Mitokondriot ja mitokondriotaudit Anu (Suomalainen) Wartiovaara Molekyylineurologian tutkimusohjelma Biomedicum-Helsinki Helsingin Yliopisto FinMIT www.helsinki.fi/en/researchgroups/mitochondrial-medicine
Mitokondrioiden toimintahäiriöt - yleisiä taudeissa ja normaalielämässä 1:2000 populaatiosta mitokondriotauti
Mitokondrioiden toimintahäiriöt - yleisiä taudeissa ja normaalielämässä Mitokondriotaudit Vanheneminen Primaari Sekundaarinen
Mitokondrioiden historia Endosymbioosi Alpha-proteobacterium / Rickettsiae ~4 miljardia vuotta sitten
Mitokondrioko parasiitti? Alpha-proteobakteriaalialkuperää olevia geenejä aitotumallisten genomeissa ~ 630 Kuinka parasiitti hyödytti isäntää? Sen oma genomi kutistui, isännän laajeni, proteomi uudistui ATP? Lämpö? O 2 detoksifikaatio? H 2 tuotto? FeS keskusten synteesi? Tehokas energiantuotanto: pystyy ylläpitämään suurta genomia Enemmän proteiineja, joiden ominaisuudet evoluution kohde
Mitokondriot - Kahden kalvon soluorganellit Kuljetusmekanismien kehitys -> kuljetus sytoplasmasta mitokondrioihin ATP/ADP kantaja: Muuttuminen energialaitokseksi -> hengitysketjun kehittyminen -> Endosymbiontista organelli Kun välttämättömät geenit siirtyivät tumaan, Mitokondrio siirtyi tuman kontrolliin
Great moments in evolution
Mitokondriot yhä bakteerinkaltaisia * Ribosomit * Plasmidi DNA * DNA:n ylläpito * ionikuljetus
Mitokondriaaliset alttiusgeenit Mt-rRNA 12S pistemutaatio Aminoglykosidin aiheuttama kuurous Bakteeri mito mutantti mito
Mitokondrioiden kataboliset ja anaboliset tehtävät ATP Glukoosi Rasvahapot Aminohapot Kalsium, NO Metallit Steroidisynteesi Solukuolema Välittäjäaineet Lipidisynteesi Puriinisynteesi Metyyliryhmät
Mitokondriomoottori: polttoaineet sokeri ja rasva 70 kg 40 kg ATP/vrk 7.8x10 9 ATP molekyyliä / s / ug Ja päästöt: Happiradikaalit
Kompleksi I - höyrykone Happiradikaalit
Hengitysketju: mtdna + tumadna koodittavat H + ADP+P i ATP NADH NAD + ½ O 2 H 2 O Succinate ATP IM OM II Q III IV V I C H + H + H + H + ADP
ATP-syntaasi - solun voimalaitos ADP + Pi -> ATP Turbiinin keskustanko pyörii 150 kertaa /s 40 kg ATP/pv H+
Mitokondrio: bakteereista verkostoksi
Mitokondrioiden roolit solutilassa Nunnari, Suomalainen Cell 2012
Mitokondrioiden muokkautuvat muodot ja toiminta Nunnari, Suomalainen Cell 2012
Mitokondrioiden toimintaa säätelee kaksi erillistä perimää Tuman DNA mitokondrioiden DNA
Mitokondriogeenit tumaan: Tuman geeneistä 5-10% koodittaa mitokondrioproteiineja Entsyymit Hengitysketjun osaset Kuljetuskoneisto Kalsium, hemisynteesi mtdnan ylläpito
Ihmisen mitokondrio-dna 16.6 kb
Mitokondrio-DNA genetiikan käsitteet Heteroplasmia Kynnysarvo Maternaalinen periytyminen Non-universaalinen geneettinen koodi
Työntekijöiden määrä vs. Tulos Heteroplasmia, kynnysarvo
Maternaalinen periytyminen poika isä äiti mitokondriodna:n esiäiti
munasolu siittiö
MtDNA mutaatio: heteroplasmia 20% 70% 90% 30%
Kudosten kynnysarvo paljonko kestää hengitysketjun toimintahäiriötä? 70% 70% 70%
Mitokondrioiden toimintaviat aiheuttavat tauteja
Mitokondriotautien kaksi vuosikymmentä LihastautimtDNA geenit mtdna diabetes Tumageenit mitokondrio-taudeissa Mitokondriot solukuoleman säätelyssä Mitokondrio alttiusgeenit Mitokondrio syöpägeenit Tyyppi II DM ja mitokondriot Mitokondriot, Ikääntyminen, Hermoston rappeumataudit Metabolinen Syndrooma, obesiteetti 1988 1992 1995 1998 2003 2005 2017
Mitokondriotaudit Ilmenevät missä kudoksessa tahansa, millä oireilla tahansa, millä periytymismallilla tahansa
Valtava oirekirjo mikä syynä? Deafness, hearing deficit Retinitis pigmentosa Optic neuropathy Cataracts Defects of vision, blindness Acute liver damage Hepatopathy Muscle weakness Cramps Tiredness in exercise Sensory or motor neuropathies Tingling, pain and numbness of extremities Progressive encephalopathy Neurodegeneration Strokes, demyelination Epilepsy, ataxia, parkinsonism, migraines cognitive decline, hemiparesis, psychiatric symptoms Cardiomyopathy, conduction defects Kidney dysfunction Diabetes Intestinal dysfunction: malabsorption, diarrhea Infertility, premature menopause Sideroblastic anemia Immunological defects
Kun epäillään mitokondriotautia
Perhetiedot Pituus Kuulo Migreeni Diabetes Rasitusväsyvyys Onko perheessä MITÄÄN poikkeavaa?
Diagnostiikka Kliininen kuva - oireet, kuvantaminen, elektrofysiologia, suorituskyky Seerumimarkkerit Lihaksen histologia (biopsia) Mitokondrioentsyymien aktiivisuudet DNA: tuman ja mtdna:n geenivirheet
Hero Melas 3243 Trichrome PAS ORO A. Paetau
Histokemiallinen tutkimus COX-SDH, Melas 3243 A. Paetau
KSS KSS Melas 3243?
Mitokondrioiden toimintaviat - yleisiä taudeissa ja normaali elämässä Mitokondriotauti Normaali elämä Primaarinen Sekundaarinen COX-negatiiviset syyt: 6% 49 vuotiaana 31% 92 vuotiaana Bua et al. Am J Hum Genet 2006
Mitotautien diagnostiikka lihasmeetingissä tiimityötä Kliinikko potilaan tarina Patologi miltä lihas näyttää Elektrofysiologi lihaksen aktiivisuus Kemisti biokemiallinen mitokondrioiden aktiivisuus Perinnöllisyyslääkäri, mitokondriolääkäri - lihaslöydöksen perusteella geenidiagnoosiehdotus
Genetiikka MtDNA:ssa tunnetaan jo yli 200 eri geenivirhettä, jotka aiheuttavat tauteja
Taudin periytyminen? Tuma vai mtdna? 50% 70% 2-5% 95%
MtDNA periytyminen Monta eri ilmiasua samassa perheessä Monta saman taudin vaikeusastetta Paljon sairastuneita ~60% 80% 80%??? >90% >90%
Leberin hereditäärinen optikusneuropatia Homoplasminen mtdna mutaatio 10:1 riski mutaation kantaja miehillä Akuutti näönmenetys toisesta silmästä
LHON: Keskeisen näkökentän puutos
LHON mutaatiot: Ubikinoni-sitoutumiskohta Happiradikaalit
Yleisin mtdna:n pistemutaatiotauti Suomessa: MELAS Mitokondriaalinen aivotauti, lihasoireet, maitohappo-asidoosi ja aivohalvaus Kantajafrekvenssi ~1:5000 1:10.000 ~1000 potilasta Suomessa Oireisto: Äidin kautta periytyvä diabetes Kuulovika Vaikea lasten aivosairaus Aikaiset aivoinfarktit Lihasheikkous Kardiomyopatia
MELAS-tRNA mutaatio mtdna
Lapsuusiän MELAS 40% 80%??
Sikiödiagnostiikka - perinnöllisyysneuvonta? Munasolun luovutus Istukkabiopsia / amniosyyttien tutkimus Preimplantaatio-diagnostiikka Sytoplasman vaihto + IVF Kromosomi-tumasukkulasiirto + IVF
MELAS / mitokondriaalinen diabetes & kuurous pistemutaatio mtdna:n trna Leusiinissa 50% 70% 2-5% 95%
Mitokondriot ja diabetes Poly-dC trna Leu A3243G CI trnagln CI trna ser trna Ser trna Lys
trna mutaation vuoksi: mrna protein Leu Leusiini-rikkaiden proteiinien puute -> hengitysketjun puutos -> ATP pula L-arginiini pula; typpioksidimetabolia
Millä tasoilla mitokondriovaurio vaikuttaa? Aikainen,insuliinihoitoinen (DM1) Insuliinin eritys : ATP, Ca++, aminohapot? Betasolut DM2 Glukoosin otto Glukoosin käyttö Lihas Insuliini
Vanhuustyypin diabetes ja mitokondriot Normaali glukoosinsieto Alentunut glukoosinsieto DM2 Hengitysketjun proteiinien ilmentymistasot
Metabolinen oireyhtymä keskivartalolihavuus korkeat veren rasva-arvot korkea verenpaine Insuliini resistenssi Hypomagnesemia -> trna Ile pistemutaatio mtdnassa Perheissä myös migreeni, sensorineuraalinen kuulovika, hypertrofinen kardiomyopatia
Tauti katsojan silmässä?
Low power mitochondria may raise risk of cardiovascular problems Rotat: Synnynnäisesti sohvalla viihtyjät vs juoksijat: -> korkea kolesteroli -> huono kestävyys -> insuliiniresistenssi
Energiantarve AMP NAD+/NADH (metformin) Oksidatiivisen metabolian päällekytkijät PGC1a hengitysketjun aktivaatio mitokondrioiden proliferaatio oksidatiivinen metabolia
Mitokondriosignaalit viestivät ravinnon saannista Normal Nunnari and Suomalainen, Cell 2012
NAD+:NADH suhteen nosto: vitamiini B3 Korjaa mitokondriaalisen lihastaudin mitokondriovauriot Khan et al. EMBO Mol Med 2014
Mitokondrioilla on katabolisia ja anabolisia funktioita, kudosspesifisiä, kontekstista riippuvaisia Ravintoa vähän Ravintoa paljon
Eri kudosten metaboliset vaatimukset erilaiset Kantasolu Energeettisesti hiljainen Laadun valvonta Perimän stabiilisuus Oligodendrosyytti Biosynteettinen Myeliinin tuotanto Aminohapot Lipidit Sydänsolu Katabolinen Käyttää kaikkia ravintoaineita jatkuvasti Energiametabolia Antioksidanttipuolustus Stressit, vasteet, Akileen kantapäät erilaiset eri kudoksissa Taudit ja hoidot muokkaavat
Mitokondrioproteiineista 13 mtdnasta >1300 tuman DNAsta Tuman mitokondriogeenien taudit?
Tuman geenit - mitokondrioproteiinit Entsyymit Hengitysketjun osat Kuljetuskoneisto Kokoojaproteiinit mtdnan ylläpito
5 mtssbp MtDNA ylläpito Tuman koodittamat proteiinit 3 5 dntp dntp dntp dntp dntp B B Polymerase gamma Helicase Twinkle 3
MtDNA:n replikaatio ei toimi MitokondrioDNA:n instabiilisuus: Multippelit deleetiot
MIRAS Mitokondriaalinen Resessiivinen Ataksia Syndrooma Pikkuaivoperäinen ataksia Ääreishermorappeuma Puheen vaikeus Epilepsia Rantamäki et al, Neurology 2001 Hakonen et al, Am J Hum Genet 2005
MRI: MIRAS
MIRAS Yleisin suomalainen Periytyvä ataksia POLG 748Ser 1143Gly Kantajia 1:80 Suomessa
MIRAS: polveutuu Euroopassa, USA:ssa, Australiassa ja Uudessa-Seelannissa YHDESTÄ Kantavanhemmasta tuhansia vuosia sitten Suomi: 1:80 Norja: 1:100 748Ser 1143Gly
Hypometabolismi MIRAS:ssa PET: glukoosin käyttö 18F- fluorodioxyglucose III-12 III-8 control Potilas Kantaja Kontrolli III-12 III-8 control
MitokondrioDNA:n instabiilisuus: depleetio Skeletal muscle specific mitochondrial DNA depletion 120 % of mitochondria present 100 80 60 40 20 0 controls P1 P2 P3 P4 P5 negatice ctrl Götz, Isohanni et al. Brain 2008
MtDNA:n väheneminen Nukleotidisynteesin ongelmat
Avoimet kysymykset mitokondriotautien alalla Miksi niin paljon erilaisia ilmenemismuotoja? Miksi ilmenevät tietyssä kudoksessa? Miksi oireisto vaihtelee jopa saman geenivirheen kantajilla? Mitä ovat kudosten vasteet mitokondrioiden toimintavirheelle? Voidaanko kudosten vasteisiin vaikuttaa hoito
Kiitos tutkimusryhmälleni Chris Carroll Liliya Euro Pirjo Isohanni Virginia Brilhante Nahid Khan Mervi Kuronen Christopher Jackson PhD PhD MD PhD PhD PhD PhD PhD
Kiitos tutkimukseen Aktiivisesti osallistuneille Potilaille ja heidän perheilleen