Mitochondriální onemocnění

Mitochondriální onemocnění jsou dědičná metabolická onemocnění způsobená mutací buď v jádře v genech pro mitochondriální enzymy, nebo v mitochondriální DNA, která mají různé klinické projevy. Vyznačují se specifickým typem dědičnosti s výraznou variabilitou manifestace onemocnění u potomků. Mohou se týkat těchto funkcí mitochondrie:

• Oxidativní fosforylace (OXPHOS)
• Cyklus kyseliny citrónové (TCC)
• β-oxidace
• Cyklus močoviny – poruchy cyklu močoviny
• Spouštění apoptózy

DNA mitochondrie a různá onemocnění

Konzervativní odhad incidence mitochondriálních onemocnění je 11,5 postižených na 100 000 obyvatel.

Nemoc se projeví při zastoupení 60–90 % mutantních mitochondrií v daném místě tkáně. Některé mutantní mtDNA však mají replikační výhodu.

Prahová hypotéza (threshold thesis)

[ ✎ upravit vložený článek ]

V případě zdravého člověka je v mladém věku úroveň energetického přísunu mitochondrií 100 %, s věkem postupně klesá, přičemž například kolem 100. roku věku (to je poměrně individuální, u každého to může být jinak) poklesne na úroveň, při níž se mohou manifestovat obtíže. Nejcitlivější tkáň je mozek (poškození cca při 60% úrovni „energetického servisu“), dále srdce (40 %), endokrinní orgány a ledviny.

U člověka s mitochondriálním onemocněním je různá distribuce mutantních mitochondrií, což je označováno jako heteroplazmie. Tomu odpovídá různá úroveň energetického přísunu v různých úsecích tkáně. Již v mladém věku je však nižší než 100 % a postupně stále vlivem stárnutí a případnou replikační výhodou mutantních mitochondrií klesá. Záleží na tom, kdy a v které tkáni klesne pod práh pro ni charakteristický, při němž se onemocnění projeví poškozením daného orgánu.

Mitochondriální onemocnění oxidativní fosforylace se tedy mohou projevit:

• jakýmkoliv příznakem,
• v jakémkoliv orgánu,
• v jakémkoliv věku.

Onemocnění související s poruchou oxidativní fosforylace

[ ✎ upravit vložený článek ]

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

Onemocnění spojené s poruchou mitochondriální fúze a štěpení

V normální mitochondrii stále dochází k fúzi a štěpení vnější i vnitřní membrány. Toho se účastní proteiny mitofuziny s GTPázovou aktivitou.

Charcot-Marie-Tooth

Mutace genu pro mitofuzin 2. Autozomálně dominantně dědičná optická atrofie.

Poruchy v mitochondriálním metabolizmu pyruvátu a citrátovém cyklu

Běžně se jedná o onemocnění s autozomálně recesivní dědičností. Enzymopatie se vyskytují zejména u:

• pyruvát dehydrogenázy - nejčastěji defekt E1 podjednotky, X vázané, laktátová acidóza, Leigh syndrom, encefalopatie
• pyruvát dekarboxylázy
• fosfoenolpyruvát karboxykinázy
• fumarázy — heterozygoti mají predispozici k leiomyomům kůže a uteru a ke karcinomu ledvin

Mitochondriální poruchy metabolizmu mastných kyselin

[ ✎ upravit vložený článek ]

Metabolismus v mitochondriích se týká zejména mastných kyselin s dlouhým řetězcem (long chain), které do mitochondrie vstupují pomocí karnitinového cyklu, a mastných kyselin se středně dlouhým řetězcem (medium chain), které do mitochondrie difundují přes membránu.

Poruchy metabolizmu mastných kyselin se mohou týkat

• karnitinového cyklu,
• β-oxidace mastných kyselin,
• transferu elektronů na komplex II (oxidace FADH₂ na FAD),
• syntéza ketolátek a ketolýza.

Deficity enzymů účastnících se β-oxidace jsou typicky vyskytujícími se příznaky po hladovění – obvykle delším jak 12 hodin, které může být pro pacienty kritické – případně také po zvýšené zátěži. Hlavním příznakem jsou potom ataky hypoketotické hypoglykémie, které mohou probíhat pod obrazem SIDS (syndrom náhlého úmrtí novorozence), Reye-like syndromu, nebo myopathie, kardiomyopathie, hepatopathie a hepatomegalie, nebo jejich kombinací, případně i svalová slabost a rhabdomyolýza.

Léčba

V akutním stavu se podává desetiprocentní glukóza s cílem potlačit lipolýzu a β-oxidaci v játrech a svalech.

Dlouhodobě se omezují tuky a naopak je strava bohatá na škrob a maltodextriny.

U poruch metabolismu mastných kyselin s dlouhým řetězcem se též užívá léčba pomocí MCT olejů, zatímco u poruchy MCAD je pro jejich užití naprostá kontraindikace, jelikož právě tyto se hromadí.

• Při poruše metabolizmu mastných kyselin a syntézy ketolátek, které se významně uplatňují jako energetické substráty zejména při hladovění, dochází k hypoglykémii v důsledku porušené glukoneogeneze nebo excesivní spotřebě glukózy.
• Pro poruchy ketolýzy je typická ketoacidóza.

Poruchy karnitinového cyklu

Fyziologicky jsou mastné kyseliny s dlouhým řetězcem do mitochondrie z cytosolu dopravovány pomocí karnitinového cyklu: karnitin palmitoyl transferáza 1 (CPT1) katalyzuje kondenzaci mastné kyseliny s karnitinem, acylkarnitin přestupuje přes vnější mitochondriální membránu, acylkarnitin translokáza přenáší acylkarnitin přes vnitřní mitochondriální membránu do matrix mitochondrie a zároveň volný karnitin zpět. V matrix je acylkarnitin hydrolyzován karnitin palmitoyl transferázou 2 (CPT2).

Mohou nastat tyto enzymopatie:

• Karnitin palmitoyl transferáza 1
  • Klinické příznaky: Mezi typické klinické příznaky patří hypoketotická hypoglykémie, hepatomegelie a hepatopathie při zvýšeném energetickém nároku (hladovění, infekce, fyzická námaha)
  • Laboratorně: Nachází se zvýšená koncentrace jaterních i svalových enzymů, dále pak zvýšené množství volného karnitinu a naopak nízké množství acylkarnitinu. Celkový karnitin 150–200 %.
• Karnitin palmitoyl transferáza 2
  • Vyskytuje se ve třech klinických formách.
    • Neonatální forma, většinou letální a projevuje se atakou hypoketotické hypoglykémie a bezvědomím, hepatomegalií s hepatopatií a kardiomyopatií. Častý je i výskyt cystické dysplazie ledvin.
    • U kojenecké formy s vysokou úmrtností se vyskytují opakované ataky bezvědomí s křečemi, hypoketotickou hypoglykémií a hepatomegalií, kardiomegalií a poruchami srdečního rytmu.
    • Adultní forma onemocnění je charakteristická atakami myoglobinurie a svalové slabosti po fyzické zátěži. Provokačním momentem může být také stres, hladovění nebo infekce. Nacházíme nízkou koncentraci volného karnitinu v séru se zvýšenou koncentrací C _16-18 acylkarnitinů v krvi při vyšetření pomocí tandemové hmotnostní spektrometrie.
• Karnitin acylkarnitin translokáza
• Vyskytuje ve dvou klinických formách.
  • U neonatální formy s vysokou úmrtností se rozvíjí několik dní po narození život ohrožující kóma, kardiorespirační selhání a ventrikulární arytmie. Později se objevuje metabolická dekompenzace s hypoketotickou hypoglykémií, jaterním selháním s mírnou hyperamonémií a svalovou slabostí při hladovění, nebo v období zvýšených energetických nároků na organismus.
  • U těžké formy je častý syndrom náhlého úmrtí (SIDS). Mírná forma probíhá jako ataky hypoketotických hypoglykémií.

Poruchy β-oxidace

Mezi nejčastější deficity patří:

MCAD

MCAD je velmi časté onemocnění, incidence ve Velké Británii a USA je 1:10 000. První příznaky onemocnění se většinou objevují mezi 3. až 15. měsícem života. Nejčastější z příznaků jsou recidivující ataky zvracení s poruchou vědomí, která často ústí v kóma. Doprovází je hypoketotická hypoglykémie a Reye-like syndrom při infekcích spojených s hladověním. První ataka může proběhnout pod obrazem syndromu náhlého úmrtí (SIDS). V období mezi atakami mohou být pacienti bez jakýchkoliv klinických obtíží. K pozdním projevům onemocnění může patřit psychomotorická retardace, zejména v oblasti vývoje řeči, poruchy pozornosti, proximální svalová slabost, záchvatové onemocnění, centrální hybné postižení a neprospívání.  Podkladem je deficit dehydrogenázy acyl-CoA se středně dlouhým řetězcem.

VLCAD

VLCAD je relativně vzácná porucha, která se vyskytuje ve třech klinických formách. Neonatální forma s progredující kardiomyopatií končí často letálně. Pozdní forma je mírnější, objevuje se později v dětském věku a jsou pro ni typické ataky Reye-like syndromu. Pozdní dospělá forma se projevuje intolerancí fyzické zátěže s atakami rhabdomyolýzy a rizikem renálního selhání.

U VLCAD nalézáme abnormální profil acylkarnitinů v krvi při vyšetření tandemovou hmotnostní spektrometrií. Příčinou je deficit dehydrogenázy acyl-CoA s velmi dlouhým řetězcem.

LCHAD

vyskytuje se ve dvou formách:

• izolovaný deficit, který je daleko častější.
• jako deficit mitochondriálního trifunkčního proteinu v kombinaci s deficitem 2-enoyl-CoA hydratázy a 3-ketoacyl-CoA thiolázy.

První příznaky se většinou objevují do 3 let. Nejčastější jsou ataky akutního jaterního onemocnění s nálezem hypoketotické hypoglykémie provokované hladověním, nebo jiným katabolickým činitelem. Často dochází k rozvoji hypertrofické kardiomyopatie se svalovou slabostí. Stavy zvýšené zátěže organismu (horečka, akutní infekce) bývají provázeny významným zvýšením CK a myoglobinurií. Někdy se objevuje senzomotorická neuropatie a retinitis pigmentóza. Přibližně polovina pacientů s deficitem LCHAD umírá buď při první atace, nebo při progresi onemocnění na kardiopulmonální selhání. Isolovaný deficit LCHAD u plodu může být spojen s rozvojem syndromů AFLP (acute fatty liver of pregnancy) nebo HELLP (hemolysis, elevated liver enzymes and low platelets) v posledním trimestru gravidity u matky.

Podkladem je deficit 3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenázy s dlouhým řetězcem.

 Podrobnější informace naleznete na stránce Deficit LCHAD.

Poruchy syntézy ketolátek (ketogeneze)

• dědičnost autozomálně recesivní;
• metabolizmus ketolátek probíhá v mitochondriích jater;
• poruchy ketogeneze vedou při dekompenzaci k encefalopatiím, zvracení, poruchám vědomí, hepatomegalii. Biochemické nálezy jsou hypoketotická hypoglykémie s nebo bez hyperlaktacidémie analogicky k poruchám oxidace mastných kyselin;
• HMG-CoA syntáza katalyzuje kondenzaci acetoacetyl-CoA a acetyl-CoA na HMG-CoA, který je štěpen za účasti HMG-CoA lyázy na acetyl-CoA a acetoacetát;
• ketolýza je zahájena přenosem CoA ze sukcinyl-CoA na acetoacetát, který katalyzuje SCOT (succinyl-CoA:3-oxoacid CoA transferáza). Vzniká acetoacetyl-CoA, který je za účasti acetoacetyl-CoA thiolázy přeměněn na acetyl-CoA.

Ketogeneze

• Deficit 3-hydroxy-3-metylglutaryl-CoA syntázy (HMG-CoA syntháza) — manifestace do šestého roku života, kóma, hepatomegalie, gastroenteritida, dikarboxylová acidurie. Okamžité zlepšení po podání intravenózní glukózy, žádné dlouhodobé komplikace.
• Deficit 3-hydroxy-3-metylglutaryl-CoA lyázy (HMG-CoA lyáza) — projevy do pátého dne od narození, možnost vyvolání hladověním nebo infekcí. Zvracení, hypotonie, poruchy vědomí, hyperamonémie, hepatomegalie. Možné komplikace pankreatitis, epilepsie, ztráta centrálního vidění. V krvi hypoglykémie a hypoketonémie, 3-hydroxy-3-metylglutarová kyselina v moči.

• Léčba: Nutný vysoký příjem sacharidů v potravě a nápojích, stejně tak při případném stresu. Doporučuje se omezení bílkovin, protože se enzymy ketolýzy účastní také jejich metabolismu (ketogenní AMK, př: leucin) a omezení tuků. Při acidóze je potřebná aplikace infúzního bikarbonátu.

• Prognóza: Je výrazně lepší se stanovením diagnózy a stoupajícím věkem. Ataky mohou být letální.

Odkazy

Použitá literatura

• HŘEBÍČEK, Martin: Dědičné poruchy metabolismu mitochondrií. Přednáška pro 3. ročník (patobiochemie, všeobecné lékařství), 12. 10. 2010.
• FERNANDES, John. Diagnostika a léčba dědičných metabolických poruch. 1. vydání. Praha : Triton, 2008. s. 576-580. ISBN 978-80-7387-096-6.

• MURRAY, Robert K., Daryl K. GRANNER a Peter A. MAYES, et al. Harperova BIOCHEMIE. 4.. vydání. Jinočany : H+H, 2002. ISBN 80-7319-013-3.