Choroby mitochondrialne wynikające z niestabilności mitochondrialnego DNA

W komórkach zwierzęcych mitochondria jako jedyne, poza jądrem, posiadają swój własny DNA (mtDNA). Mitochondrialny DNA człowieka koduje 13 podjednostek łańcucha oddechowego, 2 rRNA i 22 rodzaje tRNA. Wszystkie pozostałe białka (ok. 1000-1500) niezbędne do prawidłowego funkcjonowania mitochondrium kodowane są jądrowo i importowane do wnętrza organellum. Choroby mitochondrialne to silnie zróżnicowana grupa zwykle wielonarządowych zaburzeń wynikających z dysfunkcji łańcucha oddechowego, a jedną z przyczyn jest zaburzenie stabilności genomu mitochondrialnego. Na ogół pojedyncze delecje mają charakter sporadyczny, a liczne delecje są wtórnym efektem mutacji w jądrowych genach, których produkty białkowe uczestniczą w replikacji mtDNA lub metabolizmie nukleotydów. Celem przedstawionej rozprawy była pierwsza w Polsce ocena częstości występowania chorób mitochondrialnych związanych z zaburzeniem stabilności genomu mitochondrialnego dziedziczonych w sposób autosomalny oraz określenie spektrum udziału genów jądrowych zaangażowanych w patogenezę tej grupy chorób. Analiza długości mitochondrialnego DNA wykazała, że niestabilność genomu mitochondrialnego jest przyczyną choroby 29% spośród 406 badanych osób. W przypadku osób z potwierdzoną obecnością minimum dwóch różnych klas delecji mtDNA, podejrzeniem deplecji (ogólnego spadku liczby kopii mtDNA) lub silnym wskazaniem klinicznym wykonano analizę sekwencji genów jądrowych, których produkty białkowe są zaangażowane w replikację mitochondrialnego DNA (POLG, POLG2, C10orf2) lub metabolizm nukleotydów (RRM2B, DGUOK, TYMP, SUCLA2, SLC25A4). U 12 osób wykryto mutacje lub nowe potencjalnie patogenne warianty genu POLG, kodującego podjednostkę katalityczną mitochondrialnej polimerazy γ. Z tego 11 pacjentów było homozygotami lub złożonymi heterozygotami, a 1 osoba była heterozygotą pod względem obecności nowego, potencjalnie patogennego wariantu. W celu weryfikacji potencjalnie patogennego charakteru 7 nowych i jednego słabo scharakteryzowanego wariantu POLG sprawdzono dystrybucję wariantów w rodzinach oraz określono częstość populacyjną 5 z nich. Wyniki przeprowadzonych analiz silnie wspierają hipotezę, że 4 nowe i 1 słabo scharakteryzowany wariant to mutacje patogenne dziedziczone w sposób autosomalny recesywny. Analiza genów jądrowych zaangażowanych w patogenezę chorób mitochondrialnych związanych z niestabilnością genomu mitochondrialnego wykazała, że struktura genetyczna populacji polskiej różni się od populacji północno- i zachodnioeuropejskich.

Mitochondria, apart from the nucleus, are the only organelles in animal cells which contain their own genome (mtDNA). Human mitochondrial DNA encodes 13 respiratory chain subunits, 2 rRNA and 22 types of tRNA. All the other proteins (1000-1500) necessary for proper mitochondria function are encoded in the nucleus and transported into organelle. Mitochondrial diseases is a heterogeneous group of typically multiorgan disorders caused by respiratory chain dysfunction which may result from the instability of mitochondrial genome. Usually single deletions are sporadic and multiple deletions are a secondary effect caused by mutations in nuclear genes which encodes proteins involved in mtDNA replication or nucleotide metabolism. The aim of presented dissertation was to evaluate the frequency of mitochondrial diseases associated with mitochondrial genome instability inherited in autosomal manner and determine the range of nuclear genes involved in their pathogenesis for the first in Poland. Mitochondrial DNA length analysis proved that mitochondrial genome instability is the cause of disease of 29% from 406 subjects. In the case of people with confirmed presence of at least 2 different mtDNA deletion, suspicion of depletion (pathogenic decrease of the total of mtDNA copy number) or strong clinical indication, sequence analysis of nuclear genes encoding proteins involved in mitochondrial DNA replication (POLG, POLG, C10orf2) or nucleotide metabolism (RRM2B, DGUOK, TYMP, SUCLA2, SLC25A4) was conducted. In 12 person we confirmed presence of mutations or novel potentially pathogenic variants of POLG gene which encodes catalytic subunit of mitochondrial DNA polymerase γ. Eleven of those people were homozygotes or compound heterozygotes and 1 person had 1 novel potentially pathogenic POLG variant in heterozygous form. To verify whether 7 novel and 1 poorly characterized variants are pathogenic the analysis of variants distribution in the families and their frequency in the population were determined for 5 of them. Obtained results strongly agrees with the hypothesis that 4 novel an 1 poorly characterized variants are in fact pathogenic mutations inherited in autosomal recessive manner. Analysis of the range of nuclear genes involved in pathogenesis of mitochondrial diseases associated with mitochondrial genome instability proved that the genetic structure of polish population is different from Northern- and Western European populations.