a Pécsi Tudományegyetemen és a Debreceni Egyetemen Azonosító szám: TÁMOP

az Európai Unió új társadalmi kihívásainak

a Pécsi Tudományegyetemen és a Debreceni Egyetemen

Azonosító szám: TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

MITOKONDRIÁLIS ÖREGEDÉS–

ANYAGCSERE ÉS ÉLETTARTAM I.

az Európai Unió új társadalmi kihívásainak

a Pécsi Tudományegyetemen és a Debreceni Egyetemen

Azonosító szám: TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

Kvell Krisztián

A Gerontológia Molekuláris és Klinikai Alapjai – 28. előadás

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

M I

mtDNS által kódolt gének

N

V

F P T

E

ND6

ND5

L S H ND4

ND3

R G COX III

Cyt b

ATPase 8/6

S D K W A

C Y ND2 ND1 L

16S

12S

COX II COX I

Human mtDNS 16,569 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

• 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

RNS Polimeráz mtTFA

mtTFB1 mtTFB2

Priming

RNázH1/5’-3’ Exonukleáz Ligáz III

Iniciátor faktorok

További aktivitások

Polimeráz 

Twinkle Topoizomeráz

mtSSB

O_H

O_L

mtDNS

Mitokondriális DNS replikáció

• 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

• Szuperoxid szivárgás 0.1% a mitokondriumban

• SOD és co-enzim Q szint kihat az élethosszra

• Cardiolipin szint csökken a korral

Mitokondriális öregedés okai,

következményei

16 14 12 10 8 6 4 2 0

600 500 400 300 200 100

1 2 3 4 5 6 7 8

0

Hospital admission/ 105 population % mt DNS károsodás

Kor(évtized) COX hiány

Kórházi felvétel

mtDNS károsodás és kórházi

felvétel

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

Kategória Egyéb elnevezés Tünetek példái Kapcsolt

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

• 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

• 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

• SOD (CuZnSOD, MnSOD, FeSOD)

• Kataláz

• Glutathion peroxidáz

• C, E vitamin

• Karotinoidok

• Co-enzyme Q10

• Glutathion (GSH)

• Húgysav

Antioxidánsok

• ROS termelődés endogén

• Állandó hatás, életkorral haladó változások

• mtDNS-t érintő súlyos következmények

• Visszafordíthatatlan hatások

Mitokondriális oxigéngyök öregedéselmélet (fő

öregedés-elméleti kritériumok)

ATP

Hiányos elektron- transzport lánc

mtDNS mutáció mtDNS által kódolt elemek

mtDNS

∙OH NADH, FADH₂

Lánctörés Bázismódosulás Hiányos mtDNS

által kódolt elemek

H₂O + ½ O₂ CAT

2 H₂O GPX 2 GSH

GSSG O₂∙ SOD

H₂O₂ O₂

Elektron szivárgás

Lipid peroxidáció Fehérje oxidáció

+

H₂O

Ördögi kör

Fenton reakció

Energiahiány Öregedés és mitokondriális betegségek

Külső membrán Belsőmembrán

Magi DNS által kódolt elemek Mitokondrium

Mitokondriális ROS termelődés

• 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

• 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

APOPTÓZIS Caspase-8

Caspase-3

STRESSZ/ÉHEZÉS

NMDA/AMPA

p53 P

Calpains

Ca²⁺

Bid

AIF

Cytc tBid Bax

tBid Bax

BaxBax

Bcl-2 Bax

Bcl-xL Bax

Fas ASIC

DNS károsodás

p53 P Bax

Sejtmag

Mitokondrium

Cytc Apaf-1 Caspase-9

Mitokondriális apoptosis külső hatásokra

ROS

Nucleophosmin

• PUFA láncok érzékenyek ROS-ra

• PUFA láncok ROS célok és mediátorok

• A mt membrán PUFA tartalma összefügg az élettartammal

Lipid peroxidáció

• 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

• MDA-lizin mint fehérje oxidatív stressz marker

• Fehérje váz oxidáció

• Fehérje keresztkötések kialakulása

• Aminosav oldalláncok oxidációja

• Fehérje fragmentálódás

Fehérje peroxidáció

• Direkt: oxidált sulfhidril csoportok redukciója

• Indirekt:

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

– Helyettesítés, felhasználás

• Lipofuscin képzése (öregségi pigment, ceroid)

Repair fehérje peroxidáció után

• 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