Mitochondriální onemocnění/Deficit enzymů respiračního řetězce

Mitochondrie se řadí mezi semiautonomní buněčné organely. Každá mitochondrie obsahuje vlastní genom ve formě cirkulární mtDNA ve 2–10 kopiích, dohromady se tak v buňce nachází zhruba 1000–10000 molekul mtDNA podle buněčného typu. V mitochondriích se odehrává citrátový cyklus, oxidativní fosforylace, β-oxidace mastných kyselin, část cyklu močoviny. Mitochondrie mají důležitou roli v apoptóze. Zmnožení mitochondrií nacházíme ve vysoce metabolicky aktivních tkáních jako jsou kosterní sval, srdeční sval, mozek, endokrinní žlázy − tyto orgány jsou na funkci mitochondrií zvláště závislé. Mnohé z nemocí způsobených mutací mtDNA patří mezi mitochondriální myopatie. Ve svalu nacházíme mitochondrie abnormální velikosti a tvaru, které podmiňují vzhled drsných červených vláken (ragged red fibres).

U mitochondrií se setkáváme s nemendelovskou maternální dědičností. Všechny mitochondrie zygoty pocházejí z vajíčka, a tedy jsou i s veškerou mtDNA předávány v mateřské linii. Nemoci způsobené mutacemi v mtDNA tak mohou být maternálně dědičné. Mitochondrie obsahují přes 1500 proteinů v závislosti na tkáni. Avšak lidská mitochondriální DNA obsahuje pouze 13 protein-kódujících genů. Zbývající mitochondriální proteiny jsou kódovány jadernou DNA a do mitochondrie se dostávají posttranslačně a v případě mutace jaderné DNA způsobující poruchu funkce těchto proteinů nacházíme klasickou mendelovskou dědičnost. U všech mutací však platí, že symptomy nemocí se typicky zhoršují s věkem (progresivní průběh). U většiny nemocí způsobených mutací, příp. mutacemi v mtDNA nacházíme tzv. heteroplasmii, což znamená, že daná buňka obsahuje určité procento mutovaných a normálních molekul mtDNA. Od množství mutovaných molekul a také od postiženého orgánu se odvíjí tzv. prahový efekt. To je právě určité množství mutované mtDNA, které způsobí daný defekt. Z těchto důvodů se mitochondriální nemoci projevují ve kterémkoli věku a klinicky se projevují onemocněním zdánlivě nesouvisejících orgánů.

Důvody, proč jsou mitochondrie asi 10 krát náchylnější na poškození DNA více než DNA jaderná, jsou:

• mitochondriální DNA nemá takové množství opravných systémů jako jaderná DNA,

• mitochondrií je v buňce mnoho a jejich DNA se musí dělit stejně často jako se dělí buňka sama, nedělí se však jen jedna mitochondrie, nýbrž všechny mitochondrie v buňce přítomné, tím stoupá pravděpodobnost vzniku chyby (v porovnání s dělením jednoho jádra),

• mitochondriální DNA nemá histony,

• mitochondriální DNA je velice blízko dýchacímu řetězci a tudíž i radikálům, které se při reakcích v dýchacím řetězci tvoří, z toho důvodu je vyšší pravděpodobnost poškození její DNA těmito radikály

Vzhledem k závažnosti onemocnění uvedených níže, je nutné, aby každý pacient s nevysvětlitelnou neuromuskulární poruchou byl podroben vyšetření na tato onemocnění spolu s vyšetřením poruch metabolismu mastných kyselin a karnitinového cyklu, jelikož tato všechna se úzce týkají energetického metabolismu buňky.

Vzhledem k dvojímu původu mitochondriálních proteinů, včetně proteinů komplexů dýchacího řetězce a assemblačních faktorů podílejících se na sestavení těchto komplexů, existuje několik základních příčin mitochondriálních onemocnění způsobených deficitem ETC. V nejširším smyslu je možné je rozdělit podle toho, zda se na patologii onemocnění podílí mutace mitochondriální DNA nebo ne. I tyto mutace však mohou mít svou hlubší příčinu v nesprávné funkci jaderně kódovaného proteinu podílejícího se na údržbě mitochondriálního genomu. Z hlediska dědičnosti je tak můžeme rozdělit opět do několika skupin. První tvoří spontánně vzniklé mutace v mtDNA vyskytující se v zárodečné linii, které se tudíž dědí maternálně (viz výše). Tyto mutace bez známé příčiny mohou však vznikat i v průběhu života, tj. sporadicky. Typickým příkladem těchto onemocnění je například Kearnsův–Sayreův syndrom (viz níže). Dále se vyskytují vícečetné mutace mtDNA způsobené poruchou funkce jaderně kódovaného proteinu (která je naopak zapříčiněna mutací v jaderném genomu). Jedná se především o proteiny podílející na replikaci a údržbě mitochondriálního genomu a enzymy metabolismu nukleotidů a jejich transportu do mitochondrií. Tato onemocnění mohou mít dědičnost autosomálně dominantní nebo autosomálně recesivní.

Druhou velkou skupinu pak tvoří onemocnění zapříčiněná výhradně mutací v jaderné DNA bez následného vzniku dalších mutací v mtDNA. Tyto mutace mohou být v genech kódujících samotné proteinové podjednotky komplexů dýchacího řetězce, ale také assemblační faktory pomáhající sestavení těchto komplexů, proteiny zajišťující transport ostatních proteinů do mitochondrií a jiné.

Na vzniku jednotlivých onemocnění a syndromů se však může podílet více různých mechanismů uvedených výše. Např. podobný syndrom může vznikat při mutaci v různých genech podjednotek některého z komplexů dýchacího řetězce, přestože některé z těchto genů jsou součástí jaderného a jiné mitochondriálního genomu (viz níže) apod. Symptomy některých syndromů se překrývají, jindy pacient vykazuje soubor symptomů neodpovídající přesně žádnému z popsaných syndromů.

Chronická progresivní externí ofthalmoplegie (CPEO)

• vyskytuje se společně s jinými změnami u Kearnsova–Sayreova syndromu nebo samostatně, dědičnost nejčastěji autosomálně dominantní nebo autosomálně recesivní
• příčina: bodové mutace jaderných genů, např. POLG, TWNK, RRM2B nebo SLC25A4, jejichž produkty proteinové produkty se se účastní replikace mtDNA a metabolismu nukleotidů v mitochondriích. Následkem jejich nesprávné funkce dochází k akumulaci mutací (především delecí) v mtDNA. Může být způsobena i jednotlivou rozsáhlou delecí mtDNA podobně jako Kearnsův–Sayreův syndrom (viz níže) nebo bodovou mutací mtDNA, např. v genu MT-TL1 kódujícím tRNA leucinu
• klinický obraz: ptosa, okulární myopatie s nástupem mezi 18 a 40 rokem věku, popř. generalisovaná myopatie, intolerance cvičení, dysfagie, ragged red fibres, poruchy sluchu aj.
• OMIM #157640 OMIM #609283 OMIM #609286 OMIM #258450

Kearnsův–Sayreův syndrom

• příčina: velká delece v mtDNA v rozsahu 1000–10000 nukleotidů, nejčastěji 4997 nt
• klinický obraz: ptosa, okulární myopatie před 20 lety věku, pigmentová retinitida, případně převodní srdeční porucha, mozečková ataxie, zvýšená koncentrace bílkoviny v likvoru (více než100 mg/dl), poruchy sluchu, svalová hypotonie, hypopituitarismus, ragged red fibres.
• OMIM #530000

Pearsonův syndrom

• příčina: velká delece v mtDNA v rozsahu 1000–10000 nukleotidů, nejčastěji 4997 nt
• klinický obraz: anémie/pancytopenie, dysfunkce pankreatu a jater v dětství, přeživší přecházejí do Kearnsova–Sayreova syndrom
• OMIM #557000

Maternálně dědičný diabetes a hluchota (MIDD)

• příčina: mutace v mtDNA v genu MT-TL1, MT-TK nebo MT-TE, jedná se o geny kódující mitochondriální tRNA Leu, Lys a Glu
• klinický obraz: diabetes mellitus 1. typu, hluchota, makulární dystrofie sítnice
• 100% penetrance
• OMIM #520000

Leberova hereditární optická neuropatie (LHON)

• onemocnění s typickou maternální dědičností, nejčastější mitochondriální onemocnění
• příčina: homoplasmické mutace mtDNA, nejčastěji m.3460G>A (gen MT-ND1), m.11778G>A (MT-ND4), a m.14484T>C (MT-ND4)
• klinický obraz: akutní nebo subakutní optická atrofie n. opticus se začátkem kolem 20. roku věku (začínající jako drobné výpadky zorného pole)
• v některých rodinách se vyskytuje i neuritida optiku
• neúplná penetrance – u 50 % mužů a 10 % žen se projeví příznaky
• OMIM #535000

Leighův syndrom

• příčina: Mutace v jednom z více než 75 různých genů. Asi u 20 % postižených jsou příčinou mutace v mtDNA, u ostatních mutace v jaderné DNA, které kódují mitochondriální proteiny – nejčastěji porucha komplexu I (> 25 známých genů v mtDNA i nDNA), dále komplexu IV (např gen SURF1), dále pyruvát dehydrogenázy nebo proteinů tvorby koenzymu Q10. Nejčastější mutací mtDNA způsobující tento syndrom je substituce m.8993T>G v genu MT-ATP6, jehož proteinový produkt je součástí ATPsyntázy
• mutace mtDNA způsobující při vysoké heteroplasmii Leighův syndrom mohou při nižším zastoupení mutovaných molekul způsobovat neurogenní slabost s ataxií a retinitis pigmentosa (NARP)
• prahový efekt mutace mtDNA je 31%
• klinický obraz: Mezi první projevy obvykle patří zvracení, průjem a dysfagie. Dále degenerace bazálních ganglií, hyperlaktacidemie, svalová slabost, křeče, progresivní zhoršování motoriky, prohlubující se psychomotorická retardace a nepravidelné dýchaní, oftalmoparéza, nystagmus, atrofie n. optici. Projevy již před prvním rokem života, progresivní průběh, smrt do několika měsíců resp. let obvykle následkem respiračního selhání.
• OMIM #256000

NARP

• = neuropathy, ataxia, and retinitis pigmentosa
• příčina: Mutace v genu MT-ATP6, jehož proteinový produkt je součástí ATPsyntázy, nejčastěji substituce m.8993T>G. Při heteroplasmii vyšší než ~90 % způsobuje Leighův syndrom
• klinický obraz: neurodegenerace, svalová slabost, ataxie a retinitis pigmentosa
• OMIM #551500

MELAS

• = mitochondrial encephalomyopathy, lactic acidosis, and stroke-like episodes
• příčina: Bodové mutace v mtDNA, nejčastěji m.3243A>G v genu MT-TL1 (tRNA pro Leu), dále MT-ND1, MT-ND5, MT-TH nebo MT-TV
• klinický obraz: Mitochondriální encephalomyopathie, laktátová acidóza, stroke-like syndrom a Diabetes mellitus, dále se vykytují křeče, demence a svalová slabost, popř. hluchota nebo slepota.
• OMIM #540000

MERRF

• příčina: Nejčastěji mutace mtDNA v genu MT-TK (tRNA pro Lys), konkrétně m.8344G>A, dále MT-TL1, MT-TH nebo MT-TS1
• klinický obraz: Myopatie, ataxie, myoclonická epilepsie a ragged red fibres. Dále hluchota senzorineurální, popř. atrofie n. optici nebo progresivní demence.
• OMIM #545000

Poruchy komplexů dýchacího řetězce a jejich přenašečů

• Mezi tyto defekty, jejichž detailní popis není třeba znát, ale je třeba o nich vědět, patří:
  • Deficit koenzymu Q
  • Deficit komplexu I
  • Deficit komplexu III
  • Deficit komplexu IV
  • Deficit komplexu V
  • Deficit ATD/ADP translokátoru

• Mezi další poruchy energetického metabolismu mitochondrií patří:
  • Deficit fumarázy

Což je defekt týkající se citrátového cyklu, ale s konečným dopadem na celkový energetický metabolismus

Základními klinickými příznaky jsou encephalopathie, hypotonie, poruchy vývoje, laktátová a pyruvátová acidémie a fumarátová acidurie.

Smrt nastává několik měsíců po porodu

• jako poslední uzavírá tato onemocnění porucha malát/aspartátového člunku