Malattie Mitocondriali

Malattie legate al cromosoma X

Massimo Zollo

5000 fenotipi umaniMendeliani:

50% tratti autosomici dominanti36% autosomici recessivi

10% X linkeddi 5000 caratteri , 4000 sono associati a malattie umane per 600 sono state

identificate una o piu’ mutazioni responsabili di malattia!

Mitocondrio….

mtDNA

16569 coppie di basi e possiede 37 geni

Le funzioni del mitocondrioIl mitocondrio è in grado di svolgere molteplici funzioni. La più importante tra esse consiste nell'estrarre energia dai substrati organici che gli arrivano per produrre un gradiente ionico che viene sfruttato per produrre ATP.

Gli altri processi in cui il mitocondrio interviene sono:

1) l'apoptosi e la morte neuronale da tossicità da glutammato, 2) regolazione del ciclo cellulare, 3) regolazione dello stato redox della cellula, 4) sintesi dell'eme, 5) sintesi del colesterolo, 6) produzione di calore.

La produzione di energiautilizzando i principali prodotti della glicolisi: il piruvato ed il NADH. Essi vengono sfruttati in due processi: il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa.

• Sono gli organuli deputati alla respirazione cellulare aerobica (Combustione di glucosio fino a CO2 + H2O con produzione di ATP)

• Si trovano in tutte le cellule eucariotiche• Sono più numerosi nelle cellule

metabolicamente attive (fino a 1000 negli epatociti)

• Hanno lunghezza 2-8μm• Possono cambiare forma• Si replicano per divisione

matrix

inner membrane

outer membrane

inter- membrane

space

mitochondrion

cristae

matrix

inner membrane

outer membrane

inter- membrane

space

mitochondrion

cristae

• Hanno Membrana Esterna, liscia, permeabile alle sostanze piccole

• Membrana Interna, selettivamente permeabile

• Tra le due membrane c’è lo spazio intermembranoso

• La membrana interna si ripiega nelle creste mitocondriali che si estendono nella matrice (compartimento circondato dalla membrana interna)

• Nella matrice si trovano gli enzimi che degradano le molecole alimentari

• Nelle creste l’energia chimica delle molecole alimentari viene trasformata in ATP

• Nei mammiferi un mitocondrio ha 5-10 molecole di DNA circolare (1% del DNA totale) che è ipermutabile

• I mitocondri sono coinvolti nell’ apoptosi (PCD)

matrix

inner membrane

outer membrane

inter- membrane

space

mitochondrion

cristae

Apoptosi o morte cellulare programmata

Kerr and Searle (1972) termine col quale si indica la caduta delle foglie dagli alberi o dei petali dai fiori

necrosi apoptosi-condensazione

-esposizione di componenti nascoste del plasmalemma

-disgregazione del nucleolo, taglio della lamina, degradazione oligonucleosomale della cromatina

-granuli periferici di cromatina

-blebbing e formazione dei corpi apoptotici che verranno fagocitati

-processo passivo e degenerativo

-degradazione “random” della cromatina

-rigonfiamento e rottura dei mitocondri

-rottura del plasmalemma con conseguente rilascio di materiale intracellulare (compreso proteasi)

-stimolazione di una reazione infiammatoria

COSA SI CONOSCE OGGI…..

Trans-splicing

CARATTERISTICHE dell’ mtDNA

• POLIPLASMIA

• ETEROPLASMIA

• EFFETTO SOGLIA

• SEGREGAZIONE MITOTICA

• EREDITÀ MATERNA

POLIPLASMIA

In ogni cellula sono presenti molti mitocondri ed ogni mitocondrio contiene multiple copia del suo genoma (eccetto piastrine e ovulo non fertilizzato) migliaia di copie mtDNA / cell.

Durante la divisione cellulare i mitocondri vengono distribuiti casualmente alle cellule figlie e quindi la genetica mitocondriale è più simile alla genetica di popolazione che alla genetica mendeliana.

In tessuti normali tutte le copie di mtDNA sono identiche omoplasmia.

Nel caso di una mutazione del mtDNA questa può colpire tutte le copie oppure essere presente solo in una percentuale di genomi eteroplasmia.

Generalmente i polimorfismi neutrali sono omoplasmici mentre la maggior parte delle mutazioni-malattia sono eteroplasmiche eteroplasmia cellulare o mitocondriale?

ETEROPLASMIA

EFFETTO SOGLIA

L’espressione clinica delle mutazioni del mtDNA è determinata dalla relativa proporzione wild type / mutato in un determinato tessuto; è necessario un numero minimo di copie per danneggiare il metabolismo energetico di un determinato organo o tessuto (valore relativo e non assoluto) (SNC, cuore, muscolo, rene e ghiandole esocrine) (bilancio energetico).

SEGREGAZIONE MITOTICA

Durante la divisione cellulare la proporzione di genomi mutati può variare per deriva nelle cellule figlie, con conseguente cambiamento fenotipico.

EREDITÀ MATERNA

Virtualmente tutti i mitocondri dello zigote derivano dall’oocita e perciò la modalità di trasmissione delle mutazioni mt differisce dalla trasmissione mendeliana classica:

madre portatrice trasmissione a tutta la progenie, ma solo le figlie femmine possono trasmettere la mutazione ai loro figli.

Eteroplasmia + effetto dose eccezioni fenotipiche all’eredità matrilineare.

Ereditarietà mitocondriale

DIFETTI DEL DNA MITOCONDRIALE

1) sostituzioni nucleotidiche

2) A-delezioni / B- inserzioni

cag cac agc acgtc gtc gtc Tt

cag --- agc acgtc --- gtc tt

cag cag -agc acgtc gtc Cgtc tt

A B

SOSTITUZIONI NUCLEOTIDICHE

Generalmente associate a patologie neurologiche ed oftalmologiche.

Leber’s Hereditary Optic Neuropathy (LHON)Cecità ad insorgenza tardiva dovuta alla morte del nervo ottico è generalmente determinata da un cambio arg-his (np 11778) presente in omoplasmia nella maggioranza dei pazienti, ma può essere determinata da numerose altra mutazioni a carico dei complessi per il trasporto degli elettroni, talora anche in combinazione: la probabilità di cecità aumenta negli individui con mutazioni più gravi o nella combinazione di mutazioni diverse.

Neurogenic muscle weakness, Ataxia and Retinite Pigmentosa (NARP)Retinite pigmentosa, atassia, convulsioni, demenza, debolezza muscoli prossimali di origine neurogena, neuropatia sensitiva e ritardo nello sviluppo è determinata da un cambio leu-arg (np 8993) nell’ATPasi6; tale mutazione è sempre presente in eteroplasmia e la gravità dei sintomi è correlata alla percentuale del DNA mutante.

PAUSA

rilassiamo i mitocondri….

The matrix contains Pyruvate Dehydrogenase, enzymes of Krebs Cycle, and other pathways, e.g., fatty acid oxidation & amino acid metabolism.

The outer membrane contains large VDAC channels, similar to bacterial porin channels, making the outer membrane leaky to ions & small molecules.

matrix

inner membrane

outer membrane

inter- membrane

space

mitochondrion

cristae

Glycolysis occurs in the cytosol of cells.

Pyruvate enters the mitochondrion to be metabolized further.

Mitochondrial Compartments:

Pyruvate Dehydrogenase, catalyzes oxidative decarboxylation of pyruvate, to form acetyl-CoA.

H 3 C C C O

O O

C S

O

H 3 C Co A

HSCo A

N A D + N A D H

+ C O 2

P y r u v a t e D e h y d r o g e n a s e

p y r u v a t e a c e t y l - C o A

Mitocondrio umano

COX1

COX2COX3

EvoluzioneTecniche Forensiche

MalattieMITOhttp://www.webalice.it/prati_50/malattiemito.htm

• Malattia Di Alpers - Polidistrofia cerebrale progressiva infantile.  - • Sindrome Di Barth - Cardiomiopatia Infantile Mortale. • Mancanza Della Carnitina: Malattie con disturbo della demolizione degli acidi grassi   -  Codice di esenzione:  RCG070   -• Carenza della CPT (carnitin-palmitin-trasferasi) • Mancanza Del Complesso I -  carenza di NADH deidrogenasi (NADH-CoQ riduttasi). • Mancanza Del Complesso II - Carenza di succinato deidrogenasi. • Mancanza Del Complesso III - Carenza di Ubiquinone-citocromo c ossidoriduttasi. • Mancanza Del Complesso IV/Mancanza Del Cox – • Mancanza Complessa Di V - Mancanza del Trifosfato di adenosina Synthase:Sindrome della oftalmoplegia esterna progressiva cronica. • CPEO - Sindrome Esterna Progressiva Cronica Di Oftalmoplegia: Eredità mendeliana - materna - sporadica . • MELAS  -  Codice di esenzione:  RN0710   - • KSS - sindrome di Kearns-Sayre (spodadica)  - Codice di esenzione: RF0020  - • NARP -      Inizio: Infanzia - eredità materna    Codice di esenzione: RF0030 • MILS - Sindrome di Leigh ereditata per via matrilineare    Codice di esenzione: RF0030 • MERFF -  Epilessia mioclonica,  con le fibre ragged-rosse - Eredità materna o sporadica  -  Codice di esenzione: RF0020  - • Sindrome di Pearson:  Eredità sporadica  -  Inizio: Infanzia    -  Codice di esenzione: RN1600  - • MDS  La sindrome da deplezione del DNA mitocondriale  -  Codice di esenzione:  RN0710   - • MNGIE :  -  Codice di esenzione:  RN0710   - • Mancanza di CPT I  • Mancanza di CPT II • Acidosi lattica : • LCAD - Mancanza A catena lunga Della Deidrogenasi Dell'Acilico-CoA • Sindrome di Leigh:  da http://www.telethon.it/       Codice di esenzione: RF0030 • LHON• La neuropatia ottica ereditaria di Leber (LHON) • Malattia Di Luft : Sintomi: Ipermetabolismo, • Mancanza Della Carbossilasi Del Piruvato : • Mancanza Della Deidrogenasi Del Piruvato : • Malattia di Alzheimer: il cinque per cento circa dei malati anziani presenta la stessa mutazione del DNA mitocondriale • La sindrome da deplezione del DNA mitocondriale (MDS)

D I S O R D I N I      M I T O C O N D R I A L I

• a)Mutazioni puntiformi situate in geni codificati tRNA

• - Epilessia mioclonica con fibre Regged Red (MERRF) -neuromuscolare comprende epilessia, atassia progressiva., ipostenia ed ipotrofia muscolare, sordità e

demenza. Transizione A>G nel gene per il tRNA-Lys

• - Encefalomiopatia mitocondriale, acidosi lattica ed episodi tipo stroke (MELAS o MALAS) difetti di crescita, acidosi lattica

persistente, episodi di vomito, tRNA-Leu (UUR),

• b)Mutazioni puntiformi situate in geni che codificano subunità proteiche degli enzimi mitocondriali.

• Atrofia ottica di Leber (LHON) ereditarietà materna -perdita della visione centrale bilaterale-mutazioni puntiformi a carico del geni che codificano subunità proteiche degli enzimi mitocondriali

D I S O R D I N I      M I T O C O N D R I A L I

Leber’s Hereditary Optic Neuropathy (LHON)Cecità ad insorgenza tardiva dovuta alla morte del nervo ottico è generalmente determinata da un cambio arg-his (np 11778) presente in omoplasmia nella maggioranza dei pazienti, ma può essere determinata da numerose altra mutazioni a carico dei complessi per il trasporto degli elettroni, talora anche in combinazione: la probabilità di cecità aumenta negli individui con mutazioni più gravi o nella combinazione di mutazioni diverse.

• Neuropatia, Atassia e Retinite Pigmentosa (NARP) Retinite pigmentosa, cecità, atassia, crisi epilettiche-mutazioni nel gene per la subunità 6 del complesso V (ATPase 6).

D I S O R D I N I      M I T O C O N D R I A L I

• DELEZIONI SPORADICHE

• Sindrome di Kearns-Sayre (KSS) difetto di

conduzione cardiaca, sindrome celebrale, elevato contenuto proteiconel liquido

cerebrospinale (> 100 mg/dl).

• Miopatia oculare pura (OM)

• Sindrome di Pearson- tessuti emopoietici, il pancreas esocrino, il fegato e i reni. Il quadro più tipico è quello di una anemia

macrocitica, accompagnata da neuropenia e trombocitopenia

D I S O R D I N I      M I T O C O N D R I A L I

• DELEZIONI MULTIPLE • Delezione multipla ed ereditarietà autosomica

dominante -della D-loop ed il tratto corrispondente ai geni per l’ATPasi 6 e 8.

• DEPLEZIONE DI DNA MITOCONDRIALE• Miopatia mitocondriale infantile fatale

associata a deplezione del mtDNA -Marcata ipotonia

muscolare, ptosi, oftalmoplegia-deficit di citocromo b ed aa3 nel tessuto muscolare.

• Epatopatia mitocondriale infantile fatale associata a delezione del mtDNA.

D I S O R D I N I      M I T O C O N D R I A L I

Malattia di Alzheimer: il cinque per cento circa dei malati anziani presenta la stessa mutazione del DNA mitocondriale

• Alzheimer’s disease is the most common cause of dementia. The disease is age-sensitive, afflicting about 3% of people between 65 to 74 years of age, and rising to an incidence of nearly 50% in those over age 85.

                 

• The classification of diabetes mellitus as Type 1 and 2 was changed in 1997 from the old classification of Insulin-dependent diabetes mellitus (IDDM) and Non-insulin-dependent diabetes mellitus (NIDDM).

L’atassia di Friedreich esempio di malattia mitocondriale

(OMIM 229300)

• Autosomica recessiva• Incidenza: 1/30000-1/50000 nati vivi (Italia:

1/22000-1/25000). Frequenza minore nelle popolazioni asiatiche e africane

• Insorgenza solitamente prima dei 20 anni atassia e scoliosi (varianti rare: insorgenza fino a 50 anni o entro la prima decade di vita)

• Durata della vita ridotta

Alterazioni biochimiche e cellulari

• Alterazioni mitocondriali: - attività aconitasi ed enzimi dei complessi I-III

della catena respiratoria (N.B. enzimi che contengono un gruppo Fe-S)

- accumulo di ferro intramitocondriale - perdita di DNA mitocondriale fosfolipidi nella corteccia cerebellare e occipitale• Perdita neuronale nel midollo spinale, nella

corteccia e nel cervelletto

Manifestazioni cliniche

• Atassia, nistagmo, disartria, segno di Babinski, spasticità, debolezza delle estremità inferiori, alterazioni sensoriali, riduzione o perdita dei riflessi tendinei, riduzione o assenza dei potenziali somatosensoriali

• Anomalie scheletriche: scoliosi e piede cavo

• Anomalie cardiache: cardiomiopatia ipertrofica, stenosi muscolare subaortica, dilatazione del ventricolo sinistro, alterazioni della contrattilità cardiaca

• Anomalie endocrine: diabete mellito

• Alterazioni sfinteriche

EREDITARIETA’ LEGATA AL SESSO

Eredità X-Linked recessivaEredità X-Linked recessiva

• l’ individuo affetto è più frequentemente un maschio

• i maschi affetti sono comunemente nati da genitori sani

– la malattia viene ereditata dalla madre che è portatrice sana (eterozigote) e può avere parenti maschi affetti

• le femmine portatrici sono fenotipicamente normali (asintomatiche)

– in media, 1 su 4 figli è affetto

• in media il 50% dei maschi di una fratria è affetto

• NON vi è trasmissione da padre a figlio maschio

– ma un matrimonio di un maschio affetto con una femmina portatrice può simulare una trasmissione da maschio a maschio

Eredità X-Linked dominante (rara)Eredità X-Linked dominante (rara)

• generalmente le femmine sono affette il doppio delle volte dei maschi

– certe malattie sono letali nel maschio emizigote

• le femmine sono spesso affette più lievemente e con più variabilità dei maschi

– dovuto all’inattivazione del cromosoma X (o Lyonizzazione)

• padri affetti possono avere solo figlie femmine affette ma non figli maschi affetti

• in media il 50% di tutti i figli di una madre affetta saranno affetti

Eredità Y-Linked (rara)Eredità Y-Linked (rara)

• solo gli individui maschi sono affetti

• trasmissione diretta da padre a figlio

– cromosoma Y

• i figli maschi affetti avranno sempre un padre affetto

– a meno che sia insorta una nuova mutazione

• per esempio nei geni che inducono la differenziazione di un embrione in un maschio, che esprimono fattori spermatogenetici, gli antigeni minori dell’istocompatibilità (HY)

Analisi di alberi genealogici:eredità X-linked recessiva

Il gene che dà la malattia è trasmesso dal cromosoma X: dalle madri passa ai figli maschi e alle figlie, e dai padri alle figlie ma non ai figli maschi

– i maschi non affetti non hanno il gene che dà la malattia (non possono essere portatori)

– la madre di un figlio maschio affetto è portatore obbligato, a meno che il figlio abbia una nuova mutazione

– mutazioni nuove sono comune per molte malattie recessive X- linked

– tutte le figlie di un padre affetto ed il 50% delle figlie di na madre portatrice, sono portatrici

– discendendo di generazione in generazione nell’albero genealogico sulla linea femminile, il rischio di essere portatrice si dimezza ad ogni generazione

normale (XHY) x portatrice sana (XHXh)

50% femmine, normali

50% femmine, portatrici

50% maschi, normali

50% maschi, affetti

Eredità X-linked recessiva

affetti (XBY) x normali (XbXb)

100% femmine, affette

100% maschi, normali

normali (XbY) x affette (XbXB)

50% femmine, normali

50% femmine, affette

50% maschi, normali

50% maschi, affetti

Eredità X-linked dominanteEredità X-linked dominante

affetti (X Y) x normali (X X)100% femmine, normali

100% maschi, affetti

Eredità Y-linked dominanteEredità Y-linked dominante

EMOFILIA