Contents

  1. Bevezetés
  2. Okok az abnormális mitokondriális működésre
    1. Szerkezeti abnormalitások:
  3. Okozott betegségek
    1. Mitokondriális abnormalitások az Alzheimer-kórban
    2. Mitokondriális abnormalitások cardiovascularis betegségekben
    3. Mitokondriális zavarok a szemészetben
    4. Pearson-szindróma
    5. Kearns-Sayre-szindróma
  4. Források

Bevezetés

A mitokondriumok a sejt anyagcseréjében alapvető fontosságúak, az ATP-termelés, és egyéb intermedier bioszintetikus reakciók helyszíneként szolgálnak.(1) Ez a sejtorganellum saját cirkuláris DNS-sel rendelkezik, de génjeinek egy része az evolúció során áthelyeződött a nukleáris örökítő anyagba. (1,5) Ez okozza, hogy mind az mtDNS, mind az nDNS mutáció okozhatnak rendellenességeket a mitokondriumok szerkezetében, amelyek klinikai manifesztációi különböző anyagcsere-betegségek, vagy neurológiai kórképek. (2,3)

Okok az abnormális mitokondriális működésre

A mitokondriális betegségek jelentős részében a légzési lánc funkciója károsodik, ami maga után vonja a csökkent energiatermelést, így a sejt károsodását. A légzési lánc több, mint 70 polipeptidből épül fel, melynek többségének aminosav sorrendjét a nDNS kódolja, és szintézise a citoplazmában zajlik, csupán 13 polipeptid transzkripciója és transzlációja kötött a mtDNS-hez [Larsson & Clayton 1995].(2) A betegségek csoportosításának egyik alapja, hogy a mutáció melyik örökítőanyag-állományt érintette [Koopman et al, 2012], a teljes kategorizálás azonban sokkal összetettebb. Klinikailag hasonló tünetek eltérő szerkezeti rendellenességre, és különböző, azokat kiváltó mutációkra vezethetőek vissza.(2) Például ophthalmoplegia externát okozhat az mtDNS-ben egy egyetlen nukleotidot érintő pontmutáció, egy deléció, vagy a gén patogén alléljének jelenléte is [Finsterer 2019]. Másrészről azonos mutációk különbözőképpen fejeződnek ki, más személyeknél más tünetek jelentkeznek, azaz alacsony a genotípus-fenotípus korreláció.(2) Az A3243G mitokondriális gén mutációja például klinikai tünetként okozhat általános izomgyengeséget, terhelési intoleranciát, nagyothallást, diabetes mellitust vagy súlyos encephalipatiát visszatérő epilepsziás rohamokkal.(2,4) A mitokondriális betegségek előfordulása az emberi társadalomban 1:8500 [Gorman et al 2015]. Ha a mutáció az ivarsejteket is érinti, akkor a betegség öröklődik, így viszont a mtDNS-t érintő defektusok csak anyai ágon adhatóak tovább.(3,6) A mitokondriális rendellenességek fő okai: (2)

  1. nukleáris DNS mutációja:
    1. a légzési láncot érinti: strukturális fehérje-alegységet, enzim-kötő faktort, transzlációs faktort kódoló gén (Leigh-szindróma, hepatopathia, ketacidosis, myopathia, látóideg-bénulás, encephalopathia)
    2. többszörös DNS deléció (autoszomális progresszív külső szembénulás, mitokondriális neurogastrointestinális encephalomyopathia)

    3. egyéb, pl: lactacidosis, cardiomyopathia, KoQ10-hiány

  2. mitokondriális DNS mutációja:
    1. szerkezeti mutációk: deléció, duplikáció (Kearns-Sayre-szindróma, krónikus progresszív külső szembénulás, nagíothallás, diabetes)
    2. pontmutáció (Leber-féle veleszületett vakság, Leigh szindróma)
    3. tRNS-gének (mitokondrialis encephalomyopathia laktátacidózissal és stroke-szerű tünetekkel, cardiomyopathia, diabetes)
    4. rRNS-gének (süketség)

Születéskor a szervezet sejtjeiben lévő mitokondriumok örökítőanyag tartalma megegyezik (homoplazmia), a petesejtből származik. Az egyedi élet során a mtDNS-t érintő mutációk következtében számos mutáns változat jelenik meg a szervezetben az eredeti allél mellett, azaz a mitokondriális DNS különböző változata lesznek jelen. (heteroplazmia) [Melton 2004]. A mitokondriális betegségek klinikai heterogenitásának magyarázata, hogy más emberekben az azonos mutációk különbőző arányban vannak jelen, tehát eltér a heteroplazmia mértéke. (1) Jól megfigyelhető ez a jelenség a fehérjét kódoló gének mutálódásakor. Az ATP-áz enzim alegységét érintő T8993C/G mutáns allél előfordulása korrelál a klinikai tünetek súlyosságával: alacsony ráta esetén retinopathia, ataxia figyelhető meg, míg a magas heteroplazmia öröklődő Liegh-szindrómát okoz [Holt et al 1988].(1) Az emberi populációban az átlagos heteroplazmia 1-2% közötti [Smigrodzk; Khan 2005].

Szerkezeti abnormalitások:

Az normális felépítésű mitokondrium vázát egy külső és egy belső biológiai membrán alkotja, belül a mitokondriális mátrix, a kettő között pedig az intermembrán tér foglal helyet. A belső membrán betöremkedéseket, (cristae) képez a mátrix felé, de nem hoz létre rekeszeket. (7,8) A mitokondriális szerkezeti abnormalitások közül ismert a 1. kristályos zárványok, 2. crista-linearizáció, 3. koncetrikus crista-rendeződés, 4. mátrix kompertmantizáció, 5. nanocsatornák képződése, 6. fánk alak(Vincent et al. 2015).

  1. kristályos zárványok: A kristályos zárványok téglalap alakú merev képletek a mitokondriumok belsejében. Mutáció miatt a belső membrán kreatin-shuttle mechanizmusának csökkent aktivitása miatt a mártixban kreatin hiány alakul ki, ami a kreatin-kináz (CK) enzim génjének fokozott transzkripciójához és transzlációhoz vezet. Az így felszaporodó CK rigid zárványokat képez a mátrixban (Eppenberger-Eberhardt et al. 1991).
  2. crista-linearizáció: A membrán normális betüremkedései mellett megjelennek különálló, kiegyenesedett, vagy szögben törő membránképződmények, amelyek fokozott elektrondenzitása és megváltozott fluiditása a normálistól eltérő fehére- és lipidkomponensek jelenlétére, valamint más cardiolipin összetételre utal (Vincent et al. 2015).
  3. koncentrikus crista-rendeződés: A belső membrán betüremkedései nem normális, a külső membránhoz visszatérő képeltek, hanem koncentrikusan, „hagymahéjszerűen” rendeződnek el. Ez az abnormális membránrendeződés összefüggést mutat az ATP-áz enzim hibás dimerizációjával (Paumart et al. 2002).
  4. mátrix kompartmentizáció: Normális struktúrájú mitokondriumok esetében a mátrix folytonos önmagával, nem alakulnak ki benne rekeszek. Más esetben viszont létrejönnek benne elkülönült kompartmentek, amelyek a normális crista-képletek hiányát okozzák. A rekeszeket határoló abnormális egy- vagy kétrétegű membránok megnövekedett elektrondenzitása megváltozott molekuláris mintázat bizonyítéka. A hibás membránfúziók következtében a mátrix akár közlekedhet is a citoplazmával, ami gyulladásketlő anyagok vérkeringésbe való bejutását teszi lehetővé, így elősegítve szervkárosodási folyamatokat. (Zhang et al. 2010)
  5. nanocsatornák képződése: 50-200 nm átmérőjű csatornák képződése, amelyek összekötnek különálló mitokondriumokat. Élettani szerepük még nem teljesen tisztázott, de bizonyára szerepet játszik a mitokondriumok közti kommunikációban, molekulák átjuttatásában, viszont megkönnyíti defektusok terjedését is (Vincent et al. 2015).
  6. fánk alak: Mitokondriumok fokozott fúziója, vagy az osztódás elmaradása megnyúlt, elágazó struktúrákat eredményez. Ha a megnövekedett sejtorganellum önmagával fúzionál, akkor fánk alakú mitokondrium jön létre. Ez utóbbit legalább 34%-os heteroplazmia okozhatja.(Vincent et al. 2015).

A mutációk következtében kialakuló abnormális szerkezeti változatok, melyek elektronmikroszkóppal vizsgálhatók, a normális anyagcsere-folyamatok megváltozását okozzák, így összetett, metabolikus és neurológiai kórképeket idézhetnek elő.(7)

Okozott betegségek

Mitokondriális abnormalitások az Alzheimer-kórban

Wang és mtsai (2008) kimutatták, hogy Alzheimer-kóros betegekből vett fibroblasztok EM képén a mitokondriumok szignifikánsan hosszabbak voltak, több pedig összekapcsolódott és hálózatot képzett. Ennek hátterében valószínűleg a DLP1 (dynamin-like protein 1) fehérje csökkenése áll, mivel kísérletesen megfigyelték, hogy normál emberi fibroblasztokban a DLP1 kiütése és domináns-negatív DLP1 termeltetése ugyan ezeket a változásokat okozza valamint a beteg fibroblasztokban a DLP1 túltermeltetése helyreállította az abnormális változásokat. Ezen kívül e fehérje csökkenése révén a mitokondriumok főleg a perinukleáris területre csoportosultak. Az APP-re (amyloid precursor protein) vonatkozó kísérletek kimutatták, hogy annak túl expresszálása következtében rendkívül megnőtt a normálistól eltérő fragmentált, pontszerű struktúrát mutató mitokondriumok száma (a vad típusnál az 50, a mutáns típusnál a 80%-ot is meghaladta), valamit itt is megfigyelték, hogy a mitokondriumok a perinukleáris terület körül halmozódtak fel, máshol viszont alig voltak Más vizsgálatokból leírták a reaktív oxigén-formák megnőtt termelését, a csökkent ATP-termelést, a membránpotenciál csökkenését és a csökkent differenciálódó-képességet. Továbbá csökkent a DLP1 és OPA1 fehérje szintje és nőtt a Fis1 (mitochondrial fission 1 protein), ami a mitokondriumok töredezéséhez vezet. Valószínűleg mindez nagy hatással van az Alzheimer beteg neuronok mitokondriumainak fragmentálódására, ami fontos szerepet játszik a mitokondriumok funkcióvesztésében (Barsoum és mtsai, 2006). A mitokondriumok nagy számban fordulnak elő a szinaptikus terminálisokban, valószínűleg a szinaptikus transzmisszióban részt vevő neuronok fokozott ATP-igénye és a kalcium pufferolása miatt (Sheehan és mtsai, 1997). A fentebb leírt abnormális perinukleáris mitokondrium eloszlásra a szinaptizáló neuronok különösen érzékenyek. Kísérletekből levont következtetések alapján feltételezhető, hogy az ezekben a neuronokban a mitokondriális eloszlás hibái helyi calcium-és energiahiányt okoznak, ezzel a szinaptikus defunkcionalitást okozva (Lacor és mtsai, 2007).

Mitokondriális abnormalitások cardiovascularis betegségekben

A szív ischaemiája a mitokondriumok fragmentációjához vezet azáltal, hogy Dnp1 hasadási protein termelése up-regulálódik. Egészséges szívben a Dnp1 folyamatos gátlása óvja meg a mitokondriumot a feldarabolódástól és az apoptózistól (Ong és mtsai, 2010). A túltermelődött Dnp1 pro-apoptotikus komplexet képez az Mfn2 (mitofusion-2) és BAX (Bcl-2-associated X-protein) fehérjével a külső membránon, ami MPTP-k (mitokondriális permeabilitási pórus) nyitásához és citokróm-c felszabadulásához vezet, ami a mitokondriumok fragmentációját és a cardiomyocyták apoptózisát indukálja (Karbowski és mtsai, 2002). Victor és mtsai (2009) kimutatták, hogy ha az elektrontranszport-lánc leválasztódik az ATP-termeléstől, az a reaktív oxigén-formák szintjének növekedéséhez vezet, ami által növekszik a lipidek és fehérjék oxidációja. Növekszik az oxidált LDL (alacsony sűrűségű lipoprotein) szint, az erekben gyulladások alakulnak ki és gátlódik az endothel funkciója, mindez pedig érelmeszesedéshez vezet. A mitokondriális kreatinin-kináz a légzési lánc aktivitás szabályozásában játszik szerepet és kreatininből állít elő foszfokreatint, ami szerepet játszik a myocardium ATP-puffer tartalmának fenntartásában (Jacobus, 1985). Az enzim reaktívabb oktamer és kevésbé aktív dimer alakjának egyensúlya felborul szívbetegségben a dimer felé a fokozott oktamer disszociáció (Soboll és mtsai, 1999) és az oktamerből való inaktív krisztalloid képződés miatt (Stadhouders, 1994). Ez a légzés ellenőrzésének romlásához és a szív nagyobb ATP-fogyasztása miatti foszfokreatin hidrolízishez vezet. Ez végső soron csökkent ATP szintet eredményez, ami a szív teljesítményét csökkenti (Ashrafian, 2002). Az inzulinfüggő jelátvitel zavara vagy korlátozott működése szabályozza a lipidek mitokondriális β-oxidációjáról való rugalmas áttérést a glükóz-felhasználásra csökkent lipid-szint esetén. Ekkor a szív ATP-készlete fokozatosan kimerül, mivel a csökkent zsírsav-oxidációt nem pótolja növekedett glükóz-oxidációval (Neglia és mtsai, 2007). Ismert a sejtekben az autofágia jelensége is, amely a károsodott, funkcióját vesztett mitkondriumok eltávolítását jelenti. Egyes hatások, pl. akut szív-ischaemia reperfúziós károsodás az autofágia csökkenéséhez és a hibás mitokondriumok felhalmozódásához vezet. Ennek következtében oxidatív stressz és a cardiomyocyták apoptózisának növekedése lép fel (Campos és mtsai, 2016).

Mitokondriális zavarok a szemészetben

A domináns szem atrophia genetikai betegség, amely elsősorban a retina ganglion sejtjeire és idegrostjaira hat. Főleg a sejtmagi DNS OPA1 génjében történt mutáció okozza (Delettre és mtsai, 2000), amelyben a dynamin-függő GTP-áz enzim van kódolva. Ennek szerepe van a mitokondrium struktúrájának karbantartásában és a cytokróm-c megkötésében. Az OPA1 fúziós fehérje, szerepe van a mitokondriális hálózat és a membránpotenciál fenntartásában. Így ennek csökkenésével e két funkció hiányát követi a cytokróm-c túlzott felszabadulása és az apoptotikus kaszpáz aktiválódása (Olichon és mtsai, 2003). Liu és mtsai (2011) kimutatták, hogy a Leber-féle optikai neuropathia mindkét szemben a központi látás fájdalommentes elvesztésével jár. Hátterében három pontmutáció áll a mtDNS légzési-lánc 1-alegységén. Egy genomszintű expressziós profilozási tanulmány kimutatta, hogy a betegségben szenvedők leukocytáiban a háromból az egyik pontmutáció (G11778A) az OPA1 expresszió down-regulációját okozza, ami feltételezhetően fragmentált mitokondrium hálózatot, a mitokondriális membránpotenciál megváltozását valamint a n. opticus mitokondriumaiban a cristák strukturális rendezetlenségét eredményezi (Abu-Amero és mtsai, 2010). A diabéteszes retinopathia pathogenezisében szerepet játszik a retinális mitokondrium progresszív diszfunkciója hyperglicaemia fennállásakor, a mtDNS károsodása valamint a retina kapilláris sejtjeiben a felgyorsult apoptózis. Ennek hátterében a MMP2 (matrix-metalloprotinase-2) áll, amely aktiválódva a Hsp60 (heat shock protein 60) fehérjén keresztül roncsolja a mitokondriális membránt, valamint károsítja a connexin 43-at, ami az apoptózist aktiválja (Mohammad és Kowluru, 2010, 2011). A glaukóma az egyik leggyakoribb oka a vakságnak. A látóideg mitokondriumai különösen érzékenyek a légzési kapacitás károsodására, ami szelektíven károsítja a retina ganglion sejtjeit (Osborne és mtsai, 2010). Ju és mtsai (2010) kimutatták, hogy az OPA1 (optic atrophy 1) fehérje túlexpressziója az egér retinális ganglion sejtjeire védő hatással van: csökkenti az apoptózis mértékét, ami valószínűleg csökkent glaukomális változásokhoz vezet.

Pearson-szindróma

A Pearson-szindróma (Perason Syndrome, PS) egy újszülöttekben előforduló, ritka, több szervrendszert érintő betegség, jellemző klinikai tünetei közé tartozik a sideroblasztos anaemia (a gerincvelő vérképzési zavara), laktát-acidózis, a hasnyálmirigy exokrin enzimtermelésének zavara és a fejlődésbeli visszamaradás. Gyakori ezek mellett a vese- és májelégtelenség kialakulása is. A betegséget a mitokondriális DNS 4.977 kbp hosszú szakaszának deléciója okozza,az oxidatív foszforilációban részt vevő komponenseket kódoló génszakaszok kivágódása történik a mtDNS-ből. A részeletes analízis kimutatta, hogy a mutáció a NADH-dehidrogenáz négy alegységét, a citokrómoxidáz és az ATPáz egy-egy alegységét érinti (Rotig és mtsai, 1989). Ezáltal a légzési lánc nem képes betölteni feladatát, a sejt energiaellátottsága sérül. Különböző típusú szövetekben is kimutatható a deléció, ami azt sugallja, hogy mtDNS sérülése még az embrionális fejlődés során történik. A betegség nagy százalékban okoz korai halált az újszülöttekben, azokban a gyerekekben, akik viszont túlélik a korai szakaszt, a Kearns-Sayre-szindróma alakul ki (Saneto, Russel P., 2017).

Kearns-Sayre-szindróma

A Kearns-Sayre-szindróma (Kearns-Sayre Syndrome, KSS) egy több szervrendszert érintő betegség, amely 20 éves kor előtt jelentkezik, CPEO (chronic progressive external ophthalmoplegia) és a retina pigmentsejtjeinek degradációja (retinitis pigmentosa) formájában. Jellemző tünet még a szív ingerületvezetésének megszakadása (szívblokk), cardiomyopathia, cerebelláris ataxia, kognitív képességek csökkenése, halláskárosodás, izomgyengeség és endocrinopathia (Saneto, Russel P., 2017). A mtDNS-ben bekövetkezett deléció okozza ezt a kórképet. A betegek mind heteroplazmitást mutatnak (mind normál, mint deléción átesett mtDNS megtalálható a sejtjeikben), a nagyobb mértékben érintett szövetek (például agy vagy izomszövetek) nagyobb arányban tartalmaznak sérült mtDNS-t, ez azonban egyénenként tág keretek között változó lehet (27-85%). A deléció mértéke sem egységes, 1.3-7.6 kbp között változik (Nils-Göran Larsson és mtsai, 1990). Bár a betegség pontos háttere, súlyosságának függvénye és előrehaladottságának szabályozó tényezői még nem teljes mértékben ismertek, az MT-CO1, MT-CO2 vagy MT-CO3 gének legalább egyikének deléciójával összefüggésben állnak ezek a tényezők (Grady és mtsai, 2014).

Források