Riarrangiamenti del mtDNA

Si può trattare di delezioni parziali del mtDNA o, più raramente, di duplicazioni parziali. Entrambi i tipi di mutazione sono eteroplasmici, dato che coesistono sempre con una quota di mtDNA normale. Queste alterazioni grossolane del mtDNA sono quasi invariabilmente associate con tre principali presentazioni cliniche: la sindrome di Kearns-Sayre, l’Oftalmoplegia Esterna Progressiva, e la sindrome di Pearson.

La s. di Kearns-Sayre (KSS) è una grave malattia ad insorgenza sporadica caratterizzata dalla triade: 1) Oftalmoplegia Esterna Progressiva (PEO) con ptosi (abbassamento) palpebrale bilaterale; 2) Retinopatia Pigmentaria; 3) insorgenza prima dei 20 anni. Segni aggiuntivi frequenti sono l’incoordinazione motoria (atassia) di origine cerebellare, il deterioramento mentale, la sordità, e alterazioni del ritmo cardiaco. Vi è spesso ritardo della crescita.

La Oftalmoplegia Esterna Progressiva (PEO) è anch’essa sporadica e caratterizzata dall’insorgenza in età adulta di ptosi bilaterale e paralisi dei movimenti oculari, spesso associate a debolezza dei muscoli delle spalle e del bacino di grado variabile.

La sindrome di Pearson è una rara malattia sporadica della primissima infanzia caratterizzata da anemia sideroblastica, pancitopenia ed insufficienza del pancreas esocrino con malassorbimento intestinale. Nei bambini che sopravvivono oltre i primi anni si assiste ad un progressivo miglioramento della situazione ematologica e gastrointestinale, mentre insorgono i segni caratteristici della sindrome di Kearns-Sayre.

Mutazioni puntiformi del mtDNA.

Si tratta di quadri clinici associati a sostituzioni di singole basi o a micro-inserzioni/micro-delezioni, nella molecola del mtDNA. Queste mutazioni possono interessare sequenze codificanti RNA transfer (tRNA), RNA ribosomali (rRNA), o RNA messaggeri di proteine mitocondriali (mRNA). A differenza dei riarrangiamenti, che sono per lo più sporadici, quasi tutte le mutazioni puntiformi vengono trasmesse per via matrilineare. Spesso, ma non sempre, queste mutazioni sono eteroplasmiche. Sebbene, ad oggi, più di 100 mutazioni puntiformi siano state descritte in associazione con uno spettro estremamente eterogeneo di presentazioni cliniche, le mutazioni di gran lunga più frequenti sono solo quattro, e sono associate a sindromi cliniche piuttosto ben definite.

La neuropatia ottica ereditaria di Leber (Leber’s Hereditary Optic Neuropathy, LHON (OMIM535000), ad esordio in età giovanile e netta prevalenza nel sesso maschile, è caratterizzata dalla perdita acuta o subacuta della visione centrale con esito in atrofia ottica. Il deficit visivo, che a parte rari casi è permanente, costituisce in genere l'unica manifestazione della malattia che però raramente comprende anche alterazioni del ritmo cardiaco (sindrome di pre-eccitazione ventricolare). La biopsia muscolare non evidenzia la presenza di fibre ragged-red, ed in effetti la biopsia non è in questo caso necessaria per la diagnosi. La malattia è stata associata a mutazioni nelle posizioni nucleotidiche 3460, 11778 e 14484, che interessano rispettivamente le subunità ND1, ND4 e ND6 del complesso I della catena respiratoria. Altre mutazioni, sempre in geni del complesso I, sono state recentemente identificate. Molti aspetti della sindrome LHON rimangono da chiarire, quali l’estrema specificità tissutale delle lesioni cliniche, la prevalenza nel sesso maschile, e le conseguenze biochimiche di ciascuna mutazione.

La sindrome caratterizzata da neuropatia, atassia e retinite pigmentosa (Neurogenic muscle weakness, ataxia, retinitis pigmentosa, NARP) (OMIM551500) può comprendere, oltre ai suddetti segni, la epilessia e, talora, il decadimento mentale. La malattia ha in genere il suo esordio in età adulta. Anche in questo caso, la biopsia muscolare non mostra la presenza delle tipiche fibre ragged red. La malattia è stata associata alla mutazioneT8993G, nella sequenza codificante la subunità 6 dell'ATPasi mitocondriale (complesso V della catena respiratoria). Nella stessa posizione è inoltre descritta una transizione T->C presente in pazienti con fenotipo NARP meno grave. La stessa mutazione T8993G, con un grado di eteroplasmia nettamente più elevato rispetto al fenotipo NARP, è stata anche riscontrata in piccoli pazienti affetti da sindrome di Leigh (v. oltre) senza deficit biochimico di citocromo c ossidasi o piruvico deidrogenasi.

La Encefalomiopatia Mitocondriale con Acidosi Lattica ed episodi “Stroke” (Mitochondrial Encephalomyopathy, Lactic Acidosis and Strokelike episodes, MELAS) (OMIM540000) è definita dalla presenza delle seguenti manifestazioni: 1) episodi di tipo ictale (stroke-like) causati da lesioni cerebrali focali spesso localizzate nelle aree parieto-occipitali; 2) acidosi lattica o comunque livelli anormali di lattato nel sangue (e liquor); 3) fibre “ragged-red” nella biopsia muscolare. Altri segni di coinvolgimento del sistema nervoso centrale comprendono il deterioramento mentale, la cefalea ricorrente con vomito “cerebrale”, epilessia focale o generalizzata, e sordità neurosensoriale. La malattia è trasmessa per via materna e l’esordio è variabile, dalla primissima infanzia all’età giovanile-adulta.

La sindrome MELAS è tipicamente associata alla mutazione A3243G, nel gene codificante il tRNA per la Leucina (codone UUR). Sono state in seguito riportate altre mutazioni puntiformi associate a MELAS, anche se si tratta di casi più rari.

La mioclono epilessia con fibre ragged-red (Myoclonus Epilepsy with Ragged Red Fibers, MERRF) (OMIM545000) è caratterizzata dall'associazione di mioclono, epilessia, debolezza ed ipotrofia muscolare, incoordinazione motoria (atassia), e, talvolta, deterioramento mentale. L'entità delle manifestazioni cliniche può essere estremamente variabile nell'ambito della stessa famiglia. Tale variabilità si ritiene sia in relazione alla quantità di mtDNA mutato rispetto al normale (eteroplasmia) ed alla variabilità nella distribuzione tissutale della mutazione. La maggior parte delle famiglie affette è portatrice della transizione A8344G, nella sequenza del tRNA per la lisina.

Numerose altre mutazioni puntiformi del mtDNA sono state associate a diversi fenotipi clinici in singoli pazienti o in poche famiglie.

Mitocondriopatie dovute a mutazioni in geni nucleari

Oltre il 90% delle proteine mitocondriali sono espressione di geni nucleari. E’ perciò abbastanza sorprendente che, rispetto all’impressionante mole di osservazioni genetico-cliniche che riguardano alterazioni causate da mutazioni del mtDNA, malattie o sindromi causate da mutazioni in geni nucleari associati alla catena respiratoria siano finora relativamente scarse. D’altro canto, un numero crescente di malattie degenerative ereditarie, soprattutto in campo neurologico, si sono rivelate essere dovute a mutazioni in geni codificanti proteine mitocondriali, più o meno direttamente correlate alla OXPHOS.

I prodotti proteici codificati da questi geni possono essere raggruppati in tre categorie.

1. componenti strutturali della catena respiratoria
2. proteine che controllano l’OXPHOS o il metabolismo del mtDNA.
3. proteine indirettamente correlate alla OXPHOS

• eredità mendeliana

Per brevità, accenniamo qui di seguito ad una sola malattia, la Sindrome di Leigh, perchè si tratta della malattia più nota e frequente del gruppo dei disordini “nucleari” dei mitocondri. I bambini affetti presentano, dopo un iniziale sviluppo normale nei primi mesi di vita, un progressivo ritardo dello sviluppo psicomotorio, accompagnato da incoordinazione dei movimenti oculari, vomito ricorrente, epilessia, anomalie del ritmo del respiro, e marcata acidosi lattica. In pratica sono soprattutto colpite le funzioni neurologiche che fanno capo ai sistemi che attraversano o sono localizzati nel tronco cerebrale e nel cervelletto.

Un’alterazione del metabolismo energetico mitocondriale è suggerita dal frequente aumento dei livelli di acido lattico nel siero e nel liquor.

In più della metà dei casi è possibile documentare un’alterazione genetica. In circa il 20% dei casi si tratta di mutazioni del mtDNA, per lo più nel gene dell’ATPasi 6 (mutazione NARP/MILS ma anche più rare mutazioni puntiformi in altre porzioni dello stesso gene). Più raramente si tratta di mutazioni del mtDNA che colpiscono geni codificanti le subunità della COX, o mutazioni in geni tRNA. In ca. il 30% dei casi il deficit biochimico principale è costituito da un difetto importante dell’attività del complesso IV (citocromo c ossidasi) e l’alterazione genetica è in questo caso dovuta, nella maggior parte dei casi, a mutazioni in un gene “assemblatore” del complesso IV, chiamato Surf-1. In altri casi il difetto biochimico è a carico del complesso I o del complesso II della Catena Respiratoria, e mutazioni delle subunità di questi complessi sono state in effetti identificate in alcuni pazienti. Infine, nel restante 10% dei casi di s. di Leigh è stato riscontrato un deficit di Piruvico Deidrogenasi, associato a mutazioni del gene legato al cromosoma X codificante la subunità E-1-alfa dell’enzima.