Scienza Mitocondri: Malattie Monogeniche ed Eredità Mitocondriale

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Mitochondria

itochondria

.MALATTIE MONOGENICHE DOMINANTI 54% AUTOSOMICHE RECESSIVE 36% DOMINANTI LEGATE AL AL CROMOSOMA X 10% RECESSIVE 7 LEGATE AL CROMOSOMA Y MITOCONDRIALI 2GENOMA UMANO NUCLEARE 3000 Mb ~ 25.000 Geni MITOCONDRIALE 16.6 Kb 37 GeniORGANIZZAZIONE DEL GENOMA UMANO 1.5% ~3% ~44% ~45% ~6.6% Transposon-based repeats Heterochromatin Other non-conserved Nuclear genome (24 linear double-stranded DNA molecules - 3200 Mb; ~ 30 000 genes) Densità genica: 1/100kb <2% ~5% 1 1 1 1 1 1 - ~93% Highly conserved (coding) Highly conserved (other) Mitochondrial genome (1 circular double-stranded DNA 16.6 kb; 37 genes) Densità genica: 1/0.45kb Densità ~ 220x Dimensione ~ 200mila più piccolo

Organizzazione del genoma mitocondriale

L'organizzazione del genoma mitocondriale assomiglia a quella dei batteri

• Non ci sono introni
• Trascrizione di RNA policistronici

PROMOTORE Gene 1 Gene 2 Gene 3 Gene 4 RNA polimerasi RNA polimerasi Ribosomi (un'unica sequenza regolatoria che controlla la trascrizione di tanti geni) mRNA POLICISTRONICO

• La prima metionina è formilata

Polipeptide Polipeptide Polipeptide 1 2 3

• DNA circolare

Codice genetico mitocondriale

Il codice genetico mitocondriale è diverso da quello nucleare Il mitocondrio deve codificare per i suoi tRNA

mtDNA variants mtDNA variant AAA Lys CAA CAG CAC CAU Gln GAA GAG GAC GAU Glu UAA UAG STOP AAG AAC Asn His Asp UAC UAU Tyr ACA ACG Thr CCA CCG CCC CCU Pro GCA GCG GCC GCU UCA UCG UCC UCU Ser ACC ACU AGA CGA UGA | STOP Trp STOP AGG UGG | Trp AGC Ser CGU GGA GGG GGC GGU Gly UGC UGU Cys Met AUA I Ile CUA GUA GUG GUC UUA UUG Leu AUG I Met CUG Leu Val UUC AUU CUU GUU UUU Figure 1.25 Human Molecular Genetics, 4ed. (@ Garland Science) AUC CUC lle Phe Arg CGG CGC Arg AGU AAU Ala

Geni del mtDNA umano

Sul totale di 37 geni: 2 rRNA 22 tRNA 13 geni che codificano proteine

Filamento H RNA ribosomale piccolo Thr Citocromo b 1 Pro Phe Val Leu -ND1 ND6 Filamento L Glu lle Gin - f Met ND5 - mtDNA umano (~17 kb) - ND2 Ala Asn Cys - Trp Tyr His Ser Arg Gly Lys COX1 Asp ND4L ND3 1 Citocromo c ossidasi III Subunità 6 dell'ATPasi Citocromo c ossidasi II COX2 COX3 grande . .. .. . RNA ribosomale ND4 ossidasi | Leu Ser - Citocromo cSubunità della citocromo ossidasi ATP sintasi Thr grande . .. .. . 1 Phe Val Leu Pro -ND1 ND6 Filamento L Glu lle Gin - f Met ND5 - mtDNA umano (~17 kb) - ND2 Ala Asn Cys - Trp Tyr His Ser Arg Gly Lys COX1 Asp ND4L ND3 1 Citocromo c ossidasi III Subunità 6 dell'ATPasi Citocromo c ossidasi II COX2 COX3 13 geni per subunità delle proteine coinvolte nella fosforilazione ossidativa Filamento H RNA ribosomale piccolo RNA ribosomale Citocromo b Subunità della NADH deidrogenasi Leu Ser - Citocromo c ND4 ossidasi |

Catena respiratoria e fosforilazione ossidativa

Catena respiratoria - enzimi della fosforilazione ossidativa

Outer membrane Intermembrane space Inner membrane Matrix NADH deidrogenasi H+ Succinato reduttasi Citocromo B H+ Citocromo C ossidasi ATP sintasi Succinate Fumarate H2O ADP- ATP ND1ND2 e Cytb e- e- e- e- A6 CoQ Cyto Subunits Complex I Complex II 0 4 Complex III 1 10 Complex IV 3 10 Complex V 2 ~14 mtDNA-encoded: nDNA-encoded: 42 7 COX COX II COXIII A8 ND3 NDOBIND4 ND5 ND4L Ci sono 5 enzimi coinvolti nella fosforilazione ossidativa, tutti composti da molte subunità: -in blu: subunità codificate da enzimi del DNA nucleare -in rosso: subunità codificate da enzimi del DNA mitocondriale

Autonomia del genoma mitocondriale

TABLE 9.1 THE LIMITED AUTONOMY OF THE MITOCHONDRIAL GENOME

Mitochondrial component Encoded by Mitochondrial genome Nuclear genome Components of oxidative phosphorylation system 13 subunits 80 subunits - NADH dehydrogenase 7 42 = Succinate CoQ reductase 0 4 III Cytochrome b-c1 complex 1 10 IV Cytochrome c oxidase complex 3 10 V ATP synthase complex 2 14 Components of protein synthesis apparatus 24 RNAS 79 proteins rRNA 2 0 tRNA 22 0 Ribosomal proteins 0 79 Other mitochondrial proteins 0 Alla aIncludes mitochondrial DNA and RNA polymerases plus numerous other enzymes, structural and transport proteins, etc. Table 9.1 Human Molecular Genetics, 4ed. (@ Garland Science)

Patologie mitocondriali

Mutazioni del DNA mitocondriale

1º categoria: PATOLOGIE DOVUTE A MUTAZIONI DEL DNA MITOCONDRIALE (mtDNA) ereditarietà matrilineare Geni codificanti enzimi della catena respiratoria Geni codificanti per tRNA

Mutazioni a geni nucleari

2º categoria: PATOLOGIE DOVUTE A MUTAZIONI A GENI NUCLEARI che codificano per proteine mitocondriali ereditarietà mendeliana Geni codificanti enzimi coinvolti nella catena respiratoria Geni necessari alla stabilizzazione/riparazione del mtDNA

Copie del DNA mitocondriale

Il DNA mitocondriale è presente in più copie: In ciascuna cellula: centinaia di mitocondri Ciascun mitocondrio contiene 8-10 copie di DNA mitocondriale

ATP-Sintasi Spazio intermembrana Matrice Creste Ribosoma Granulo Membrana interna Membrana esterna DNA DNA circolare

Eteroplasmia

Eteroplasmia

Reticolo endoplasmatico ruvido Poro nucleare Nucleolo Nucleo Ribosoma Membrana nucleare Apparato di Golgi Centriolo Lisosoma C 2 Reticolo endoplasmatico liscio Citoplasma Mitocondrio Membrana plasmatica Molte copie del genoma mitocondriale per singola cellula. Eteroplasmia: in una stessa cellula ci possono essere sia mitocondri con la mutazione che mitocondri privi della mutazione

Segregazione casuale dei mitocondri

MUTANTE S 0 Alla divisione cellulare (mitosi o meiosi) si ha una segragazione casuale dei mitocondri Z : -- Le cellule figlie possono avere un diverso numero di mitocondri mutati OMOPLASMIA NORMALE ETEROPLASMIA OMOPLASMIA MUTANTE

Variabilità fenotipica e distribuzione

MUTANTE S 0 1) Forte variabilità fenotipica tra un individuo e l'altro Z 2) La percentuale di DNA mitocondriale mutato può variare molto anche nelle diverse cellule e tessuti dello stesso individuo (distribuzione casuale dei mitocondri alla MITOSI) OMOPLASMIA NORMALE ETEROPLASMIA OMOPLASMIA MUTANTE

Eteroplasmia: effetto soglia

Eteroplasmia: effetto soglia

00 0000 00 Mutant mitochondria C Normal mitochondria Cional MIDNA prolderation Random Segregation 00 00 C N 0 0 00 00 4 Disease phenotype Normal phenotype Threshold for phenotypic expression Se la maggior parte delle cellule avranno solo pochi mitocondri con la mutazione l'individuo non avrà sintomi, ma può trasmettere la mutazione Se la maggior parte dei mitocondri ha la mutazione: l'individuo sarà malato

Organi e tessuti colpiti

Nervous system Eyes Seizures, tremors, developmental delays, deafness, dementia, stroke before age 40, poor balance, problems with peripheral nerves Drooping eyelids (ptosis), inability to move eyes from side to side (external ophthalmoplegia). blindness (retinitis pigmentosa) Heart Skeletal Muscle Cardiomyopathy (heart failure. conduction block) Muscle weak- ness. exercise intolerance, cramps Liver Liver failure uncommon except in babies with mitochondrial DNA depletion Digestive tract Acid reflux, vomiting. chronic diarrhea. intestinal obstruction Kidneys Fanconi syndrome (loss of essential metabolites in urine) Pancreas Diabetes Figura 5. Principali organi e tessuti colpiti dalle malattie mitocondriali

Eredità mitocondriale (matrilineare)

Trasmissione della malattia

EREDITA' MITOCONDRIALE (O MATRILINEARE Padre affetto da malattia mitocondriale Madre affetta da malattia mitocondriale Individuo malato Individuo sano Le malattie causate da mutazioni del DNA mitocondriale sono trasmesse solo dalle donne, ma possono colpire indifferentemente uomini o donne Figli sani Figli con malattia mitocondriale

Mitocondri dello zigote

EREDITA' MITOCONDRIALE (O MATRILINEARE 00 000 00 1 Tutti i mitocondri dello zigote vengono forniti dalla cellula uovo Centriolo (Corpo Basale) Acrosoma Nucleo Sistema Microtubolare Guaina Mitocondriale Testa Segmento Intermedio Coda (Flagello) mitocondri 00 000 pronucleo dello spermatozoo pronucleo della cellula uovo I mitocondri dello spermatozoo non entrano nella cellula uovo o vengono degradati (eredità matrilineare).

Caratteristiche dell'eredità matrilineare

EREDITA' MITOCONDRIALE (O MATRILINEARE) İ Figura IV.24 - Eredità matrilineare di una malattia mi- tocondriale.

• Si trasmette SEMPRE, SOLO per linea materna.
• Colpisce sia i maschi che le femmine, ma solo le femmine trasmettono la malattia.
• Le madri passano i geni mitocondriali a tutti i discendenti, ma:
• Il fenotipo può essere altamente variabile (in caso di eteroplasmia), perché la percentuale di cromosomi mutati ereditati è casuale, dipende da come si sono divisi alla citodierisi durante l'ovogenesi.

Esempio di ereditarietà

20gianna luca

VERO O FALSO? a. Gianna potrà avere altri figli con la stessa malattia b. Luca potrà avere altri figli con la stessa malattia c. Le figlie femmine di Luca potranno avere figli con la stessa malattia d. I figli maschi di Gianna potranno avere figli con la stessa malattia e. Le figlie femmine di Gianna, anche se sane, potranno avere figli con la stessa malattia

gianna luca

VERO O FALSO? a. Gianna potrà avere altri figli con la stessa malattia VERO b. Luca potrà avere altri figli con la stessa malattia FALSO c. Le figlie femmine di Luca potranno avere figli con la stessa malattia FALSO d. I figli maschi di Gianna potranno avere figli con la stessa malattia FALSO e. Le figlie femmine di Gianna, anche se sane, potranno avere figli con la stessa malattia VERO