Medicina mitocondriale breve storia

Salvatore di Mauro Columbia University New York

Serenella Servidei

Università Cattolica Roma

Salvatore DiMauro

Mitochondrial encephalomyopathies: fifty years on The Robert Wartenberg Lecture 2013 MITOCHONDRIAL MEDICINE A history of mitochondrial diseases

•I mitocondri sono organuli con un proprio DNA. Il DNA mitocondriale è frutto di un processo di endosimbiosi -> circa 2 bilioni di anni fa protobatteri aerobi popolarono le cellule eucariotiche primordiali portando il proprio DNA-> le cellule eucariotiche hanno quindi due tipi di DNA. •I mitocondri, e il DNA mitocondriale, hanno quindi perso la propria indipendenza, ma continuano a funzionare sotto il controllo del genoma nucleare della cellulla ospite. •D’altra parte le cellule ospiti hanno delgato una serie di funzioni ai mitocondri: la produzione di energia attraverso la fosforilazione ossidativa, ma anche il controllo di processi catabolici o anabolici e dell’apoptosi

I mitocondri sono quindi indispensabili per la vita delle cellule

• L’ossidazione fosforilativa (OXPHOS) è la via metabolica mitocondriale che converte in energia, come molecole di ATP, i substrati generati dalla glicolisi e dalla beta-ossidazione

• L’OXPHOS avviene tramite la catena respiratoria, localizzata sulla membrana mitocondriale interna

• La catena respiratoria è composta di 5 complessi enzimatici (I -> V) e due carrier di elettroni, il coenzima Q ed il citocromo c

• I complessi della catena respiratoria sono formati da multiple subunità codificate da DNA mitocondriale e DNA nucleare, ad eccezione del complesso II interamente codificato dal DNA nucleare

1. il sistema più frequentemente colpito è il sistema nervoso periferico (muscolo e nervo)

2. a seguire il sistema nervoso centrale

3. e poi… orecchio, apparato endocrino, cuore, occhio, intestino, rene, midollo osseo…

Malattie mitocondriali clinicamente eterogenee

I mitocondri sono ubiquitari (solo i globuli rossi non hanno mitocondri)

Mitochondrial art, Odra Noel

Medicina mitocondriale

• era premolecolare (1958–1988), le malattie mitocondriali erano classificate sulla base di criteri clinici, morfologici (biopsia muscolare) e biochimici

• era molecolare

Medicina mitocondriale • Retinitis pigmentosa, external ophthalmophegia, and complete

heart block: unusual syndrome with histologic study in one of two cases.

KEARNS TP, SAYRE GP AMA Arch Ophthalmol. 1958 Aug;60(2):280-9.

• A case of severe hypermetabolism of nonthyroid origin with a defect in the maintenance of mitochondrial respiratory control: a correlated clinical, biochemical, and morphological study

LUFT R et al. J Clin Invest. 1962 Sep;41:1776-804 • evidenza morfologica di mitocondri

anormali nel muscolo • dimostrazione biochimica del disaccoppiamento

della fosforilazione ossidativa nei mitocondri muscolari

• correlazione tra biochimica e clinica il difetto molecolare rimane ancora sconosciuto

Importanza della biospia muscolare nella diagnosi RRF intensamente reattive alle SDH e più spesso COX-negative (*), ma anche COX-positive (*) SDH

COX

Medicina mitocondriale

SSRV: Strongly SDH Reactive Vessels

piccoli vasi con accumulo di mitocondri estremamente reattivi all’SDH

angiopatia mitocondriale

Più frequentemente nella MELAS, ma anche nella MERRF

mutazioni del DNAmt (tRNA)

deficit di COX tessuto-specifico mio/cardiopatie infantili

deficit di COX multisistemico (s. di Leigh)

istoenzimatica per la citocromo c ossidasi

una biopsia normale non esclude sempre una malattia mitocondriale (esempio le sindromi NARP/MILS, LHON…)

Medicina mitocondriale

• Anni 70 -> la biochimca • determinazione delle attività enzimatiche sulla

biopsia muscolare e su altri tessuti classificazione biochimica (Di Mauro 1985) 1. difetti di trasporto del substrato (es. CPT) 2. difetti di utilizzazione del substrato (es. PDHC) 3. difetti del ciclo di Krebs (es. fumarasi) 4. difetti della catena respiratoria (es. citocromo c

ossidasi…) 5. difetti dell’accoppiamento (Luft) (DiMauro et al.

1985)

Medicina mitocondriale aspetti clinici

• Il termine di “encefalomiopatie mitocondriali” è introdotto da Shapira 1977 con riferimento al coinvolgimento spesso multisistemico delle malattie legate a difetti della catena respiratoria.

• Caratterizzazione di fenotipi clinici identificati da un acronimo

MELAS (mitochondrial encephalomyopathy, lactic acidosis, and stroke-like episodes), Pavlakis et al. 1984

MERRF (myoclonus epilepsy with RRF), Fukuhara et al. 1980

MNGIE (Myo-, neuro-, gastrointestinal encephalopathy), Bardosi et al. 1987

Nasce la controversia tra “splitter” and “lumper”

• per gli “splitter”: è razionale identificare diversi e distinti fenotipi clinici

• per i “lumper”: le malattie mitocondriali sono un unicum con tante sindromi overlap

La storia e la genetica hanno dato parzialmente ragione ad entrambe le posizioni

Medicina mitocondriale aspetti clinici

oH

oL

PH2

16S rRNA

12S rRNA

V

L ND6

I M

ND5

ND4L

ND4

ND3

ND1

ND2

W

COI

COIII COII

ATPase 8 6

D K

G R

H S L

Cyt.b

E

P

7S DNA

T

PL

S

DNAmt Molecola circolare a doppia elica di 16569 bp contenente 37 geni: 13 proteine (subunità dei complessi I, III, IV and V della catena respiratoria), 2RNAr, 22 RNAt •Codice genetico diverso da quello nucleare • Non contiene introni •È soggetto a mutazioni spontanee ad una frequenza maggiore del DNA nucleare •Ha meccanismi di riparazione meno efficienti •È presente in centinaia/migliaia di copie in ciascuna cellula (da 2 a 10 genomi per mitochondrio) •E’ trasmesso con modalità materna non mendeliana Nass and Nass 1963 identificano

il DNA mitocondriale

Medicina mitocondriale il DNA mitocondriale

• Nel 1988 è descritta la prima alterazione patogenetica del DNA mitocondriale

•pazienti adulti caratterizzati biochimicamente

•fenotipo non definito (lumpers)

•dimostrata l’eteroplasmia dell’alterazione mitocondriale

• KSS Onset<20 yr PEO Pigmentary retinopathy +heart block Cerebellar ataxia CSF protein >100mg/L • CPEO Ptosis Ophthalmoplegia Proximal weakness • Pearson syndrome Sideroblastic anemia Exocrine pancreas dysfunction Di Mauro et al.

Riarrangiamenti del DNA mitocondriale sono specificamente associati alla PEO/KSS (Zeviani et al. 1988; Moraes et al. 1989)

Nel 1988 • Mitochondrial DNA mutation associated with

Leber's hereditary optic neuropathy Wallace DC et al. Science. 1988 Dec

9;242(4884):1427-30. Nel 1990 • Shoffner et al. identificano una mutazione

puntiforme nel tRNALys in pazienti con sindrome MERRF (A8344G)

• Goto et al. identificano una mutazione puntiforme nel tRNALeu(UUR) in pazienti com MELAS (A3243G)

Medicina mitocondriale il DNA mitocondriale

Modified with permission from DiMauro and Schon, New England Journal of Medicine 2003;348:2656–2668

Negli anni successivi numerose nuove mutazioni patogenetiche (>260)

La prevalenza complessiva delle malattie legate al DNAmt può essere complessivamente stimata a 1 in 5,000

Almeno 1:200 individui è portatore di una mutazione del DNAmt (Elliott et al. 2008)

Le regole della genetica mitocondriale eredità materna, eteroplasmia/effetto

soglia, segregazione mitotica spiegano molte caratteristiche della

malattie mitocondriali ma • stessa mutazione diversi fenotipi • stesso fenotipo diverse mutazioni • mal definite sindromi “overlap” • in alcune famiglie segregazione di manifestazioni cliniche

identiche in individui diversi

• background nucleare • fattori epigenetici • geni “modifier”

Medicina mitocondriale il DNA mitocondriale

Malattie mitocondriali geneticamente eterogenee doppio controllo genetico

Il DNA mitocondriale è nei mitocondri e viene trasmesso esclusivamente dalla madre

trasmissione matrilineare non mendeliana

Il DNA nucleare è nel nucleo e viene trasmesso da entrambi i genitori.

trasmissione mendeliana: - dominante - recessiva - x-linked

•In 1989 il primo esempio di un gruppo in rapida espansione con un’alterazione del DNAmt a trasmissione mendeliana (difetto della comunicazione intergenomica)

Medicina mitocondriale

PEO con delezioni multiple del DNA mitocondriale

• In rapida successione sono stati identificati tre loci genici

• ANT1 (ADP/ATP translocator – 4q34-35), (Kaukonen et al. 2000)

• Twinkle (elicasi mitocondriale - 10q24), (Spelbrink et al. 2001)

• POLG (polymerase gamma 15q22.q26), (Van Goethem et al. 2001)

Ogni gene puo essere d’altra parte associato a numerose varianti cliniche (PEO AD e AR, miopatia infantile, encefalopatie, mitochondrial spino-cerebellar ataxia-epilepsy syndrome, SANDO, MERRF-like…)

Nel 2001, identificati i primi due geni associati a deplezione: TK2 e DGUOK (Saada et al. 2001)

COX mitocondri (SDH) in situ Alterazioni quantitative (deplezione) Alterazione qualitative (delezioni, mutazioni)

deplezione DNAmt

MERRF

• DNA mitocondriale: delezioni multiple, deplezione, o entrambe

• linkage al cromosoma 22q13.32-qter (Hirano et al. 1994)

• Identificazione di mutazioni nel gene della timidina fosforilasi(TYMP) (Nishino et al. 1999)

• l’attività catalitica della timidina fosforilasi, implicata nel controllo del pool nucleotidi/nucleosidi, è marcatamente ridotta nei pazienti con MNGIE ed il dosaggio dell’enzima costituisce un importante test diagnostico

MNGIE: Mitochondrial NeuroGastroIntestinalEncephalopathy

Classificazione genetica delle malattie mitocondriali

Difetti del DNA mitocondriale A. Riarrangiamenti maggiori sporadici (duplicazioni/delezioni) B. Mutazioni puntiformi a trasmissione materna non mendeliana Difetti del DNA nucleare (trasmissione mendeliana) A. Mutazioni di geni che codificano proteine enzimatiche o strutturali B. Difetti delle translocasi mitocondriali C. Difetti di importazione delle proteine mitocondriali Difetti della comunicazione intergenomica A. Delezioni multiple del DNA mitocondriale B. Deplezione del DNA mitocondriale

modificata da McFarland et al, Lancet Neurology 2010

mutazioni del DNAmt mutazioni nucleari implicate nei meccanismi di replicazione e riparazione del DNAmt dominanti recessive mutazioni recessive in geni nucleari di subunità della catena repiratoria, o di proteine essenziali per l’assemblaggio dei complessi enzimatici o del CoQ

Six different modalities of mendelian mitochondrial diseases 1, “direct hits”; 2, “indirect hits”; 3, defects of intergenomic communication resulting in mitochondrial DNA depletion and multiple mitochondrial DNA deletions; 4, defects of mRNA translation; 5, defects of the inner mitochondrial membrane phospholipid milieu; 6, defects of mitochondrial dynamics

Di Mauro 2013, Robert Wartenberg Lecture

• Malattie mitocondriali “primarie” associate direttamente o indirettamente a disfunzioni della catena respiratoria

• Disfunzione mitocondriale (specialmente difetti del DNAmt maintenance e della dinamica mitocondriale, mitofagia) sempre più implicata nella patogenesi di alcune malattie neurodegenerative

• Nuove aree di ricerca su i rapporti tra mitocondri ed altri compartimenti cellulari

Medicina mitocondriale

• approccio integrato ad altissima tecnologia che studia sequenze di esoma (whole-exome sequencing, mitoexome sequencing”) NGS, target resequencing, e profili di proteine, metaboliti, trascritti, … collegati ad un difetto genico, offrendo

• la possibilità di identificare nuovi geni malattia e/o biomolecole

• una visione globale delle vie metaboliche e delle biomolecole che sono indirettamente o direttamente coinvolte nella malattia

Medicina mitocondriale presente/futuro: -omica (-omics)

• Lo scopo di qualsiasi ricerca translazionale è prima di tutto disegnare il razionale per nuove strategie terapeutiche, razionale ancora tutto da costruire per le malattie mitocondriali

• In conclusion, the mitochondrial medicine has had a brief and intense history, but the best (including effective therapy) is yet to come (Billi Di Mauro)

Medicina mitocondriale

• Billi Di Mauro conclude la The Robert Wartenberg Lecture con un tributo al suo mentore:

<Let me conclude with a quote from C. Miller Fisher: “If there were a dictum, it would be that it is all a matter of being in the right place at the right time, with the right mentor.” I owe my interest in mitochondrial diseases—indeed my whole academic career—to my Mentor Lewis P. Rowland>

• Noi, siamo tanti qui e non per caso, condividiamo con gratitudine un unico maestro, Billi Di Mauro, che ha creato e portato avanti con passione ed entusiasmo la Medicina Mitocondriale.

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