Митохондриальный геном и болезни человека Лаборатория нехромосомной наследственности Институт генетики и цитологии НАН Б

1- хп ячмень (ПК) 2- митох ячмень (КМ) 3- хп ячмень (СвЦ) 4 - хп ячмень (СвЦ) 5 –мт ячмень (ЗГ) 6- хп подсолнечник (ПГ) Долог путь от гена к признаку…

Митохондрии в клетке, строение митохондрий

Функции митохондрий Синтез АТФ – «энергетический центр» клетки (95% синтезируется в мт ) Участие в метаболизме аминокислот, липидов, холестерола, стероидов, нуклеотидов Инициация процессов апоптоза (программируемой клеточной смерти) Регуляция экспрессии ядерного генома Участие в собственном воспроизведении

Митохондриальный геном человека – 37 генов, пар нуклеотидов 2 гена рибосомальной РНК 22 гена транспортной РНК 13 белок-кодирующих генов Молекула ДНК замкнута в кольцо Гены расположены очень плотно, на обеих цепочках ДНК, иногда перекрываются

Митохондриальный геном человека

Репликация митохондриальной ДНК млекопитающих L-цепь Н-цепь новая Н-цепь (7S ДНК) D-петля мтДНК О L О H HSP LSP LSP HSP D-петля ДНК-репликация в митохондриях связана с транскрипцией; L- и H- цепи реплицируются с разных точек : О L и О H Молекула мтДНК в области D- петли трехнитчатая. Короткий РНК транскрипт с LSP –праймер для репликации H-цепи участок Н цепи, оттесняемый 7S ДНК

ДНК- полимераза гамма(γ) состоит из двух субъединиц: α - каталитической и β -дополнительной (accessory) kDa 35 – 54 kDa Полимеразная активность Экзонуклеазная активность proofreading: мутация в этой области уменьшает точность репликации Участвует в узнавании РНК- праймеров

Первые митохондриальные заболевания были описаны раньше, чем открыта ДНК в митохондриях 1958 – синдром Кернс-Сейра 1962 Болезнь Люфта : не тироидальный гиперметаболизм (всего 2 случая за 40 лет) 1981 – расшифрован митохондриальный геном человека ( Anderson et al ) 1988 – идентифицированы первые патогенные мутации мтДНК (Holt et al., Wallace et al) Открыта ДНК в митохондриях

Особености митохондриальной наследственности Материнское наследование Мультикопийность геномов (сотни органелл, тысячи ДНК молекул) Гетероплазмия Митотическая сегрегация Пороговый эффект

Ткани с низким порогом мутантной ДНК: мозг сердце скелетная мускулатура сетчатка глаза почечные канальцы эндокринные железы Клетки этих тканей наиболее метаболически активны, энергетически зависимы

В ядре ~ генов в двух копиях каждый В митохондриях 37 генов в тысячах копий каждый Гены составляют менее 1% от всей ядерной ДНК Гены составляют более 92% от всей митохондриальной ДНК

Мутации в митохондриальной ДНК человека происходят в пять раз чаще, чем в ядерной, поскольку геном митохондрий не защищен гистоновыми белками; репарационные процессы в митохондриях менее совершенны, чем в ядре Митохондрии поглощают более 90% клеточного кислорода; Образуется большое количество ДНК-повреждающих свободных радикалов. При этом

В настоящее время описано более 190 патогенных точечных мутаций митохондриальной ДНК около 200 делеций, инсерций и других структурных реорганизаций мтДНК

Источники митохондриальных патологий: Изменения в генах ядерного кодирования (более 1000 генов кодируют мт белки) Изменения в генах митохондриального кодирования (37 генов) Выпадения участков мтДНК (делеции, множественные делеции) Истощение пула митохондриальной ДНК

Особенности мутаций митохондриальных генов Одна из важнейших особенностей – клиническое разнообразие сиблингов. Это – отражение «эффекта бутылочного горлышка». Какое количество мутантных молекул попадет в ооцит на раннем этапе оогенеза – дело случая :

Отсутствие механизма точного распределения митохондрий между отдельными клетками

Уменьшение синтеза АТФ Нарушение кальциевого баланса клетки Повышение количества ROS (reactive oxygen species) Особенности мутаций митохондриальных генов Мутации могут затрагивать: специфические белки – при точечных мутациях и малых делециях структурных генов, а также митохондриальный геном в целом: - большие делеции; - мутации в генах тРНК; - мутации в генах рРНК. В результате мутациий наблюдается:

ген ДНК-полимеразы гамма (осуществляет синтез мтДНК); ген тимидинфосфорилазы (нарушает метаболизм тимидина); ген Twinkle (участвует в поддержании целостности митохондриального генома). Некоторые мутации ядерной ДНК могут приводить к мутациям митохондриальной ДНК: Информация о мутациях в этих генах накапливается стремительно

Особенности мутации митохондриальных генов Строгая связь между сайтом мутации и клиническим фенотипом часто отсутствует : Одна и та же мутация может вызывать разные симптомы. Один и тот же клинический фенотип могут формировать разные мутации Исключения: MERRF синдром - мутации всегда в тРНК Lys гене; LHON – мутации в генах ND

2/3 известных точечных мутаций мтДНК сосредоточены в тРНК генах (9% генома) Больше всего мутантных точек выявлено в лейциновой тРНК

Мутации лейциновой тРНК

Синдром Лебера: LHON (1871 г.) - наследуемая по материнской линии потеря зрения происходит у людей лет вследствие атрофии зрительного нерва и дегенерации ганглиозного слоя клеток ретины Заболевание связано с передаваемой от матери мутацией митохондриальной ДНК в одном из ND генов (комплекс I). В 70% случаев это G11778A (ND4), а в Японии в 90% в 13% случаев G3460A (ND1); в 14% случаев T14484C (ND6) Мутация находится в гомоплазматическом состоянии Примеры некоторых синдромов

745 п.н. 634 п.н. ДНК-диагностика синдрома Лебера в семье N проведена нами впервые в 2006 году здоровый сестра мать человек пробанда G11778A замена G11778 пробанд с синдромом Лебера

Лишь у 50% мужчин и 10% женщин носителей патогенных мутаций комплекса I в действительности происходит потеря зрения Загадки синдрома Лебера: В 80-85% случаев поражаются мужчины (Х хромосома несет какой-то локус чувствительности ?) ?? В формировании заболевания участвуют какие-то дополнительные факторы ( ???) ?? Чаще всего мутации, ведущие к синдрому Лебера, встречаются в мтДНК гаплогруппы J; эту группу несут около 15% европейцев

Мутации генов транспортной РНК Самая часто встречающаяся точечная мутация: А3243G в лейциновой тРНК Обнаружена у большинства больных с синдромом MELAS Миопатия энцефалопатия лактат- ацидоз инсультоподобные (stroke-like) эпизоды Мутация встречается исключительно в гетероплазматическом состоянии В одних семьях А3243G вызывает преимущественно кардиомиопатию, в других – диабет и глухоту, в третьих PEO, в четвертых - энцефалопатию ???

Впервые ДНК-диагностика синдрома MELAS была проведена нами в 2007 году Мама: фенотипически здоровая женщина очень маленького роста 1ый ребенок Кардиопатия, ЗПР, ЗФР. Умерла скоропостижно после травмы I брак II брак 2ой ребенок Менингоэнцефалит Умер от ишемического инфаркта обоих полушарий мозжечка 3ий ребенок родился в 1998 Прогрессирующая миопатия, миокардио- дистрофия Митохондриопатия?? Обнаружена мутация MELAS у сына (80% мутантных молекул в крови) у мамы (40% )

Мутация резко снижает эффективность трансляции в мт и тем самым провоцирует дефицит дыхательной цепи Мутации генов транспортной РНК (продолжение) Мутация А8344G в гене лизиновой тРНК при уровне мутантных молекул > 85% приводит к синдрому MERRF: Миоклонус-эпилепсия; «рваные» красные мышечные волокна; задержка умственного развития; атаксия; атрофия мышц и др. Матери больных обычно фенотипически здоровы или несут слабо выраженные симптомы

Мутации генов рибосомальной РНК Чаще всего встречается мутация гена 12S рРНК A1555G Вызывает несиндромную потерю слуха из-за чувствительности носителей мутации к ототоксическим аминогликозидам Другие мутации генов 12S и 16S вызывают кардиомиопатию, атаксию, MELAS, диабет mellitus, сенсорно-невральная потерю слуха

T8993G: лейцин замещается на аргинин в ATPase6, что приводит к нарушению синтеза АТФ Если доля мтДНК больше 90%, клиническое проявление наблюдается раньше и симптомы более тяжелые: подострая некротизирующая энцефалопатия с чертами синдрома Лея (LS) Примеры некоторых синдромов NARP (neuropathy ataxia and retinitis pigmentosa) Мутация в гене ATPase6 – трансверсия Т – G в нуклеотиде 8993 (70-90% мутантной ДНК)

Синдром Лея – тяжелейшее нейродегенеративное заболевание : - симметричные некротические повреждения в субкортикальных областях ЦНС – базальных ганглиях, таламусе, стволе мозга, спинном мозге; - демиелинизация, сосудистая пролиферация и «глиозис»; Заболевание начинается в раннем детстве, редко во взрослом состоянии; - моторная и умственная регрессия, атаксия, дистония, аномальное дыхание Смерть наступает обычно через два года после начала заболевания

LS 2/10 случаев – мутации митохондр. ДНК (MILS) 1/10 cлучаев – мутации Х- хромосомы ATPase 6 PDHC 7/10 cлучаев – рецессивные мутации ядерных аутосомных генов, кодирующих субъединицы дыхательной цепи или белки, участвующие в ее сборке

KSS – фатальная мультисистемная патология, проявляется в возрасте 4-18 лет: CPEO, пигментный ретинит, атаксия,глухота, эндокринная дисфункция, атриовентрикулярная блокада сердца, повышение уровня белка в цереброспинальной жидкости выше 100 мг/дл, «рваные» волокна в скелетных мышцах Делеция не наследуется Синдром Кернс-Сейра (KSS) Причина – крупная делеция 5 т.п.н. Утрачиваются 5 генов тРНК и 5 белковых генов

Та же делеция 5 т.п.н. вызывает еще 2 синдрома: Синдром PEO – Прогрессирующая наружная офтальмоплегия Синдром Пирсона – PS Гипопластическая анемия, нарушение экзокринной функции поджелудочной железы Все три синдрома являются спорадическими, формиуются в зависимости от сегрегации мутантных мтДНК с накоплением в разных тканях

В случае этой же делеции в 5 тыс п.н. вместо фатального KSS может наблюдаться PEO Прогрессирующая наружная офтальмоплегия, птоз Патология связана с параличом наружных глазодвигательных мышц Биохимически в мышцах обнаруживаются дефекты ферментов дыхательной цепи, особенно цитохромоксидазы Процент мутантных молекул в этом случае меньше, чем при KSS синдроме, синдром не связан с угрозой для жизни больного

Синдром митохондриальной деплеции - МDS В клетках остается % от нормального количества мтДНК Синдром проявляется в первые недели после рождения: фатальная гепатопатия; миопатия с генерализованной гипотонией; кардиомиопатия с судорогами (синдр. де-Тони-Дебре-Фанкони); атрофия проксимальных групп мышц; утрата сухожильных рефлексов. Смерть наступает в тяжелых случаях в первый год жизни

Патологии, вызванные изменением генов дыхательной цепи LHON LHON+дистония Спорадическая миопатия Энцефаломиопатия NARP MILS FBSN Синдром Лея Лейкодистрофия Синдром Лея Параганглиома Синдром Лея Кардиоэнцефалопатия Лейкодистрофия/тубулопатия М Я

Как диагностировать митохондриальную аномалию? При ясных симптомах – выделить кровь из вены и сделать ПЦР-анализ на точечные мутации или делеции Если результат анализа крови отрицательный, это еще не значит отсутствия заболевания (гетероплазмия!) Нужно взять биопсию: мышечную или кожную пробу у взрослых у детей Для неинвазивного тестирования используют седимент мочи, соскоб внутренней поверхности щеки, реже волосяные фолликулы

Как диагностировать митохондриальную аномалию? (2) Свежую мышцу анализируют гистологически и гистохимически « Рваные» мышечные волокна выявляются при окраске на сукцинатдегидрогеназную активность или с помощью Гомори trichrome stain Проводятся измерения активности отдельных звеньев комплексов дыхательной цепи свежая мышца культура фибробластов Если обнаруживается дефект в одном звене, это указывает на мутацию соответствующей субъединицы (я или м), если дефекты множественные – возможен дефект мт тРНК либо ядерных генов, участвующих в работе митохондрий

Как диагностировать митохондриальную аномалию? (3) Иногда дефект проявляется при нагрузке (NARP синдром при мутации гена ATPase6) – нужно клиническое тестирование: Наконец, в случае еще не описанных, редких «private» мутаций проводят прямое секвенирование мтДНК физические нагрузки с замерами лактата, магнитно-резонансной или инфракрасной спектроскопией

Типичны для митохондриальных заболеваний вовлеченность разных органов и одновременное проявление внешне не связанных между собой аномалий Диабет с глухотой Мигрени с мышечной слабостью Энцефало- миопатия с диабетом Наружная офтальмоплегия с нарушением проводимости сердечной мышцы и мозжечковой атаксией Низкорослость с миопатией и инсультоподобными эпизодами Экзокринная дисфункция поджелудочной железы с сидеробластной анемией Глухота с наружной офтальмоплегией, птозом и ретинопатией Задержка развития или потеря навыков и офтальмоплегия, офтальмопарез Тошнота, рвота с оптической атрофией и кардиомиопатией

Насколько часты митохондриальные болезни? Возраст манифестации митохондриальных заболеваний сильно варьирует ~ 50 % после 5 лет Частота митохондриальных энцефалопатий определяется примерно как 1 : Общая частота митохондриальных заболеваний – как 1 : Смертность от митохондриальных заболеваний составляет 5-20% в год от даты манифестации ~ 50% - до 5 лет

стресс, голодание, переохлаждение, продолжительная обездвиженность, прием седативных средств Если у больного митохондриопатия, то после перенесенных инфекционных заболеваний его состояние может резко ухудшиться также отягощают состояние Осторожно применять местную и общую анестезию!

Лечение митохондриальных болезней – насколько это реально? Фармакологический подход Витамины, кофакторы, «ловцы» свободных радикалов – для предотвращения повреждения дыхательной цепи Наиболее успешный пример – дихлорацетат, применяемый для уменьшения лактоацидоза у пациентов с МELAS Успех частичный и временный, чаще терапия неэффективна

Другой подход - уменьшить соотношение мутантная:нормальная мтДНК I. Увеличить количество немутантных молекул путем «сдвига генов» Индуцируется пролиферация сателлитных клеток в скелетных мышцах У некоторых больных с миопатией % мутантной мтДНК в сателлитных клетках ниже, чем в в скелетной мышце Обычно сателлитные клетки пролиферируют и сливаются со скелетными миофибриллами в ответ на стресс или упражнение Пропорция нормальных мтДНК молекул в мышце увеличивалась, дефект корректировался Лечение митохондриальных болезней (2)

II.Уменьшить количество мутантных молекул мтДНК Разработка синтетических молекул, избирательно связывающихся с мутаными ДНК и блокирующих их репликацию Введение в митохондрии фермента рестриктазы, избирательно разрушающего мутантную ДНК Лечение митохондриальных болезней (3) Успех достигнут пока только in vitro

Лечение митохондриальных болезней (4) Импорт из цитоплазмы нормальных тРНК вместо дефектных митохондриальных Замена дефектного комплекса дых. цепи на нормальный, полученный из другого организма (дрожжей) Все эти подходы - в стадии экпериментальной разработки «Молекулярно-внутриклеточная реконструкция» Пересадка ядра яйцеклетки из мутантной цитоплазмы в нормальную

Лечение митохондриальных болезней – насколько это реально? Фармакологическое Вылечить от митохондриального заболевания сегодня невозможно Применяется симптоматическое лечение: Физическое Хирургическое Физиотерапия, аэробная гимнастика, умеренные и легкие нагрузки Анти-эпилептические препараты, гормоны, витамины, метаболиты, кофакторы Блефаропластика, имплантация cohlear, трансплантация сердца, почек, печени, подкожная эндоскопическая гастротомия, cricopharyngeal миотомия

Ряд препаратов провоцирует митохондриальные заболевания или отягощает их течение Вальпроат: увеличивает частоту судорог при MELAS, гепатотоксичен Аспирин, фенобарбитал Кортикостероиды Тетрациклин, хлорамфеникол Аминогликозиды стрептомицин, гентамицин, амикацин, неомицин, канамицин - ототоксичны Этамбутол ( провоцирует проявление LHON) Статин ( провоцирует проявление MELAS) Антиретровирусные препараты: AZT – zidovudine, doxorubicin вызывают деплецию мтДНК Список далеко не полный!

Митохондриальные болезни еще предстоит научиться предупреждать и лечить