Mitochondrie

ATP je produkován na vnitřní mitochondriální membráně systémem oxidativní fosforylace (OXPHOS). V sérii oxidačních a redukčních reakcí, probíhajících na 4 komplexech dýchacího řetězce (komplex I, komplex II, komplex III, komplex IV; součást OXPHOS), jsou definitivně degradovány energeticky využitelné látky přijaté v potravou. Tím dojde k uvolnění elektronů, které s molekulárním kyslíkem vytvářejí vodu, a energie, která je následně využita komplexem V (ATP syntáza) na tvorbu molekuly ATP.
Systém OXPHOS je tvořen téměř stovkou proteinů. Zvláštností však je, že tyto proteiny jsou kódovány dvěma genomy: jaderným genomem (nDNA) – zděděný rovnoměrně od obou rodičů a mitochondriálním genomem (mtDNA) – přenášeny výhradně od matky. Defekty OXPHOS mohou tedy být způsobeny jak mutacemi v nDNA, ale i v mtDNA.

Mitochondriální DNA

Mitochondrie obsahují svou vlastní DNA. Lidská mitochondriální DNA (mtDNA) je malá kruhová molekula o velikosti 16,5 kb, která obsahuje „pouze“ 37 genů, ale mutace v kterémkoliv z nich může mít velice negativní dopad na funkci celé buňky. 13 genů kóduje strukturní podjednotky komplexů OXPHOS, 24 genů kóduje RNA molekuly (22 transferové RNA, tRNA a 2 ribozomální RNA, rRNA), které jsou nezbytné pro produkci 13 podjednotek komplexů OXPHOS v mitochondriích.
V průběhu fertilizace, mitochondrie, včetně mtDNA, přítomné v zygotě pocházejí pouze z vajíčka, tedy od matky. Pokud matka nese ve své mtDNA mutaci dojde k přenosu této mutace na všechny její potomky, ale pouze její dcery pak předají tuto mutaci následujícím generacím. Tento způsob přenosu genetické informace mezi generacemi je označován jako maternální dědičnost.
Na rozdíl od jaderného genomu, který se nachází v buněčném jádře pouze ve dvou kopiích (diploidní, 1 polovina zděděna od matky a druhá polovina od otce), molekuly mtDNA jsou přítomny ve stovkách až tisících v cytoplazmě každé buňky. Mutace v mtDNA vznikají daleko častěji než v jaderné DNA, nejspíše v důsledku působení volných kyslíkových radikálů, které vznikají v dýchacím řetězci. Navíc systém na ochranu a opravy mitochondriální DNA není tak „přísný“ jako u jaderné DNA. Mutace může být přítomná ve všech molekulách mtDNA, pak je označována jako homplazmická, je-li mutací postižena pouze část molekul mtDNA, označujeme mutaci jako heteroplazmickou. Poměr mezi mutovanými a nemutovanými kopiemi mtDNA v dané tkání se pohybuje od 0 do 100% a označuje se jako hladina heteroplazmie. K funkčním projevům mutace v mtDNA dojde pouze tehdy, když podíl molekul mtDNA dosáhne určité kritické prahové hodnoty. Náhodné přerozdělení nemutované a mutované mtDNA během buněčného dělení vede k situaci, kdy se různá hladina heteroplazmie vyskytuje v jednotlivých mitochondriích, v jednotlivých buňkách nebo tkáních. Rozdílné zastoupení mutovaných a nemutovaných molekul mtDNA v jednotlivých tkáních nemocného je ovlivněno i rozdílnou rychlostí buněčného dělení. Svalová, srdeční a nervová tkáň mají malý replikační potenciál, který vede k tomu, že postižené tkáně si uchovávají vysokou hladinu heteroplazmie, naopak v buňkách krve může být heteroplazmie výrazně nižší, protože dělení hematopoetických buněk je rychlejší. Proto někdy nelze, ani u těžce nemocného pacienta, přítomnost mutace mtDNA v krvi prokázat a je nutno vyšetřovat sval.

Klasifikace mitochondriálních onemocnění

Podle příčiny, tedy podle toho kde se nachází kauzální mutace, rozdělujeme mitochondriální onemocnění do dvou skupin:

Mitochondriální onemocnění způsobená mutací v mtDNA

Do této skupiny zahrnujeme onemocnění způsobená rozsáhlými delecemi v mtDNA nebo bodovými mutacemi v jednotlivých genech mtDNA.

Rozsáhlé delece mtDNA

Velikost delecí v mtDNA je v řádu několika kB, vede vždy k odstranění řady genů jak pro podjednotky OXPHOS, ale i pro tRNA. Delece jsou vždy heteroplazmické, v buňkách koexistují s normální molekulou mtDNA.
Syndrom Kearns-Sayre >>více
Pearsonův syndrom >>více

Bodové mutace v mtDNA

Do této skupiny zahrnujeme onemocnění způsobená substitucí jediné báze nebo mikro delecí/inzercí v molekule mtDNA. Mutace může zasáhnout kterýkoliv gen (pro tRNA, rRNA nebo pro podjednotky OXPHOS). Tyto mutace jsou většinou přenášeny maternálně. Ve většině případů, ale ne vždy jsou heteroplazmické. V současnosti je známo více než sto různých bodových mutací. Pouze některé z nich jsou spojeny s jasně definovaným klinickým (biochemickým) fenotypem.
Leberova hereditární optická neuropatie (LHON) - v evropské populaci je nejčastěji spojována s mutacemi v pozicích m.3460G>A, m.11778G>A a m.14484T>C. Mutace bývají většinou homoplazmické, jsou lokalizovány v genech pro podjednotky komplexu I >>více
Neurogenní svalová slabost, ataxie a retinitis pigmentóza (NARP) – způsobeno mutací v pozici m.8993 v genu MTATP6 pro podjednotku 6 ATPsyntázy (komplex V). Existují dvě varianty této mutace m.8993T>C vede většinou k mírnějším projevům syndromu NARP, varianta m.8993T>G způsobuje většinou závažnější průběh onemocnění a při vysokých hladinách heteroplazmie (>90%) může vyústit až v Leighův syndrom. >>více, >>více z dalšího zdroje
Mitochondriální encefalomyopatie, laktátová acidóza a iktu podobné příhody (MELAS) – nejčastěji je tento syndrom způsoben mutací m.3243A>G v genu pro mitochondriální tRNALeu(UUR). Podobné klinické symptomy byly však popsány i u dalších bodových mutací v mtDNA, jak v genech pro tRNA, tak i pro podjednotky komplexů dýchacího řetězce. >>více
Myoklonická epilepsie s „Ragged-Red Fibers“ (MERRF) – syndrom je nejčastěji způsoben mutací m.8344A>G v genu pro mitochondriální tRNALys. >>více

Mitochondriální onemocnění způsobená mutacemi v jaderných genech

Většina proteinů pro správné fungování systému OXPHOS je kódována geny lokalizovanými v jaderné DNA. Nejedná se jenom o geny pro strukturní podjednotky komplexů OXPHOS, ale jedná se i o proteiny nezbytné pro správné sestavení těchto komplexů, dále o proteiny replikace a exprese mtDNA, také o řadu transportních proteinů přes mitochondriální membránu a další (více než 250 genů, bližsí informace o těchto genech je možné najít na http://omim.org/). Porucha  funkce kteréhokoliv z těchto proteinů může vyústit do mitochondriálního  onemocnění. I přes dostupnost sekvenování mitochondriálního exomu nebo celého exomu pacientů, které nabízí i naše laboratoř, je z pohledu diagnostiky odhalení takovéto příčiny OXPHOS  deficitu velmi náročné.