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Eleonora Lamantea, Convegno Mitocon 2013
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Eleonora Lamantea, Convegno Mitocon 2013

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La rete dei laboratori italiani e mondiali per le diagnosi genetiche

La rete dei laboratori italiani e mondiali per le diagnosi genetiche
Eleonora Lamantea, Istituto Neurologico Besta, Milano

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  • The functions of mitochondria are essential for life. First of all mitochondria are the powerhouse of the cell. They extract energy from nutrients such as sugars and fats and convert it into a common currency, ATP, the universal fuel of the cell. This metabolic process is called oxidative phosphorylation, and is carried out by a molecular machinery called the respiratory chain. Mitochondria liberate energy by burning oxygen: we call this process cellular respiration and this is why we need oxygen to live. But besides ATP, mitochondrial respiration is involved in many additional functions: in producing heat to warm up the body, in storing important elements such as calcium and iron, in synthesizing the precursors of nucleic acids, etc..

Eleonora Lamantea, Convegno Mitocon 2013 Eleonora Lamantea, Convegno Mitocon 2013 Presentation Transcript

  • La rete dei laboratoriper la diagnosi geneticadelle malattie mitocondrialiEleonora Lamantea3° Convegno Nazionale Mitocon – 1-2 Giugno 2013 – Tivoli Terme
  • Le funzioni dei mitocondriForniscono energia alla cellula,tramite la fosforilazione ossidativa.Ospitano importanti pathway metabolici(ciclo di Krebs, β-ossidazione, sintesi deilipidi e del colesterolo).Regolano l’omeostasi del Ca++.Inviano segnali apoptotici.I mitocondri contengono un proprio DNA.
  • HH++HH++HH++ATPATPADP + PiADP + PiComplesso IComplesso I Complesso IIComplesso II Complesso IIIComplesso III Complesso IVComplesso IV Complesso VComplesso VHH++<<CitoplasmaCitoplasmaMatriceMatrice1/2 O1/2 O22 HH22 OOSuccinatoSuccinato FumaratoFumaratoNADHNADH NADNAD++ee--ee--CoQCyt cMembranaMembranaMitocondrialeMitocondrialeesternaesternaMembranaMembranaMitocondrialeMitocondrialeinternainternaLa catena respiratoria
  • COMPLEX IVCOMPLEX IIICOMPLEX IICOMPLEX IATPSYNTHASEDNAmitocondriale7 subunità 2 subunità1 subunità 3 subunità+ 72 subunità codificate da nDNA.Più di un migliaio di geni nucleari sono coinvolti nellacorretta funzionalità del sistema OXPHOS.
  • Nelle malattie mitocondriali la corretta funzionalità dellacatena respiratoria (RC) e del sistema della fosforilazioneossidativa (OXPHOS) è compromessa.Ampio spettro di presentazioni cliniche:qualsiasi sintomo,qualsiasi organo o tessuto,qualsiasi età.Le malattie mitocondriali sono considerateil disordine metabolico più frequente.Prevalenza stimata ca. 1:5000-8500 nati.Gli organi più colpiti sono quelli chehanno maggior fabbisogno energetico(cervello, muscoli, cuore).
  • Mutazioni del DNA mitocondriale• Geni codificanti subunità strutturali OXPHOS• Geni codificanti per rRNA o tRNA 16.569 bpClassificazione genetica delle malattie mitocondriali• Grosse delezioni o duplicazioniMutazioni in geni nucleari• Geni codificanti subunità strutturali OXPHOS• Geni codificanti fattori di assemblaggio OXPHOS• Geni codificanti fattori coinvolti in mantenimentoe replicazione del mtDNA• Geni codificanti fattori necessari per la sintesiproteica• Geni codificanti enzimi necessari per la sintesi dilipidi e cofattori• Geni coinvolti nella biogenesi dei mitocondri
  • Le malattie mitocondriali possono essere sporadiche, trasmesse per viamatrilineare o come carattere autosomico (recessiva, dominante o X-linked).Malattia MitocondrialeMutazionimtDNAMutazionigeni nucleariSporadicamacrodelezioniMendelianacon alterazioni del mtDNAMendelianacon difetti biochimicisenza alterazioni del mtDNADeplezionedel mtDNADelezionimultipledel mtDNADifettosingolocomplessoDifettimultipliDifetti dicomunicazionetra genomiMatrilinearemutazioni puntiformi
  • In ogni cellula sono presenti migliaia di molecole di mtDNA.Quando una mutazione colpisce il mtDNA nella stessa cellula coesistono duepopolazioni di mtDNA in percentuale variabile (eteroplasmia).La mutazione causa la malattia quando la percentuale di molecole mutate supera lasoglia critica (diversa per mutazione, età e tessuto).Mutazioni del mtDNA (matrilineare)EteroplasmiaMutazione 30%nessun fenotipoMutazione 70%malattiaOmoplasmiaMammacon mutazionePapàsenza mutazioneFigliconmutazioneMammasenza mutazionePapàcon mutazioneFiglisenzamutazione
  • Mutazioni in geni nucleari: ereditarietàAutosomica recessivaPortatoresanoPortatricesanaAffettaSanoPortatrice sanaPortatore sanoAutosomica dominanteAffetto SanaAffettaAffettoSanaSanoSanoXYPortatricesana XXAffetto XYSana XXPortatrice sana XXSano XYLegata al cromosoma X
  • Mutazioni del mtDNA1988: 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 ATP6MELASMERRFNARP/MILSLHONMELAS: 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.
  • Nuove mutazioni del mtDNAEssere assente nei controlli.Colpire un aminoacido altamente conservato.Segregare con il fenotipo clinico.Segregare con il fenotipo biochimico.Essere eteroplasmica.
  • Geni associati a malattie mitocondriali
  • Deplezione del mtDNA(alterazione quantitativa)Delezioni multiple(alterazione qualitativa)Gene FormaTYMP MNGIETK2 MiopaticaDGUOK EpatocerebralePOLG1sindrome di AlpersMNGIESUCLA2 Encefalomiopatia con Aciduria MetilmalonicaMPV17 EpatocerebraleC10orf2 (Twinkle) EpatocerebraleRRM2BEncefalomiopatia e tubulopatiaMNGIESUCLG1 Encefalomiopatia con Aciduria MetilmalonicaGene FormaTYMP MNGIESLC25A4 AD PEOC10orf2 (Twinkle) AD PEOPOLG1AD PEOAR PEOPOLG2 AD PEORRM2B AD PEOOPA1 AD Atrofia ottica, Sordità, Oftalmoplegia,TK2 AR PEODGUOK AR PEODifetti nelle proteine coinvolte nel mantenimento e nella replicazione del mtDNA(Difetti multipli della catena respiratoria)
  • Difetti nelle proteine coinvolte nella sintesi delle proteine mitocondriali(Difetti multipli della catena respiratoria)Difetti multipli: molteplici causeEARS2 Leucoencefalopatia con coinvolgimento del talamo e del tronco encefalico ed aumento del lattato (LTBL).MTO1 Cardiomiopatia ipertrofica e acidosi lattica.MTO1EARS2
  • Il Network Italiano per le Malattie MitocondrialiUniversitàdi PisaUniversitàdi TorinoUniversità Statale diMilanoUniversitàdi VeronaUniversitàdi PadovaUniversitàdi BolognaUniversitàdi MessinaUniversità Cattolica delSacro Cuore - RomaIstituto Gaslini -GenovaIstituto NeurologicoC. Besta - MilanoOspedale PediatricoBambino Gesù - Roma
  • Diagnosi delle malattie mitocondrialiStoria famigliareIndagini metabolicheIndagini strumentaliBiopsia muscolareValutazione clinica approfondita
  • Malattie mitocondrialialterazioni morfologiche biopsia muscolareRagged Red FibersTotale assenza fibreCOX positiveParziale assenza fibreCOX positiveAlterazioni ultrastrutturalimicroscopio elettronico
  • Diagnosi delle malattie mitocondrialiValutazione clinica approfonditaStoria famigliareIndagini metabolicheIndagini strumentaliBiopsia muscolareIndagini biochimiche
  • HH++HH++HH++ATPATPADP + PiADP + PiComplex IComplex I Complex IIComplex II Complex IIIComplex III Complex IVComplex IV Complex VComplex VHH++<<1/2 O1/2 O22 HH22OOSuccinateSuccinate FumarateFumarateNADHNADH NADNAD++ee--ee--CoQCyt cIndagini biochimiche:valutazione della funzionalità della catena respiratoriaSu tessuto muscolare, epatico, fibroblasti.Dosaggio diretto dei complessi OXPHOSValutazione del consumo di ossigeno
  • Diagnosi delle malattie mitocondrialiValutazione clinica approfonditaStoria famigliareIndagini metabolicheIndagini strumentaliBiopsia muscolareIndagini biochimicheIndagini molecolari
  • Segni e sintomi tipici diuna sindrome mitocondriale?DeficitsingoloSequenzamtDNAPos NegScreeningGeni OXPHOSPosDiagnosi DiagnosiDeficitmultiploSBRT-PCRPosNegScreeningGeni sintesi proteicaPosNegScreeningGeni deplezionePosNegDiagnosi DiagnosiNegDiagnosiScreeningmutazioni mtDNASBPos PosNegSequenzamtDNAPosNegDelezionimultipleMacrodelScreeninggeni nucleari(AD o AR)Pos NegSequenzagene associatoPosDiagnosiDiagnosiDiagnosiDiagnosiMELASMERRFNARPLHONKSSPEOPearsonsAlpersADOAMNGIESI NOStudioistologico e biochimico(muscolo, fegato, fibroblasti)Pos Neg
  • La nostra casistica: pazienti con diagnosi molecolare521108 117189485801002003004005006007008009001000mtDNA OXPHOS ReplicazioneMantenimentoSintesi proteica Altro Totale
  • Quando non si raggiunge una diagnosi:Considerare la possibilità chenon sia una malattia mitocondriale.Forte sospetto clinicoFamigliarità positivaDifetto biochimico (in uno o più tessuti)Next Generation Sequencing
  • Next Generation Sequencing: le nostre collaborazioni
  • Criticità nella diagnosidelle malattie mitocondrialiEterogeneità clinica(qualsiasi sintomo, qualsiasi organo o tessuto, qualsiasi età)Molti geni malattia, ma pochi pazienti.Stesso fenotipo clinico, ma mutazioni in geni diversi.Correlazione genotipo/fenotipo difficileStesso gene, ma presentazioni cliniche differenti.Stesso gene, ma difetto biochimico differenti.Molti geni-malattia non sono noti(ca. 140 geni-malattia noti vs ca. 1500 geni-proteine mitocondriali)