Transcript Mitokondriesykdommer i Norge

Mitokondriesykdommer
i Norge
Laurence Bindoff
Universitet i Bergen
Oversikt

Bakgrunn






Klinikken
Hvordan utreder man
Hva finnes i Norge


Hva gjør mitokondrie
Hva jeg mener med mitokondriesykdom
spesielle aspekter
av pasienter og hjelp!
Eksempler
Hva gjør mitokondriene?

Energi produksjon

OGSÅ




Fett oksidasjon
Uridin syntese
Urea cycle enzymes
+ others
karbohydrat
Fett, Protein
Metabolisme
NADH
Flavoproteins
Krebs
ß-oxidation
Respirasjons
- kjede
ATP
ENERGI
Respirasjonskjeden
OUT
I
c
Q
Q
II


III
c
IV
Inner mito
membrane
V
IN
5 store komplekser
Ligger i den indre mitokondrie membranen
Respirasjonskjeden
H+
H+
I
e-
Q
Q
Q pool
e-
NADH
NAD+
Krebs
β-oxidation
OUT
c
Q
e-
H+
Proton motive force
II
Q
ee-
e-
c
c
e-
III
½O2+ 2H
FADH2 FAD+
ETF
Flavoproteins
Krebs
β-oxidation
Inner mito
membrane
IV
IN
V
H2O
ADP + Pi
H+
ATP
Mitokondrienes genetikk
Nucleus
OUT
c
I
Q
Q
II
Q
Q pool
Q
c
III
c
Inner mito
membrane
IV
V
Mitochondrial DNA
87 proteiner bare som
inngår i respirasjonskjeden!
IN
Mitokondrie DNA



Sirkulær (16,5kb),
Kodes for 13 RC
12S rRNA F
proteins, 22 tRNA,
V
16S rRNA
2 rRNA
L
ND 1
Arv
I


Polymorphisk


maternal
høy mutasjons rate
Multiple kopier

2 - 10
M
OH
D-loop
T
cyt b
P
E
ND 6
Light Strand
ND 5
L
S
H
Q
ND 4
ND 2
W
Heavy
Strand
A
N
C
Y
ND 4L
R
ND 3
OL
S
D
G
COX 3
K
8
6
ATP ase
Heteroplasmy & threshold
Threshold (terskel)
100
80
% mutant
Degree of
heteroplasmy
Disease
[Functionally recessive]
Normal
0
Phenotype
>90%
Respirasjonskjeden
Ubiquinone
Cytochrome c
Mobile electron carrier
Mobile electron carrier
OUT
c
I
Q
Q
Q pool
Q
II
Complex 1
46 subunits:
7 mtDNA encoded
Q
III
c
c
Inner mito
membrane
IV
V
Complex 3
11 subunits:
1 mtDNA encoded
Complex 4
Complex 2
5 subunits;
NO mtDNA encoded
13 subunits:
3 mtDNA encoded
Complex 5
12 subunits:
2 mtDNA encoded
IN
Kjernegen – svært viktige
• Assembly
• Transport
• Uptake
Respiratory
I
chain
mtDNA
homeostasis
OUT
c
Q
Q
II
Q
Q pool
Q
c
III
c
Inner mito
membrane
IV
V
IN
mtDNA
Eksempel 1 - Protein import
2 - mtDNA replikasjon
SSB
POLG2
mtDNA
Twinkle
dNTP’s
ADP
ANT1
POLG1
ATP
3- sammensetting av
cytochrome oxidase
Oppsummering




Respirasjonskjeden frigjører energi fra
matstoffene og gjør det tilgjengelig for
kroppen
Mitokondria innholder eget arvestoff
Både struktur og funksjon avhenger av
tett samarbeid mellom kjerne og
mitokondrielle gener
Dette betyr at det finnes mange
muligheter å generere sykdom på
MEN, i tillegg
Neurodegeneration
Apoptosis
Cancer
Reactive oxygen
species
Drug metabolism
Ischaemia
Energy
production
Mitokondriesykdommer
Det kliniske problemet -1

Mitokondriesykdommer

Can affect any tissue


Can present at any age



all tissues have mitochondria
from birth to >80
Demonstrate any pattern of
inheritance
autosomal, X-linked, maternal
Det kliniske problemet -2

Rammer vev
med


Høy energi
behov
Differensierte
(ikke delings
kapasitet)






Muskel
Øye
Hjernen
Pankreas
Hjerte
HVER og ALLE
Hvor stort er problemet

Sverige


Innsidens hos barn
<16 = 1/11,000
(2005)
nyeste tall 1:5000
Finland



Storbritannia


(2001)
MELAS 1:3500
Australia

(2003)
prevalens 1:20,000

Her ble det
undersøkt KUN
kjente genetiske
defekter
derfor er dette et
stort og økende
problem
I Norge?
S
ito
4
A
nd
re
si
kk
er
m
KS
PO
LG
M
ER
RF
EL
AS
/
M
17
13
12
pe
n

67
80
70
60
50
40
30
20
10
0
gr
up

G71.3 Mitokondriesykdom
he
le

Vanskelig å vite ennå
Oversikt mest voksen
pasienter (G71.3)
46 med sikker
mitokondriesyk.
sikker mito =
histokjemisk mosaikk
eller biokjemisk
Antall

Diagnose avhenger av:

Klinisk oppmerksomhet


Må kunne gjenkjenner klassiske
fenotyper
Vær observant for de som kan være
mitokondrielt


visse kombinasjoner
Målrettet undersøkelser
Appropriate investigation
Clinical
Recognisable
phenotype
Suspect
phenotype
blood
Genetic
analysis
Muscle
biopsy
Molecular diagnosis
Genetic
analysis
Muscle biopsy
Biochemical analysis
- muskelbiopsi
OUT
c
I
c
Q
Q
Q
II
III
Q pool
Q
c
Inner mito
membrane
IV
IN
V
+
Succinate
dehydrogenase
Cytochrome
c oxidase
mtDNA mutasjoner
D-loop
MELAS
A3243G
12S rRNA
T
F
P
V
16S rRNA
L
E
ND 6
ND 5
ND 1
I
M
cyt b
L
S
H
LHON
Q
ND 4
ND 2
W
A
N
C
Y
MERRF
A8344G
D
CPEO/KSS
ND 4L
R
ND 3
S
COX 1
Deletion
G
COX 3
K
> 100 mutasjoner
Diagnostisering og Utredning

Krever klinisk og
laboratorisk
kompetanse
Utredning – er enkel!





Send pasient til meg! (ferdig med det?)
Det holder ikke!!
Ta opp anamnesen og undersøker pasienten –
og så send pasienten til meg!
Ikke det heller!
Gjør absolutt hva dere vil med pasienten, MEN
IKKE tar muskelbiopsien før du sender dem til
meg
Eksempel

Woman born ’63


Hyperglycaemia 2004





Previously healthy, nurse
incidental finding, diet
controlled
Sudden onset tinnitus
Mother - muscle cramps
& deafness
A brother DM + deafness
Clinical neurological exam
normal
diabetes & deafness
Eksempel

Man born ’68


Previously healthy
April ’04


unwell for 2 weeks


Found comatose
and fitting
Nausea, headache,
reduced hearing
Partial recovery

December ’04 
ataxia, dysarthria;
proximal weakness;
areflexia, cognitive
decline,
cardiomyopathy
April 04
December 04
diagnosen - diagnosene?
3243A>G mtDNA mutation
last cycle
”hot” PCR
3243A>G mutation in
tRNAleu(UUR) mtDNA
No phenotype genotype
correlation
MELAS
A3243G
A3243G
A3252G
or
T3271C
CPEO
T3291C
or
Myoclonic Epilepsy T3291C
G1642A
or
Diabetes/Deafness T9957C
svær fenotypisk variasjon
MELAS
Eksempel
No COX negative fibres!





24 yr old ♀
Exercise dyspnoea
from age of 8.
Now - stops after
one flight of stairs.
Exercise can
precipitates muscle
pain lasting hrs – days
Biopsy


Combined SDH &
COX
Ragged brown fibres
OH
D-loop
L
P
G
M
L
ND 1
M
A “new” ND5
mutation T13271 C
T
cyt b
12S rRNAF
V
16S rRNA
P
E
ND 6
ND 5
Light Strand
L
S
H
I
Q
M
ND 2
W
ND 4
A
N
C
Y
ND 4L
R
ND 3
S
% level of13271T>C mutation
D
100
G
COX 3
K
8 ATP6ase
Non RBF
80
60
RBF
40
20
0
Non-RBF
RBF
Tissue distribution & family
%-m utation
RBF
Patient
muscle
90
80
70
60
50
40
Patients
urine
30
20
mothers
urine
mothers
muscle
10
Patients
blood
mothers
blood
0
1
2
3
4
5
6
7

Viser hva man må
gjøre for å
bekrefte en ny
mtDNA mutasjon
Example 2



Man born 1942.
From 30 y.o. poor night vision.

Retinitis Pigmentosa. Blind 53 yr.

Noted to have
Epilepsy started 52 y.o.





depressed reflexes
Sensory loss right hand

MRI normal. EEG: epileptic changes.

MRI - Atrophy, small ischaemic lesions.
Gait ataxia & Intractable epilepsy from 60
Stroke 61yo. Noted to have proximal weakness
Cognitive decline
Family
+ 9 (18)
†87 . Demens.
Diabetes.
Hørselstap.
NIDDiabetes.
Hypertension.
CHD
Occipital
infarct.Epilepsy.
Diabetes II
Hørselstap?
† 51 (av ?) Hypertensjon
Epilepsi.
†6 mnd (av
meningitt)
Epilepsi.
Diabetes.
Hørselstap Epileptisk
anfall (20)
Alcoholisk
pancreatitt.
Diabetes II.
Hjerneslag
(36)
Nevrogent
hørselstap
Bakre
hjerneinfarkt
(27)
Trigeminusnevralgi
Barneepilepsi
Muscle biopsy


COX/SDH staining
shows a mosaic
COX positive &
negative
Diagnosis
mitochondrial
(probably mtDNA)
Genetic investigation



Screened for
MELAS mutation
Whole mtDNA
sequenced
Several changes
found including


5556G>C
Gene for
tRNA(trp)
Conserved?
Tryptophane (Trp)
Felis catus
Gorilla gorilla
Halichoerus grypus
Hippopotamus amphibius
Homo sapiens
Pasient
Hylobates lar
Macropus robustus
GCTCT AAGC
GCCCT TAGT
GCCCT AAGT
GCTCC AAGC
GCCCT CAGT
GCCCT CACT
GCCCT CAGT
GCCTT AAGC
AAGTC
AAGTT
AAGTA
AAGTA
AAGTT
AAGTT
AAGTT
AGGTG
CTACA
ACAA
TTACT
TATAT
GCAA
GCAA
AACAA
TTAAAT
http://mamit-trna.ustrasbg.fr/table/Tryptophane.html
Segregates with affected
tissue?
Mutant
C C C T C A C T
Normal
A A G
C C C T C A G T
mtDNA sequence
from muscle
A A G
mtDNA sequence
from blood
5556G>C mutation
Heteroplasmy?
Standard
Muscle
Blood
Control
Family
+ 9 (18)
†87 . Demens.
Diabetes.
Hørselstap.
NIDDiabetes.
Hypertension.
CHD
Occipital
infarct.Epilepsy.
Diabetes II
Hørselstap?
† 51 (av ?) Hypertensjon
Epilepsi.
†6 mnd (av
meningitt)
Epilepsi.
Diabetes.
Hørselstap Epileptisk
anfall (20)
Alcoholisk
pancreatitt.
Diabetes II.
Hjerneslag
(36)
Nevrogent
hørselstap
Bakre
hjerneinfarkt
(27)
Trigeminusnevralgi
Barneepilepsi

Viser at alt som er
sykdom blir ikke
mitokondrielt
betinget
mtDNA replication
SSB
POLG2
mtDNA
Twinkle
dNTP’s
ADP
ANT1
POLG1
ATP
mtDNA polymerase gamma


= Mitochondrial DNA
dependant DNA
polymerase
Responsible for mtDNA
replication & repair
POLG Clinical syndrome

Starts

with headache +/- epilepsy




or ataxia




may be the same thing!
headaches – migraine-like
majority have occipital focus initially (visual
phenomena)
central and sensory (true spinocerebellar)
progressive
develops in all (epilepsy almost all)
or both
other features





Myoclonus
Cognitive
impairment
Depression
Tremor
Ophthalmoplegia

(often a late
feature)
Liver involvement

Occurs with both mutations



Liver failure


common in terminal phase (multiorgan)
elevated enzymes
precipitated in all but one case by sodium
valproate?
PM findings show centrolobular necrosis
similar to Alpers
MRI – findings (1)
Cerebellar atrophy
MRI – findings (2)

17 y.o. female
with seizures +
visual
phenomena &
simple motor
seizures
involving left
arm/neck
Admission
6 weeks later
Palatal myoclonus

Inferior olivary
nucleus
other investigations

Muscle biopsy


COX negative fibres - absent early
multiple mtDNA deletions



BUT may be detectable only by Rt-PCR
Neurophysiology

axonal > demyelinating neuropathy

raised protein
CSF
Clinical syndromes associated
with POLG mutation




adPEO
arPEO
(male sterility)
more complex
phenotypes




PEO +
Parkinsonism
Alpers’ syndrome
Ataxic syndromes
Patients


33 patients (32Norwegian + 1 Italian)
belonging to 27 families.
2 POLG mutations most frequent:



G1399A (giving A467T protein change).
G2243C (giving W748S protein change).
3 distinct genotypes:



homozygous G1399A.
homozygous G2243C.
compound heterozygous G1399A/G2243C.
Common


in Norway!
200 Controls




100 blood donors
100 disease controls
2 heteroz A467T
2 heteroz W748S
Carrier frequency
= 1:50
The end