Mitochondrialny DNA ma znacznie wy_sze tempo mutacji ni_ DNA jadrowy.

Przyjmuje sie, _e wynika to z braku systemów naprawy mtDNA, z braku histonów

oraz z obecnosci du_ej ilosci wolnych rodników. Mutacje pojawiajace sie w

mitochondialnym DNA komórek linii płciowej moga powodowac choroby wystepujace

w rodzinie, natomiast mutacje w komórkach somatycznych moga byc zwiazane ze

spadajaca z wiekiem wydolnoscia układu fosforylacji oksydacyjnej.

Dla wielu chorób wynikajacych z mutacji w mt DNA objawy pojawiaja sie w dopiero u

dorosłych, tłumaczy sie to nagromadzeniem defektywnych czasteczek DNA w

pewnych tkankach w miare rozwoju. Jednak choroby mitochondrialne wystepuja

tak_e u dzieci. Wa_nym czynnikiem jest prawdopodobnie zapotrzebowanie

poszczególnych tkanek na sprawnie działajaca fosforylacje oksydacyjna.

Dziedziczenie mitochondrialne

Mitochondria dziedziczone sa wyłacznie po matce. Mitochondria plemnika

podczas zapłodnienia wnikaja do oocytu, ale jest ich niewiele (około 50) w

porównaniu z 200 000 mitochondriów oocytu.

Choruja zarówno me_czyzni jak i kobiety, choroba jest przenoszona wyłacznie przez

chora kobiete. Wszystkie dzieci chorej kobiety sa chore.

Choroby mitochondrialne

Choroby mitochondrialne dzielimy na: - wywołane defektami w jadrowym DNA, kodujacym białka strukturalne

mitochondriów lub białka zwiazane z regulacja ich funkcji

- wywołane defektami w mt DNA

- wywołane defektami w komunikowaniu sie obu genomów

1.Pojedyncze delecje mtDNA:

Zespół Kearnsa-Sayre'a (KSS)

Objawy choroby:

-postepujaca oftalmoplegia zewnetrzna

-zwyrodnienie barwnikowe siatkówki

-poczatek choroby przed 20 rokiem _ycia

-czesto blok serca

-objawy mó_d_kowe

-podwy_szenie poziomu białka w płynie mózgowo-rdzeniowym

-nie stwierdza sie osłabienia konczyn

-choroba wystepuje sporadycznie

Przewlekła postepujaca oftalmoplegia zewnetrzna - mo_e wystepowac jako

samodzielny zespół chorobowy, mo_e jej towarzyszyc:

-osłabienie miesni konczyn

-zaburzenia połykania

-zaburzenia mowy

Zespół Pearson (szpikowo-trzustkowy)

Obraz kliniczny:

-cie_ka niedokrwistosc makrocytowa w pierwszych tygodniach _ycia(% retikulocytów

niski)

-podwy_szony poziom hemoglobiny F

-neurotropenia i trombocytopenia (zmienne)

-obni_enie odpornosci-czeste infekcje np. E.coli

-ró_ny stopien dysfunkcji trzustki (stolce tłuszczowe i zespół złego wchłanianiabiegunki)

-cukrzyca

-kwasica cewkowa (wielomocz, białkomocz, cukromocz, fosfaturia, aminoaciduria)

hypokaliemia i hypofosfatemia

-obni_enie napiecia miesniowego-KT-zanik mózgu

-dysfunkcja watroby-podwy_szony poziom transaminaz i dehydrogenazy

mleczanowej, hypoprotrombinemia oporna na witamine K

-niskorosłosc

2.Mutacje punktowe

MERRF padaczka miokloniczna z włóknami „poszarpanymi” („szmatowatymi”)

(myoclonic epilepsy and ragged-red fiber disease)

Mutacja mitochondrialna genów tRNA dla lizyny. Punktowa mutacja nukleotydu 8344

G-A w 80-90% MERRF

Deficyt aktywnosci oksydazy cytochromu. W MERRF reguła jest

heteroplazmatycznosc co tłumaczy olbrzymie ró_nice w ilosci zmutowanego DNA u

krewnych i ró_nice w cie_kosci objawów (przebieg choroby zale_ny od %

zmutowanego DNA oraz od wieku osób chorych).Opublikowana po raz pierwszy w

1973 roku.Dowody o matczynym dziedziczeniu w 1998 roku.

Pierwsze objawy w wieku pózno dzieciecym lub u osób dorosłych

MERRF objawy kliniczne:

-padaczka miokloniczna współistniejaca od poczatku z ataksja (moga wystapic

drgawki akinetyczne lub du_e napady)

-miopatia mitochondrialna z obecnoscia tzw. „włókien poszarpanych”

(„szmatowatych”) w bioptatach miesni

-wolno postepujace otepienie

Ze wzgledu na znaczna zmiennosc fenotypowa mo_e wystapic tak_e:

-Niskorosłosc

-Mowa skandowana

-Pora_enie spastyczne

-Zanik nerwu wzrokowego

-Utrata słuchu

-Mnogie tłuszczaki na szyi i tułowiu

-Podwy_szony poziom kwasu mlekowego

MELAS

-Mutacje punktowe w mitochondrialnym DNA dotyczace genów tRNA-zmiana

adeniny w guanine w 3243 pozycji (w 80% przypadków)

-moga te_ byc inne mutacjeBiopsja miesni wskazuje na obecnosc włókien czerwonych „poszarpanych”, ze

skupieniami błoniastej substancji pod błona komórkowa

Zespół MELAS (miopatia mitochondrialna, encefalopatia, kwasica mleczanowa,

wystepowanie incydentów podobnych do udarów)

Pierwsze objawy wystepuja w wieku dzieciecym lub wczesno młodzienczym

Objawy kliniczne:

-zahamowanie wzrostu

-nagłe wymioty

-napady drgawkowe

-incydenty mózgowe (zaburzenia funkcji miesni gładkich naczyn) powodujace:

niedowłady połowicze, niedowidzenie połowicze a nawet objawy slepoty korowej,

otepienie, ubytki słuchu

-cukrzyca

-kardiomiopatia

LHON (Leber's Hereditary Optic Neuropathy). U 50-74% rodzin z LHON stwierdzono

mutacje punktowa mtDNA dotyczaca nukleotydu 11778, zmiana G-A w efekcie

zmiana argininy na histydyne w podjednostce ND4 dehydrogenazy NADH.

Znaczna przewaga chorych me_czyzn, u 50% me_czyzn z mutacja mtDNA i tylko u

20% kobiet z mutacja, wystepuja objawy chorobowe (obni_ona penetracja i

opózniona manifestacja objawów u kobiet).

Podatnosc na rozwój zaniku nerwów wzrokowych uwarunkowana interakcja

mitochondrialno-jadrowa.

NARP

(neurodegeneration, ataxia and retinitis pigmentowa) najczestsza mutacja w

nukleotydzie 8993 genomu mitochondrialnego lub zmiana T-G w 8993, co prowadzi

do zmiany leucyny na arginine w podjednostce 6 mitochondrialnej ATP-azy a w

konsekwencji do zaburzen syntezy ATP (tzw. mutacja NARP).

Cechy kliniczne NARP:

-ró_norodna kombinacja objawów

-retinitis pigmentosa

-wiotkosc miesni proksymalnych neurogenna

-ataksja

-opóznienie rozwoju-drgawki

-otepienie

-ostre zagra_ajace _yciu epizody zwiazane z kwasica mleczanowa

-Analiza rodowodu

-Biopsja miesnia i analiza bioptatu pod katem zawartosci enzymów

mitochondrialnych (odpowiednie techniki barwienia) i obecnosci czerwonych

poszarpanych włókien (metoda histochemiczna)

-Badania molekularne - prowadzone w Polsce od 1996 roku w Zakładzie Genetyki

Uniwersytetu Warszawskiego

---