Ziekten veroorzaakt door mitochondriale DNA-mutaties

Zie ook de artikelen op bl. 1327 en 1341.

In de afgelopen jaren is veel vooruitgang geboekt bij het in kaart brengen van erfelijke aandoeningen. Kennis omtrent mutaties heeft bij een groot aantal ziektebeelden geleid tot verbetering van de (prenatale) diagnostische mogelijkheden. Voorts biedt deze ontwikkeling in toenemende mate uitzicht op nieuwe behandelingsmogelijkheden, hetzij door directe toepassing van het desbetreffende DNA bij somatische gentherapie, hetzij indirect door de produktie van bij de aandoening betrokken eiwitten via recombinant-DNA-technologie.

Sommige van deze ziekten worden veroorzaakt door mutaties in het mitochondriale DNA (mtDNA), dat in menselijke cellen voorkomt naast het chromosomale DNA in de celkern. Het mtDNA bevat de genetische code voor verscheidene eiwitten die onderdeel zijn van mitochondriale enzymcomplexen. Mutaties in mtDNA worden gevonden bij een opvallende verscheidenheid aan ziektebeelden en uiteenlopende disciplines zijn dan ook betrokken bij de diagnostiek en de behandeling ervan. De erfelijkheid van deze ziekten heeft een geheel eigen vorm, die niet voldoet aan de wetten van Mendel. Dit heeft belangrijke implicaties voor het geven van erfelijkheidsadviezen aan de betrokken families.

De mitochondriale energieproduktie

De energievoorziening van de cel is in dit tijdschrift eerder beschreven.1 Mitochondriën produceren het overgrote deel van de gemiddeld 45 kg ATP die het menselijk lichaam dagelijks verbruikt. Koolhydraten worden hiertoe omgezet in pyruvaat, en vetzuren worden aan coënzym A gekoppeld. Vervolgens vindt in het mitochondrion omzetting in acetylcoënzym A plaats, dat in de citroenzuurcyclus verder wordt afgebroken. De energie die hierbij vrijkomt, wordt vastgelegd in de vorm van NADH en FADH₂. Deze gereduceerde verbindingen geven elektronen af aan de ademhalingsketen waarbij protonen buiten de binnenmembraan van het mitochondrion worden gepompt. Door het protonenkanaal van het ATP-synthase stromen de protonen weer terug en de hierbij vrijkomende energie wordt gebruikt voor de synthese van ATP.

Deficiënties in de mitochondriale ATP-synthese leiden tot een energietekort in de cel. De gevolgen hiervan zijn vooral merkbaar in weefsels met een hoge energiebehoefte zoals het centrale zenuwstelsel, de hartspier en de skeletspieren.

Mitochondriaal dna

Elke menselijke cel bevat vele honderden mitochondriën en in ieder mitochondrion bevinden zich 2-10 kopieën van het mtDNA. Het is het enige DNA dat in de zoogdiercel voorkomt buiten de celkern en het onderscheidt zich in diverse opzichten van het chromosomale DNA (figuur). Allereerst is mtDNA circulair, en slechts 16.569 basenparen groot, terwijl het lineaire, in chromosomen gerangschikte DNA in de celkern ongeveer 6 x 10⁹ basenparen bevat. De genen in het mtDNA worden niet onderbroken door niet-coderende gedeelten (introns). Ook de codons van aminozuren en de wijze van replicatie en transcriptie van mtDNA zijn enigszins anders dan bij het chromosomale DNA.

De volgorde van de basenparen in het menselijk mtDNA is volledig bekend. In 4 van de 5 enzymcomplexen van de mitochondriale ATP-synthese zijn eiwitketens (subeenheden) aanwezig waarvan de genen in mtDNA liggen: 7 van de ongeveer 40 subeenheden waaruit complex I is opgebouwd, 1 subeenheid (het cytochroom b) van de 10 van complex III, 3 subeenheden van de 13 van complex IV en 2 subeenheden van de 12 van complex V (zie de figuur). De overige subeenheden van de complexen I, III, IV en V en alle subeenheden van complex II zijn gecodeerd op het chromosomale DNA. Verder bevat mtDNA 2 genen voor ribosomaal RNA en 22 transfer-RNA (tRNA)-genen die nodig zijn voor de synthese van de door het mtDNA gecodeerde eiwitten. Het ribosomale RNA maakt deel uit van de ribosomen die de translatie van mRNA tot eiwit katalyseren en de tRNA's binden en apporteren de hierbij benodigde aminozuren. De synthese van de chromosomaal gecodeerde subeenheden vindt plaats buiten de mitochondriën in de cytosol, waarna ze worden geïmporteerd in de mitochondriën.

MtDNA volgt een uniek patroon van erfelijkheid omdat bij de bevruchting vrijwel uitsluitend mtDNA van de moeder wordt overgedragen. Hierdoor wordt mtDNA via de moederlijke lijn overgeërfd dat wil zeggen, mtDNA wordt door de moeder doorgegeven aan alle zonen en dochters, maar uitsluitend de dochters kunnen het mtDNA weer doorgeven aan een volgende generatie (maternale erfelijkheid).

Bij de meeste tot dusver bekende ziektebeelden die veroorzaakt worden door mutaties in het mtDNA is er sprake van heteroplasmie, dat wil zeggen dat er twee populaties mtDNA naast elkaar voorkomen: het gemuteerde mtDNA en het normale, niet-gemuteerde, (‘wild type’) mtDNA. Tijdens de opeenvolgende celdelingen wordt gemuteerd en normaal mtDNA waarschijnlijk willekeurig verdeeld over de dochtercellen. Hierdoor kan tijdens de embryogenese de verhouding tussen gemuteerd en normaal mtDNA in verschillende weefsels sterk uiteen gaan lopen, hetgeen belangrijke gevolgen kan hebben voor de expressie van mitochondriale ziekten.

Ziekten veroorzaakt door mutaties in het mitochondriale dna

De klinische verschijnselen van mitochondriale aandoeningen vormen een rijk geschakeerd spectrum:2 alleen de extra-oculaire oogspieren kunnen aangedaan zijn (progressieve externe oftalmoplegie), maar ook kunnen symptomen van het centrale zenuwstelsel overheersen, zoals ataxie, dementie, onwillekeurige bewegingen en epilepsie. Soms ziet men melkzuuracidose, hypotonie en snel optredende vermoeidheid. Biochemisch onderzoek laat in de regel een verminderde activiteit van één of meer enzymcomplexen van de ademhalingsketen zien. In de skeletspieren vindt men bij mitochondriale deficiënties vaak accumulatie van abnormale mitochondriën, die zich morfologisch manifesteren als ‘ragged red fibres’. Sommige mitochondriale aandoeningen worden door mutaties van het mtDNA veroorzaakt, hetgeen het eerst is aangetoond door Holt et al., die deleties vonden in mtDNA uit spierweefsel van patiënten met mitochondriale myopathie.3 De deleties waren verschillend in lengte, maar steeds was er heteroplasmie: naast gedeleteerd mtDNA was ook normaal mtDNA aanwezig.

Mitochondriale ziekten die door mutaties in mtDNA worden veroorzaakt, kunnen ingedeeld worden op basis van de moleculaire afwijkingen of naar klinische verschijnselen. Moleculair is onderscheid te maken tussen diverse mutaties zoals deleties, puntmutaties in tRNA-genen en puntmutaties in genen die coderen voor subeenheden. Klinisch is onderscheid te maken naar aangedane organen of naar bepaalde symptomen. Beide indelingen hebben voor- en nadelen en een definitieve classificatie is nog niet te geven. Wij volgen hier de moleculaire indeling. Een overzicht van de mutaties en de aandoeningen staat in de tabel. Uit deze tabel is tevens af te leiden in welke gevallen laboratoriumonderzoek van mtDNA geïndiceerd is, zoals bij een onbegrepen opticusatrofie of bij combinaties van symptomen die in de richting van ‘mitochondriale encefalomyopathie, lactaatacidose, ’stroke-like episodes’’ (MELAS) of ‘neurogene spierziekte, ataxie, retinitis pigmentosa’ (NARP) wijzen.

Deleties en duplicaties

Progressieve externe oftalmoplegie (PEO) gaat vaak gepaard met proximale spierzwakte. In de meeste gevallen breidt de spierzwakte zich geleidelijk uit naar de nekmusculatuur, het gelaat en de farynx. Abnormale vermoeibaarheid is bij sommige patiënten een belangrijke en invaliderende klacht. Bij ongeveer de helft van de patiënten wordt een deletie in het mtDNA gevonden. Deze deleties worden in spierweefsel aangetroffen maar niet of nauwelijks in witte bloedcellen. De lengte van de deletie wisselt van patiënt tot patiënt, evenals de verhouding tussen gemuteerd en normaal mtDNA. Bij enkele patiënten met PEO zonder mtDNA-deletie is een ander type mutatie gevonden, namelijk een puntmutatie in het leucine-tRNA-gen.

PEO is ook een obligaat onderdeel van het Kearns-Sayre-syndroom, dat verder klinisch gekenmerkt wordt door een ziektebegin vóór het twintigste levensjaar, retinitis pigmentosa, en minimaal één van de volgende kenmerken: een compleet hartblok, een cerebellair syndroom of een eiwitconcentratie in de liquor cerebrospinalis > 1 gl. Patiënten met Kearns-Sayre-syndroom overlijden meestal voor het veertigste levensjaar aan hartritmestoornissen of cardiomyopathie. Hierbij komen deficiënties voor van verschillende mitochondriale enzymcomplexen en in de regel worden grote deleties en duplicaties van het mtDNA in spierweefsel gevonden. Omdat het ziektebeeld in het algemeen sporadisch is, moeten de duplicatiesdeleties ontstaan zijn in de eicel of vroeg tijdens de embryogenese. Evenals bij PEO variëren de lengte en de mate van heteroplasmie.

Het Pearson-syndroom wordt gekenmerkt door refractaire sideroblastische anemie met vacuolisatie van de voorlopers van de rode en witte reeks in het beenmerg. Soms wordt trombocytopenie gezien en vrijwel steeds een exocriene-pancreasdysfunctie. Omdat de patiënten tevens een lichte melkzuuracidose hebben, werd een defect in de mitochondriale ademhalingsketen als oorzaak vermoed. Bij onderzoek van mtDNA uit witte bloedcellen zijn grote deleties gevonden.

Voor het grote verschil in klinische expressie bij patiënten met overeenkomstige veranderingen in het mtDNA is nog geen goede verklaring gevonden.

Transfer-RNA-mutaties

Karakteristiek voor het ‘myoclonus, epilepsie, ragged red fibres’ (MERRF)-syndroom zijn progressieve myoclonus, epilepsie, spierzwakte en een cerebellair syndroom. Het klinische beeld is sterk heterogeen, ook binnen families met MERRF. Histologisch onderzoek van de spier laat ragged red fibres zien en biochemisch onderzoek van de spiermitochondriën toont in wisselende mate deficiënties van complexen I, III en IV. Het MERRF-syndroom wordt uitsluitend via de moederlijke lijn overgeërfd. In 1990 werd een puntmutatie gevonden in het lysine-tRNA-gen.4 Een gestoorde functie van het tRNA kan leiden tot een verstoring van de inbouw van het betreffende aminozuur, in dit geval lysine. Ook bij patiënten met het MERRF-syndroom is er een heterogene populatie mtDNA, waarbij in wisselende percentages het gemuteerde mtDNA en het normale mtDNA naast elkaar voorkomen. Een klein percentage van het normale, niet-gemuteerde mtDNA blijkt de patiënt al te kunnen beschermen tegen de klinische symptomen van het MERRF-syndroom.

Patiënten met het MELAS-syndroom zijn klein van gestalte en de volgende klinische afwijkingen staan op de voorgrond: periodiek optredende hoofdpijn gepaard met braken, convulsies en op beroerten lijkende aanvallen, leidend tot hemiparese, hemianopsie of corticale blindheid. Vrijwel altijd is er een verhoogde melkzuurconcentratie in bloed en liquor. Deficiënties van diverse ademhalingsketen-enzymen zijn beschreven. Het MELAS-syndroom is in de meeste gevallen familiair, waarbij de ziekte maternaal overerft. Bij de meeste MELAS-patiënten is een puntmutatie op positie 3243 van het leucine-tRNA-gen aanwezig;56 bij enkele patiënten zijn andere mtDNA-mutaties gevonden. Doordat bij het MELAS-syndroom in verschillende weefsels de verhouding tussen gemuteerd en normaal mtDNA uiteenloopt, is deze verhouding in witte bloedcellen geen betrouwbare maat voor de ernst van de ziekte.

Mutaties in het leucisne-tRNA-gen kunnen sterk verschillende effecten hebben. Bij de maternaal overervende diabetes mellitus en doofheid (MDD) vindt men dezelfde mutatie in het tRNA voor leucine als bij de meeste MELAS-patiënten. Naast diabetes treedt in wisselende mate neuronale doofheid op, die bij sommige patiënten voorafgaat aan de glucose-intolerantie.7 Bij substitutie op positie 3260 in hetzelfde gen ontstaat echter maternaal overervende myopathie en cardiomyopathie (MMC).8 Deze aandoening doet zich voor het eerst voor op volwassen leeftijd en toont geen andere neurologische verschijnselen. Evenals bij het MERRF-syndroom lijkt bij MMC een klein percentage (15) normaal mtDNA voldoende om de klinische aandoening te voorkomen.

Het is onduidelijk waarom een gestoorde mitochondriale eiwitsynthese soms encefalomyopathlie veroorzaakt en in andere families diabetes, pancreasaandoening of cardiomyopathie. Er zijn wel aanwijzingen voor een overlap tussen de verschillende aandoeningen, zoals bij een patiënt met aanvankelijk het MERRF-syndroom bij wie zich later het MELAS-syndroom in combinatie met neuronale doofheid manifesteerde. Het is duidelijk dat andere tot dusver onbekende factoren medebepalend zijn voor het fenotype bij deze mtDNA-mutaties.

Puntmutaties in mtDNA-genen die voor eiwitten coderen

Bij de door Leber in 1871 beschreven hereditaire opticusneuropathie ontstaat, meestal op jong-volwassen leeftijd, (sub)acuut ernstige slechtziendheid van beide ogen. De ziekte wordt uitsluitend via de moederlijke lijn overgeërfd. Bij onderzoek van het mtDNA hebben Wallace et al. een puntmutatie gevonden in subeenheid 4 van complex I van de ademhalingsketen.9 In de meeste gevallen blijkt er, in tegenstelling tot de andere mtDNA-mutaties, homoplasmie voor de mutatie te zijn (dat wil zeggen: alleen afwijkend mtDNA). Toch wordt ook bij sommige patiënten met Leber-opticusatrofie heteroplasmie gevonden. De verhouding van gemuteerd en normaal mtDNA blijkt van moeder naar kind snel te kunnen veranderen. Behalve de puntmutatie in complex I-subeenheid 4, die bij ongeveer de helft van de patiënten aanwezig is, zijn puntmutaties beschreven in mtDNA-genen die coderen voor andere subeenheden van complex I.2

Bij het NARP-syndroom en bij sommige patiënten met het syndroom van Leigh (subacute necrotiserende encefalomyopathie) is een puntmutatie gevonden in een subeenheid van het ATP-synthase.10 De mutatie resulteert in een sterke remming van de mitochondriale omzetting van ADP en ATP. In een zelfde familie kan zowel het NARP-syndroom als het syndroom van Leigh voorkomen, afhankelijk van de verhouding tussen gemuteerd en normaal mtDNA. Het syndroom van Leigh treedt ook op bij andere mutaties in dezelfde subeenheid,11 maar bovendien bij andere deficiënties in de mitochondriale energievoorziening, inclusief een met het MERRF-syndroom samenhangende tRNA-mutatie.

Beschouwing

Het is opvallend hoe in enkele jaren de hypothese dat ziekten door mutaties in mtDNA zouden worden veroorzaakt, heeft geleid tot onderkenning van een groep van uiteenlopende en tot dan toe onbegrepen ziektebeelden. Bij deze aandoeningen rijzen intrigerende problemen, bijvoorbeeld ten aanzien van de relatie tussen de mutatie en de klinische expressie. Waarom leidt een deletie van het mtDNA tot zulke verschillende ziekten als het Kearns-Sayre-syndroom en het Pearson-syndroom? Waarom leidt een mutatie in complex I van de ademhalingsketen tot blindheid bij patiënten met Leber-opticusatrofie en tot spierzwakte met melkzuuracidose bij andere patiënten?

Het is aannemelijk dat de grote verscheidenheid in klinische presentatie bij mutaties in het mtDNA voor een deel bepaald wordt door de heteroplasmie, dat wil zeggen door de verhouding tussen gemuteerd en normaal mtDNA. De heteroplasmie kan van patiënt tot patiënt sterk verschillen, ook binnen een familie. De expressie kan ook variëren door verschillen in de verdeling van gemuteerd en normaal mtDNA over de verschillende weefsels. Nader onderzoek moet leren welke andere factoren van belang zijn voor de diverse fenotypen. Omgekeerd is nog onduidelijk of het mtDNA-genotype van belang is voor meer frequent voorkomende vormen van bijvoorbeeld cardiomyopathie of diabetes.

In dit verband is van belang dat mutaties in mtDNA door verscheidene onderzoekers in verband worden gebracht met verouderingsverschijnselen. Bij het ouder worden treedt in diverse weefsels een geleidelijke stijging van de hoeveelheid gemuteerd mtDNA op. Op zich lijken deze accumulaties geen bedreiging voor de mitochondriale ATP-synthese, maar wellicht zijn ze dat wel in combinatie met andere predisponerende factoren. Bij patiënten met neurodegeneratieve aandoeningen zoals de ziekte van Alzheimer en de ziekte van Parkinson worden bepaalde mtDNA-genotypen vaker aangetroffen dan in de totale populatie; er is bijvoorbeeld een variant op positie 4336 van het mtDNA die bij 5,2 van deze patiënten en bij 0,7 van de controlepersonen voorkomt. Ook een dergelijke variant kan een medebepalende factor voor ziekte zijn.12

Het geven van erfelijkheidsadviezen bij ziekten die veroorzaakt worden door mutaties in het mtDNA is dan ook niet eenvoudig. Bij ziekten die veroorzaakt worden door maternaal erfelijke puntmutaties in het mtDNA kan de herhalingskans theoretisch oplopen tot 100. Mannen kunnen deze ziekten niet overdragen op hun nageslacht. In het geval van de sporadisch voorkomende deleties in het mtDNA lijkt er in de regel geen kans op herhaling te zijn. In enkele families wordt evenwel een autosomaal dominante overerving van deleties gevonden, waarbij aannemelijk is dat het erfelijk defect een factor betreft, die nodig is voor het maken of in stand houden van mtDNA-moleculen.

De resultaten van de behandeling van patiënten met ziekten veroorzaakt door een falende ademhalingsketen zijn vaak teleurstellend. Of een toegenomen kennis over de rol van mtDNA bij deze ziekten hierin snel verandering zal brengen, is de vraag. In ieder geval zal het onderzoek naar de rol van mtDNA bij ziekten bij de mens op korte termijn leiden tot zowel een verbetering van de diagnostische mogelijkheden als tot een toegenomen inzicht in de pathogenese van enkele zeer uiteenlopende ziektebeelden.

Wij danken prof.dr.P.G.Barth, kinderarts, afdeling Kinderneurologie, Academisch Medisch Centrum (AMC), prof.dr.E.M. Bleeker-Wagemakers, klinisch geneticus, Interuniversitair Oogheelkundig Instituut, en dr.R.J.A.Wanders, biochemicus, laboratorium Kindergeneeskunde, AMC, voor hun commentaar.