Az orvosi biotechnológiai mesterképzés megfeleltetéseaz Európai Unió új társadalmi kihívásainaka Pécsi Tudományegyetemen és a Debreceni EgyetemenAzonosító szám: TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

MITOKONDRIÁLIS ÖREGEDÉS–ANYAGCSERE ÉS ÉLETTARTAM I.

Az orvosi biotechnológiai mesterképzés megfeleltetéseaz Európai Unió új társadalmi kihívásainaka Pécsi Tudományegyetemen és a Debreceni EgyetemenAzonosító szám: TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

Kvell KrisztiánA Gerontológia Molekuláris és Klinikai Alapjai – 28. előadás

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

FBSN: Familiális kétoldali striatum necrosis

LHON: Leber örökletes látóideg bántalom

MILS: Anyai ágon örökletes Leigh szindróma

NARP: Neuropátia, ataxia és retinitis pigmentosa

PEO: Progresszív külső szembénulás

MELAS: Mitokondriális agyi és izombántalom, laktát acidosis és stroke-szerű epizódok

MELAS: Mitokondriális agyi és izombántalom, laktát acidosis és stroke-szerű epizódok

PEO: Progresszív külső szembénulás

LHON: Leber örökletes látóideg bántalom

Q

IM

mtDNS által kódolt gének

N

V

F PT

E

ND6

ND5

LSH

ND4

ND3R

G

COX III

Cyt b

ATPase 8/6

KS D

WA

CY

ND2

ND1

L

16S

12S

COX II

COX I

Human mtDNS16,569 bp

LHON

Cardiomyopathy

Deafness

Encephalopathy

PEO

Myopathy

Diabetes MERRF

Dystonia

Anergia

Cardiopathy

NARP

Induced deafness

Respiratory deficiency

MELAS

Chorea

Ataxia

Myoclonus

FBSN

MILS?

MERF: Myoclorus epilepszia vörös rostokkal

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

• Változatos szám és méret, dinamikus struktúrák (lefűződés, fúzió, szétválás)

• Magas metabolikus aktivitás, sejten belüli erőmű, fő ROS forrás és cél

• Magon kívüli, kettősláncú, zárt, cirkuláris mtDNS, hossza 16,569 bp

• mtDNS által kódolt 37 gén, 2 rRNS, 22 tRNS, 13 légzési lánc polipeptid

Mitokondriumok és mtDNS jellemzői

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

RNS PolimerázmtTFAmtTFB1mtTFB2

PrimingRNázH1/5’-3’ ExonukleázLigáz III

Iniciátor faktorok

További aktivitások

Polimeráz

TwinkleTopoizomeráz

mtSSB

OH

OL

mtDNS

Mitokondriális DNS replikáció

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

• Kódoló szakaszok gazdaságossága (minimális nem kódoló szakasz, nincs intron)

• Nincs hiszton védelem

• mtDNS repair mechanizmusok gyengék

• mtDNS mutáció gyakori, 10x mint gDNS

Mitokondriális DNS sérülékenység okai

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

• Szuperoxid szivárgás 0.1% a mitokondriumban

• SOD és co-enzim Q szint kihat az élethosszra

• Cardiolipin szint csökken a korral

Mitokondriális öregedés okai, következményei

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

16

14

12

10

8

6

4

2

0

600

500

400

300

200

100

1 2 3 4 5 6 7 80

Hosp

ital ad

mis

sion

/1

05 p

op

ula

tion

% m

t DN

S ká

roso

dás

Kor(évtized)

COX hiány

Kórházi felvétel

mtDNS károsodás és kórházi felvétel

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

Idegrendszer:Rohamok, görcsök, késői fejlődés, süketség, dementia, stroke (gyakran 40 éves kor előtt), látórendszeri problémák, rossz egyensúlyozás, perifériás idegek problémái

Máj:Májelégtelenség (ritka kivéve csecsemőkben mtDNS depléció szindróma), hepatic steatosis

Szív:Szívizombántalom, vezetési blokk

Vese:Falconi szindróma, nefrotikus szindróma (ritka kivéve csecsemőkben co-enzim Q10 hiány esetén)

Szem:Ptosis, külső szembénulás, vakság (retinitis pigmentosa, látóideg sorvadása), szürkehályog

Vázizomzat:Izomgyengeség, rossz terhelhetőség, görcsök, myoglobulinuria

Emésztőrendszer:Nehéz nyelés, hányás, teltségérzet, krónikus hasmenés, bélelzáródás tünetei

Hasnyálmirigy:Diabetes

mt eredetű szerv / szövet betegségek

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

Kategória Egyéb elnevezés Tünetek példáiKapcsolt betegségek

OMIM bejegyzés

I. Komplex diszfunkció

NADHQ(1) oxidoreduktáz hiány

Rossz terhelhetőség, izomsorvadás, laktát acidosis, szívizombántalom, csökkent fejlődés

Leigh szindróma, MELAS, MERRF, Pearson szindróma

252010

II. Komplex diszfunkció

Szukcinát CoQ reduktáz hiány

Alacsony termet, szívizombántalom, izomgyengeség, motoros készségek elvesztése, ataxia

Kearns-Sayre szindróma, Leigh szindróma

252011

III. Komplex diszfunkció

Ubiquinol citokróm c reduktáz hiány

Tubulopátia, idegrendszeri zavar, májelégtelenség, izomgyengeség, myoclonus, ataxia, zavartság, rossz terhelhetőség, metabolikus acidosis

Leigh szindróma, Pearson szindróma

124000

IV. Komplex diszfunkció

Citokróm c oxidáz hiány

Csökkent reflexek, laktát acidosis, proteinuria, glucosuria és aminosavuria, májelégtelenség

Leigh szindróma, MNGIE szindróma, Pearson szindróma

220110

V. Komplex diszfunkció

ATP szintáz

Laktát acidemia, hypotonia, neurodegeneratív betegség, retinitis pigmentosa, ataxia, szellemi visszamaradottság, szívizombántalom, laktát acidosis

Leigh szindróma, NARP szindróma

516060

Mitokondriális betegségek osztályozása

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

• Ugyanazok a polimorfizmusok okoznak mt komplex betegséget és befolyásolják az élettartamot

• Nincs tünet míg az mtDNS mutáció > 60%

• Előfordulhat a mutáns mtDNS dúsulása

• Citokróm c oxidáz (COX) hiány mint marker

mtDNS eredetű betegségek

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

• Denham Harman elmélete, 1972

• Molekula páratlan elektronnal

• Mitokondriális légzési lánc szivárgása (90%)

• Dopamin, nor-adrenalin

• NOS (nitrit oxid szintáz)

• Fehérvérsejtekben légzési burst

• Környezeti hatások, redox egyensúly-hiány

ROS és fő forrásaik

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

• SOD (CuZnSOD, MnSOD, FeSOD)

• Kataláz

• Glutathion peroxidáz

• C, E vitamin

• Karotinoidok

• Co-enzyme Q10

• Glutathion (GSH)

• Húgysav

Antioxidánsok

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

• ROS termelődés endogén

• Állandó hatás, életkorral haladó változások

• mtDNS-t érintő súlyos következmények

• Visszafordíthatatlan hatások

Mitokondriális oxigéngyök öregedéselmélet (fő öregedés-elméleti kritériumok)

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

ATP

Oxidatív foszforiláció rendszer

Hiányos elektron-transzport lánc

mtDNSmutáció

mtDNS általkódolt elemek

mtDNS

∙OH

NADH, FADH2

Lánctörés Bázismódosulás

Hiányos mtDNSáltal kódolt elemek

H2O + ½ O2

CAT

2 H2O

GPX

2 GSH

GSSG

O2∙SOD

H2O2

O2

Elektronszivárgás

Lipid peroxidációFehérje oxidáció

+

H2O

Ördögi körFentonreakció

Energiahiány

Öregedés és mitokondriálisbetegségek

Külső membrán

Belsőmembrán

Magi DNS által kódolt elemekMitokondrium

Mitokondriális ROS termelődés

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

• A mitokondriális ROS termelés az öregedés releváns paramétere

• Anti-oxidánsok általában elegendőek (CuZnSOD /MnSOD / FeSOD, GSH-peroxidáz)

• Légzési lánc I. komplex az öregedési ütem fő forrása és célja

• Kalóriamegvonás a légzési lánc I. komplexét is megcélozza

Mitokondriális ROS termelés

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

• mtDNS oxidatív károsodás marker: 8-oxodG

• 8-oxodG szint 10x > mtDNS, mint gDNS

• 8-oxodG mtDNS károsodás repair nem hatékony

• 8-oxodG önmagában is mutagén

• A kalóriamegvonás célja a 8-oxodG szint is

mtDNS oxidatív károsodása

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

APOPTÓZIS

Caspase-8

Caspase-3

STRESSZ/ÉHEZÉS

NMDA/AMPA

p53P

Calpains

Ca2+

Bid

AIFCytc

BaxtBid

tBidBax

BaxBax

Bcl-2Bax

Bcl-xLBax

Fas ASIC

DNS károsodás

p53P

Bax

Sejtmag

Mitokondrium

Cytc

Apaf-1Caspase-9

Mitokondriális apoptosis külső hatásokra

ROS

Nucleophosmin

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

• PUFA láncok érzékenyek ROS-ra

• PUFA láncok ROS célok és mediátorok

• A mt membrán PUFA tartalma összefügg az élettartammal

Lipid peroxidáció

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

• HOMEOVISZKÓZUS ÉLETTARTAM ADAPTÁCIÓ

• DBI fordított arányban áll mérettel és MLS-el

• Súlyos hatások in vivo (mt, szív, idegrendszer)

• SAM-P törzsben fokozott AA és DHA szint

• MDA-lizin mint fehérje oxidatív stressz marker

PUFA ellentmondás: AA és DHA

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

• MDA-lizin mint fehérje oxidatív stressz marker

• Fehérje váz oxidáció

• Fehérje keresztkötések kialakulása

• Aminosav oldalláncok oxidációja

• Fehérje fragmentálódás

Fehérje peroxidáció

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

• Direkt: oxidált sulfhidril csoportok redukciója

• Indirekt:

– Felismerés, eltávolítás, lebontás (proteoszóma, calpain, lizoszóma)

– Helyettesítés, felhasználás

• Lipofuscin képzése (öregségi pigment, ceroid)

Repair fehérje peroxidáció után

TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

• Oxidált fehérjék fokozott szintje

Alzheimer-kór, ALS, szürkehályog, RA, izomdisztrófia, RDS, progéria, Parkinson-kór, Werner-szindróma

• Módosult fehérjék fokozott szintje

Szív- és érrendszeri, Alzheimer-kór, atherosclerosis, Parkinson-kór

• Oxidált / glikált fehérjék fokozott szintje

DM, atherosclerosis, Alzheimer-kór, Parkinson-kór

• Fehérje nitrotirozin károsodás fokozott szintje

Alzheimer-kór, SM, tüdőbetegség, atherosclerosis

Fehérje peroxidáció és betegségek