Митохондриальный геном и болезни человека

хп ячмень (СвЦ)
5 –мт ячмень (ЗГ)
6- хп подсолнечник
(ПГ)

Долог путь от гена к признаку…

в метаболизме аминокислот, липидов, холестерола, стероидов, нуклеотидов
Инициация процессов апоптоза (программируемой клеточной смерти)
Регуляция экспрессии ядерного генома
Участие в собственном воспроизведении

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

LSP

HSP

D-петля

ДНК-репликация в митохондриях связана с транскрипцией;
L- и H- цепи реплицируются с разных точек : ОL и ОH
Молекула мтДНК в области D-петли трехнитчатая.

Короткий РНК транскрипт с LSP –праймер для репликации H-цепи

участок Н цепи, оттесняемый 7S ДНК

β -дополнительной (accessory)
125 -140 kDa 35 – 54 kDa

Полимеразная активность

Экзонуклеазная активность proofreading: мутация в этой области уменьшает точность репликации

Участвует в узнавании РНК-праймеров

эффект

тканей наиболее метаболически активны, энергетически зависимы

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

ДНК
около 200 делеций, инсерций и других структурных реорганизаций мтДНК

кодируют мт белки)
Изменения в генах митохондриального кодирования (37 генов)
Выпадения участков мтДНК (делеции, множественные делеции)
Истощение пула митохондриальной ДНК

сиблингов.
Это – отражение «эффекта бутылочного горлышка». Какое количество мутантных молекул попадет в ооцит на раннем этапе оогенеза – дело случая :

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:

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

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 тРНКLys гене; LHON – мутации в генах ND

мутантных точек выявлено в лейциновой тРНК

происходит у людей 20-30 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

году

здоровый сестра мать человек пробанда

G11778A замена

G11778

пробанд с синдромом Лебера

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

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

???

здоровая женщина очень маленького роста

1ый ребенок
1988-2000
Кардиопатия, ЗПР, ЗФР.
Умерла скоропостижно после травмы

I брак

II брак

2ой ребенок
1991-2007
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% )

дефицит дыхательной цепи

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

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)

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

6

PDHC

7/10 cлучаев – рецессивные мутации ядерных аутосомных генов, кодирующих субъединицы дыхательной цепи или белки, участвующие в ее сборке

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

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

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

миопатия
Энцефаломиопатия

NARP
MILS
FBSN

Синдром Лея
Лейкодистрофия

Синдром Лея
Параганглиома

Синдром Лея
Кардиоэнцефалопатия
Лейкодистрофия/тубулопатия

М

Я

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)

ДНК и блокирующих их репликацию

Введение в митохондрии фермента рестриктазы, избирательно разрушающего мутантную ДНК

Лечение митохондриальных болезней (3)

Успех достигнут пока только in vitro

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

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

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!