Genetica e malattie mitocondriali:

Epidemiologia

Eleonora Lamantea Costanza Lamperti

4° Convegno Nazionale Mitocon – 23-25 Maggio 2014 – Tivoli Terme

Le funzioni dei mitocondri

Forniscono energia alla cellula, tramite la fosforilazione ossidativa. Ospitano importanti pathway metabolici (ciclo di Krebs, β-ossidazione, sintesi dei lipidi e del colesterolo). Regolano l’omeostasi del Ca++. Inviano segnali apoptotici.

Acido lattico Radicali liberi

O2

ATP

MORTE CELLULARE

Nelle malattie mitocondriali la corretta funzionalità della catena respiratoria (RC) e del sistema della fosforilazione

ossidativa (OXPHOS) è compromessa.

Le malattie mitocondriali sono considerate il disordine metabolico più frequente.

• Sono caratterizzate da un insieme di sintomi e segni clinici associati ad un’alterazione del metabolismo ossidativo e della catena respiratoria mitocondriale.

• La presentazione clinica è variabile così come l’età di esordio, dalla nascita sino ad all’età adulta.

• Solitamente coinvolgono più organi: SNC, SNP, apparato muscolare, cuore, fegato, rene, sistema gastrointestinale, sistema ematopoietico, sistema endocrino, sistema visivo.

Gli organi più colpiti sono quelli che hanno maggior fabbisogno energetico

(cervello, muscoli, cuore).

Criteri Diagnostici

Valutazione clinica approfondita

Storia famigliare

Valutazione neuroftalmologica

Indagini neuroradiologiche

Biopsia muscolare

Indagini biochimiche e molecolari

Valutazione audiologica

Valutazione cardiologica

Valutazione neurofisiologica

COMPLEX IV COMPLEX III

COMPLEX II

COMPLEX I ATP SYNTHASE

Replicazione Mantenimento

Trascrizione Traduzione

DNA mitocondriale

DNA nucleare

Mutazioni a carico sia del mtDNA che dei geni nucleari sono causa di malattie mitocondriali

Mutazioni del mtDNA

1988: prima mutazione del mtDNA.

Oggi più di 200 mutazioni descritte, sei le più frequenti: • m.3460G>A ND1 • m.11778G>A ND4 • m.14484T>C ND6 • m.3243A>G tRNAL

• m.8344A>G tRNAK

• m.8993T>G ATP6

MELAS

MERRF

NARP/MILS

LHON

MELAS: emicrania, stroke-like, acidosi lattica, demenza, atassia, epilessia, miopatia, diabete, sordità, bassa statura.

MERRF: epilessia mioclonica, miopatia, atassia, atrofia ottica, sordità, demenza, cardiopatia, lipomatosi.

NARP: neuropatia, retinite pigmentosa, atassia, debolezza muscolare, ritardo sviluppo, epilessia, demenza.

MILS: sindrome di Leigh matrilineare, ritardo sviluppo, epilessia, dismorfismi, miopatia.

LHON: atrofia ottica bilaterale, esordio acuto.

In ogni cellula sono presenti migliaia di molecole di mtDNA. Quando una mutazione colpisce il mtDNA nella stessa cellula coesistono due

popolazioni di mtDNA in percentuale variabile (eteroplasmia).

La mutazione causa la malattia quando la percentuale di molecole mutate supera la soglia critica (diversa per mutazione, età e tessuto).

Mutazioni del mtDNA (matrilineare)

Eteroplasmia

Mutazione 30% nessun fenotipo

Mutazione 70% malattia

Omoplasmia

Mamma con mutazione

Papà senza mutazione

Figli con

mutazione

Mamma senza mutazione

Papà con mutazione

Figli senza

mutazione

MELAS: emicrania, stroke-like, acidosi lattica, demenza, atassia, epilessia, miopatia, diabete, sordità, bassa statura.

A T G C G G G G G T C C C A

MTTL1 m.3243A>G

G A

T P

Cyt b E

ND6

ND5

L2 S2

H ND4

R

ND4L ND3

G CO III

K

CO II D S1

C Y

A N

M Q I

ND2

CO I

ND1

L1

16S

V 12S

F

A 8 A 6

W

MELAS Myoglobinuria

Parkinsonism Aminoglycoside-induced deafness

LS MELAS

Multisystem

CM

LHON

M MELAS

PEO LHON

MELAS Myopathy

Cardiomyopathy Diabetes & Deafness

PEO

CM LHON

M Lymphoma

M PEO

ECM PEO Myoglobinuria (sp)

Motor neuron disease Sideroblastic anemia (sp)

PPK Deafness

MERRF/MELAS CM Myoclonus

CM SIDS ECM

Myopathy; Multisystem

Encephalomyopathy NARP MILS FBSN

LS (sp) ECM (sp)

Myoglobinuria (sp) CM PEO

MERRF MELAS Deafness

Progressive myoclonus epilepsy & optic atrophy

LHON LHON + dystonia

Myopathy (sp)

LHON

Diabetes & Deafness

CM ECM PEO

Myopathy (sp) Sideroblastic anemia (sp)

LS MELAS

LHON MELAS Diabetes

LHON + dystonia

CM ECM

ECM LHON

Myopathy (sp) Cardiomyopathy (sp)

MELAS/Parkinsonism (sp)

CM ECM

M PEO

4

4 3

18

5

4

10

2

2 2

4

3 1

1 3

5

6

2

4 7 4 3

1

1

3

1

6

3

7

3

17

5 2

M CM PEO

Protein synthesis genes = 96 Polypeptide-coding genes = 59 Total = 155

Mutations in:

LS Ataxia Chorea

Myopathy

8

Mutazioni diverse sono causa della stessa sindrome

3150

HaeIII

GGCC *

3244

3380

HaeIII

GGCC

3316

0% 60% 30%

230 bp

166 bp

94 bp

60% 60% 10% 30% 0% 0%

72 bp 64 bp

L U M U M L L U

30% 0%

n.d.

0% 0%

L U L U U

RFLP Analysis: HaeIII Enzyme

MTTL1 m.3243A>G

MELAS

Alterazioni qualitative e quantitative del mtDNA

Sindrome di Kearns-Sayre (KSS): Oftalmoplegia Esterna Progressiva, retinite pigmentosa, esordio entro 20 anni, sindrome cerebellare, miopatia, diabete, cardiopatia.

Oftalmoplegia Esterna Progressiva (PEO): ptosi, oftalmoplegia, debolezza muscolare, intolleranza all’esercizio, miopatia.

Macrodelezione (alterazione qualitativa)

Deplezione del mtDNA (alterazione quantitativa)

Delezioni multiple (alterazione qualitativa)

SANDO: neuropatia sensitiva, atassia, PEO, disartria.

Sindrome di Alpers: sindrome epatocerebrale ad esordio infantile.

Deplezione del DNA mitocondriale • 8% dei bambini affetti da una

riduzione nell’attività della catena respiratoria

• Esordio neonatale o infantile con progressione rapida, spesso fatale

• 3 forme cliniche identificate

MIOPATICA

Esordio intorno al 1° anno Grave debolezza muscolare CK elevate (10-30X) Difetti multipli nella RC

TK2, RRM2B

ENCEFALOMIOPATICA

Ritardo psicomotorio, ipotonia, epilessia, sindrome di Leigh. Accumulo acido metil-malonico Difetti multipli nella RC

SUCLA2, SUCLG1

EPATOCEREBRALE

Esordio entro i 6 mesi Grave insufficienza epatica Encefalopatia mitocondriale Epilessia Difetti multipli nella RC POLG1, TWINKLE, DGUOK,

MPV17 Trasmissione autosomica recessiva

Geni associati a malattie mitocondriali

Mutazioni in geni nucleari: ereditarietà

Sano XY

Portatrice sana XX

Affetto XY

Sana XX

Portatrice sana XX

Sano XY

Legata al cromosoma X

Autosomica recessiva

Portatore sano

Portatrice sana

Affetta

Sano

Portatrice sana

Portatore sano

Autosomica dominante

Affetto Sana

Affetta

Affetto

Sana

Sano

Le malattie mitocondriali possono essere sporadiche, trasmesse per via matrilineare o come carattere autosomico (recessiva, dominanate o X-linked).

La sindrome di Leigh è la più frequente encefalopatia mitocondriale dell’infanzia

Necrosi simmetrica bilaterale e proliferazione vascolare nei gangli basali

Ritardo sviluppo psicomotorio, epilessia, difficoltà respiratorie, scarso accrescimento, ipotonia.

Difetto del complesso IV Difetto del complesso I Difetto della piruvico deidrogenasi Difetto del complesso II Mutazioni del mtDNA

AR Matrilineare, AR X-linked, AR AR Matrilineare

Quadri clinici identici sono associati a difetti biochimici differenti e sono geneticamente eterogenei

• Presentazioni cliniche variabili: qualsiasi sintomo, qualsiasi organo o tessuto, qualsiasi età, qualsiasi modalità di trasmissione. Difficoltà nel riconoscere presentazioni atipiche.

• Varietà delle forme genetiche e difficile correlazione fenotipo-

genotipo (stessa sindrome, associata a geni diversi con differenti modalità di trasmissione).

• Necessità di effettuare studi su biopsia muscolare per giungere ad una conclusione diagnostica.

Studi Epidemiologici

Studi epidemiologici sulle malattie mitocondriali sono difficoltosi

Le malattie mitocondriali causate da mutazioni dell’mtDNA hanno una prevalenza simile a quella di molti altri disordini neurologici e ad altre malattie ereditarie (SLA, la malattia di Huntington e le forme più comuni di distrofia muscolare).

Prevalenza delle malattie mitocondriali pari a 11,5:100.000.

Scopo: stimare prevalenza di mutazioni del mtDNA in una coorte di pazienti adulti (16-65 anni) riferiti al Newcastle Mitochondrial Center (UK) tra il 1990

e il 2004 per sospetta malattia mitocondriale.

Nel 75% dei pazienti affetti da malattia mitocondriale ad esordio nell’età adulta la causa è una mutazione nel mtDNA.

In più di 3.000 campioni di sangue prelevati da cordone ombelicale per la ricerca delle 10 mutazioni del mtDNA più frequenti lo 0,54% è risultato positivo. Frequenza di portatore è pari a 1:200.

I difetti della catena respiratoria in pazienti pediatrici hanno una prevalenza stimata di 4,7-5,0:100.000, ma raramente sono causati da alterazioni dell’mtDNA (15-20%).

Pazienti pediatrici con malattia mitocondriale da mutazione del mtDNA Esordio neonatale ca. 2% (MILS; sindrome di Pearson) Esordio infanzia ca. 17% (MELAS; KSS; NARP; LHON; MERRF)

Il Network Italiano per le Malattie Mitocondriali

Università di Pisa

Università di Torino

Università Statale di Milano

Università di Verona

Università di Padova

Università di Bologna

Università di Messina

Università Cattolica del Sacro Cuore - Roma

Istituto Gaslini - Genova

Istituto Neurologico C. Besta - Milano

Ospedale Pediatrico Bambino Gesù - Roma

http://biobanknetwork.org/

Aggiornato maggio 2014

Campioni DNA di soggetti affetti da malattia mitocondriale con diagnosi molecolare positiva

566

120 125

27110

948

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

mtDNA OXPHOS Replicazione

Mantenimento

Sintesi proteica Altro Totale

Conclusioni

Le malattie mitocondriali sono caratterizzate da un ampio spettro di presentazioni cliniche.

La diagnosi genetica di certezza è alla base delle valutazioni prognostiche e della consulenza genetica.

Il corretto inquadramento viene effettuato con un percorso clinico-diagnostico multidisciplinare e, nella maggior parte dei casi, include l’analisi del tessuto muscolare.

La prevalenza stimata delle malattie mitocondriali è di 1:8.500, ma è probabile che l’effettiva prevalenza sia maggiore.

UO Neurologia IV Lucia Morandi Marina Mora Flavia Blasevic Franco Salerno

UO Neuropsichiatria Infantile

Isabella Moroni Anna Ardissone Silvia Genitrini Graziella Uziel

UO Neurogenetica Molecolare Barbara Garavaglia Costanza Lamperti

Valeria Tiranti Daniele Ghezzi

Federica Invernizzi Silvia Marchet

Franco Carrara Valentina Bruno Nadia Zanetti Alice Zanolini

MRC – Cambridge UK Massimo Zeviani