eRapport

Mitochondrial disease: generating models, investigating mechanisms and exploring treatments.

Prosjekt
Prosjektnummer
911391
Ansvarlig person
Laurence Bindoff
Institusjon
Universitetet i Bergen
Prosjektkategori
Forskningsprosjekt
Helsekategori
Neurological
Forskningsaktivitet
2. Aetiology
Rapporter
2010 - sluttrapport
Hovedmålene for prosjektet var å generere 2 modeller for å bedre kunne studere mitokondriesykdommer. Vi etablerte en transgen musemodell med mutasjon (c.1399G>A; p.A467T) i POLG1 genet, og en cellekultur modell som inneholder en mitokondrie DNA (mtDNA) mutasjon (m.13271T>C) som vi tidligere påvist gir muskelsykdom. Transgen musemodell ble bygget sammen med Norsk Transgen Senter. Vi fikk musene på slutten av 2009 og har siden avlet disse og fått mutasjonen overført til en annen musestamme. Planen er å bruke musemodellen for å studere hvordan A467T mutasjonen fører til cellulære forandringer og bruker musene til å studere forskjellige typer behandling. Siden det er ikke mulig å transfektere mtDNA inn i mitokondrie, cellekultur er eneste mulighet for å studere mitokondrie DNA mutasjoner. Den 13271T>C er heteroplasmisk (både muterte og normale mtDNA tilstedet samtidig), og mengde muterte mtDNA høyst i muskel. Cellekultur modell ble derfor basert på myoblaster (pasienten tok ny muskelbiopsi). Mutasjonsmengde initialt var rundt 5 % (fra >70 % i muskelbiopsien) slik at vi måtte sub-klone cellene. Etter flere måneder, fikk vi 17 kloner, og mutasjonsanalyse viste at mutasjonen hadde fordelt seg 100 % dvs. vi fant celler med 100 % normal mtDNA og en klone med 100 % mutant mtDNA. Begge prosjektene ble delvis vellykkete, men tok lengre tid enn forventet slik at vi kom ikke lengre en etablering av modellsystemer. Videre studier planlegges. Foreløpig har prosjektet ikke ført til noen konkrete konsekvenser for helsevesenet.
2009
Mitokondrier produserer energi for cellen. Svikt i mitokondrienes energiproduksjon vil ha alvorlige konsekvenser og forårsaker sykdom som ofte rammer hjerne og muskel. Mål for forskningen blir å generere modellsystemer som vil kunne brukes til å studere sykdomsmekanismer og prøve ut behandling for to typer mitokondriesykdom.Mitokondriesykdom er et felles navn for en stor og heterogen sykdomsgruppe som rammer mennesker i alle aldersgrupper. Mitokondrier er kroppens ”kraftverk” og omdanner energi som finnes i maten til en form for energi (ATP) som kroppens celler kan bruke. Mitokondriesykdom rammer alle vevstyper, men særlig de som avhenger mest av store mengder energi f. eks. muskel og hjerne. I tillegg til den livsviktige energiomdanningsfunksjonen, er mitokondriet også genetisk spesielt. Mitokondriet har sitt eget arvestoff som koder for flere proteiner som inngår enzymkjeden som produserer energi, respirasjonskjeden. Mitokondriene, og dermed mitokondrie arvestoffet (mitokondrie DNA; mtDNA), nedarves kun fra moren slik at sykdom som oppstår p.g.a. en mtDNA defekt (mutasjon) kan vise maternal arvegang. Mitokondriesykdommer er hyppige. Studier gjort i Sverige, England og Australia viser en minste forekomst på 5/100.000 for barn og 12/100000 for voksne, og dette kun for kjente mutasjoner i mtDNA. Studier vi har gjort her i Bergen viser enda høyere tall for en annen type mitokondriesykdom forårsaket av genfeil i POLG, et gen som ligger i kjernen. Sykdommen innebærer tiltakende ataksi (gangustøhet) og alvorlig epilepsi, ofte med dødelig utgang. Vi er en blandet gruppe med både klinikere og basal forskere. Vi driver hovedsakelig translasjonsforskning som holder pasientene i fokus mens vi samtidig anvender basale teknikker for å belyse sykdomsmekanismer og utarbeide behandlingsmuligheter. I løpet av siste året har vi publisert innen begge felt, dvs. både klinisk- og basalforskningsresultater. Mitokondriegruppen jobber med å etablere modellsystemer som kan brukes til forskning slik at vi unngår å måtte bruke mennesker. Vi har laget en musemodell, der musene bærer tilsvarende mutasjon i sitt POLG gen (såkalt transgen mus) som finnes ved en type mitokondriesykdom som finnes hyppig her i Norge. Musen ble laget ferdig for en måned siden og siden denne sykdom er det vi kaller for recessiv (begge genkopiene må være defekt for å utvikle sykdom) holder vi på med avling for å generere homozygote dyr, disse vil være to syke genkopier og forventes å utvikle en form for sykdom. Disse vil deretter brukes til forskjellige forskningsprosjekter, bl.a. for å finne mer ut om epilepsi og hvorfor pasienter med samme sykdom utvikler leversvikt. Vi vil også prøve ut forskjellige epilepsibehandlinger på dyrene for å finne den beste kombinasjonen. I tillegg til transgen mus-modellen, har vi jobbet mye med flere andre type mitokondriesykdommer. En type rammer jernstoffskiftet i mitokondriene. Grunnet genfeil i et gen som heter ISCU genet, får pasienter med denne feilen belastningsrelaterte pustebesvær og muskel smerter/trøtthet. Vi identifiserte genfeil hos en kvinnelig pasient, og studerte sykdomsmekanismer i hennes egne celler. Nå holder vi på med behandlingsforsøk som er en form for genterapi. Dette utprøves på celler tatt fra pasientens muskel. Vi jobber også med et gen som heter ELAC2, som tidligere ble påpekt som risikogen for prostata kreft. ELAC2 proteinet virker sannsynligvis innen transkripsjon av mitokondrie-DNA, noe som vi kan bekrefte for første gang.
2008
Mitokondrier er hvor vi produserer energi i kroppen. Svikt i mitokondrie funksjon har alvorlig konsekvenser og forårsaker sykdom som oftest rammer hjerne og muskel. Mål for prosjektet blir å generere to modellsystemer - en mus modell og en celle kultur modell - for å studere sykdomsutvikling og behandlings effekt ved to typer mitokondriesykdom.Mitokondriesykdom er et felles navn for en stor gruppe sykdommer som rammer både barn og voksne. Mitokondrier er kroppens ”kraftverk” og bruker maten vi spiser for å produsere energi. I og med at mitokondrier finnes i alle vev kan mitokondriesykdom ramme hvor som helst i kroppen. men noen typer vev er mer avhengige av store mengder energi og disse, f. eks. muskel og hjerne, blir oftere rammet. I tillegg til den livsviktige funksjonen å danne energi, er mitokondrie også genetisk spesielt. Mitokondrie har sitt eget arvestoff som koder for 13 protein som fungerer i den delen av mitokondrien som produserer energi, respirasjonskjeden. Mitokondriene, og dermed mitokondrie arvestoffet (mitokondrie DNA; mtDNA), nedarves kun fra moren slik at sykdom som oppstår p.g.a. en mtDNA defekt (mutasjon) viser vanligvis maternal arvegang. Mitokondriesykdommer er hyppige. Studier gjort i Sverige, England og Australia viser en forekomst på 5/100.000 for barn og 12/100000 for voksne, kun for kjente mutasjoner i mtDNA, og studier vi har gjort her i Bergen viser enda høyere tall. Prosjektet etablerer to modellsystemer, noe som betyr at man kan forske på sykdom uten å kjøre gjentatte undersøkelser på pasienten. En muse modell bygges ved Norsk Transgen Senter, UiO. Her legger man inn i musen et humant gen som forårsaker en alvorlig ataksi + epilepsi tilstand (kalt MSCAE – mitokondrielt spinocerebellar ataksi pluss epilepsi). En celle kultur modell blir etablert fra en pasient med muskelsykdom grunnet mitokondrie avvik. Begge vil gi oss mulighet å forstå bedre hvorfor og hvordan sykdommene utvikler seg, og å prøve ut behandlinger før man gi det samme til pasienten. Vi ble ferdig høst 2008 med å lage gen konstruktet og er begynt med innsprøyting i muse eggceller. Vi forventer de første musene i nærmeste fremtiden. Neste stadium vil være å ale opp dyrene for å se om vi får dyr med gendefekt som gir en fenotype. Deretter vil vi kunne begynne karakterisingsstudier. I tillegg har vi gjennomført et pilotprosjekt hvor vi sammenlignet genekspresjon (med microarray) i muskel fra pasienter med to forskjellige POLG mutasjoner (W748S versus A467T). Endret genekspresjon, særlig av respirasjonskjede gener, men også andre metabolske gener, ble påvist i tillegg til flere ”ukjente” gen. Foreløpig blir det ikke mulig å vite om endringene skyldes forskjellige POLG genotyper eller muskespesifikke endring grunnet sykdomsvarighet. Uansett planlegger vi videre studier for å karakterisere disse nye gener som kan gi viktige opplysninger om hvordan kjernen og mitokondrie samarbeider med hverandre Når det gjelder andre modellsystemet, har det vært problemer med dyrkning av myoblaster (muskelceller) men dette problemet er nå løst. Imidlertid, betyr det forsinkelse med den delen av prosjektet slik at cellene ikke blir etablerte før slutten av 2008, begynnelsen av 2009.
Vitenskapelige artikler
Yu-Wai-Man Patrick, Sitarz Kamil S, Samuels David C, Griffiths Philip G, Reeve Amy K, Bindoff Laurence A, Horvath Rita, Chinnery Patrick F

OPA1 mutations cause cytochrome c oxidase deficiency due to loss of wild-type mtDNA molecules.

Hum Mol Genet 2010 Aug;19(15):3043-52. Epub 2010 mai 18

PMID: 20484224

Tzoulis Charalampos, Neckelmann Gesche, Mørk Sverre J, Engelsen Bernt E, Viscomi Carlo, Moen Gunnar, Ersland Lars, Zeviani Massimo, Bindoff Laurence A

Localized cerebral energy failure in DNA polymerase gamma-associated encephalopathy syndromes.

Brain 2010 May;133(Pt 5):1428-37. Epub 2010 apr 16

PMID: 20400524

Sanaker Petter S, Toompuu Marina, Hogan Vanessa E, He Langping, Tzoulis Charalampos, Chrzanowska-Lightowlers Zofia M A, Taylor Robert W, Bindoff Laurence A

Differences in RNA processing underlie the tissue specific phenotype of ISCU myopathy.

Biochim Biophys Acta 2010 Jun;1802(6):539-44. Epub 2010 mar 4

PMID: 20206689

Yu-Wai-Man P, Griffiths P G, Gorman G S, Lourenco C M, Wright A F, Auer-Grumbach M, Toscano A, Musumeci O, Valentino M L, Caporali L, Lamperti C, Tallaksen C M, Duffey P, Miller J, Whittaker R G, Baker M R, Jackson M J, Clarke M P, Dhillon B, Czermin B, Stewart J D, Hudson G, Reynier P, Bonneau D, Marques W, Lenaers G, McFarland R, Taylor R W, Turnbull D M, Votruba M, Zeviani M, Carelli V, Bindoff L A, Horvath R, Amati-Bonneau P, Chinnery P F

Multi-system neurological disease is common in patients with OPA1 mutations.

Brain 2010 Mar;133(Pt 3):771-86. Epub 2010 feb 15

PMID: 20157015

Sanaker P S, Nakkestad H L, Downham E, Bindoff L A

A novel mutation in the mitochondrial tRNA for tryptophan causing a late-onset mitochondrial encephalomyopathy.

Acta Neurol Scand 2010 Feb;121(2):109-13. Epub 2009 sep 10

PMID: 19744136

Fiskerstrand T, Knappskog P, Majewski J, Wanders R J, Boman H, Bindoff L A

A novel Refsum-like disorder that maps to chromosome 20.

Neurology 2009 Jan;72(1):20-7. Epub 2008 nov 12

PMID: 19005174

Jenkins Zandra A, van Kogelenberg Margriet, Morgan Tim, Jeffs Aaron, Fukuzawa Ryuji, Pearl Esther, Thaller Christina, Hing Anne V, Porteous Mary E, Garcia-Miñaur Sixto, Bohring Axel, Lacombe Didier, Stewart Fiona, Fiskerstrand Torunn, Bindoff Laurence, Berland Siren, Adès Lesley C, Tchan Michel, David Albert, Wilson Louise C, Hennekam Raoul C M, Donnai Dian, Mansour Sahar, Cormier-Daire Valérie, Robertson Stephen P

Germline mutations in WTX cause a sclerosing skeletal dysplasia but do not predispose to tumorigenesis.

Nat Genet 2009 Jan;41(1):95-100. Epub 2008 des 14

PMID: 19079258

Tzoulis Charalampos, Bindoff Laurence A

Serial diffusion imaging in a case of mitochondrial encephalomyopathy, lactic acidosis, and stroke-like episodes.

Stroke 2009 Feb;40(2):e15-7. Epub 2008 des 18

PMID: 19095975

Lu Timothy Tehua, Lao Oscar, Nothnagel Michael, Junge Olaf, Freitag-Wolf Sandra, Caliebe Amke, Balascakova Miroslava, Bertranpetit Jaume, Bindoff Laurence Albert, Comas David, Holmlund Gunilla, Kouvatsi Anastasia, Macek Milan, Mollet Isabelle, Nielsen Finn, Parson Walther, Palo Jukka, Ploski Rafal, Sajantila Antti, Tagliabracci Adriano, Gether Ulrik, Werge Thomas, Rivadeneira Fernando, Hofman Albert, Uitterlinden André Gerardus, Gieger Christian, Wichmann Heinz-Erich, Ruether Andreas, Schreiber Stefan, Becker Christian, Nürnberg Peter, Nelson Matthew Roberts, Kayser Manfred, Krawczak Michael

An evaluation of the genetic-matched pair study design using genome-wide SNP data from the European population.

Eur J Hum Genet 2009 Jul;17(7):967-75. Epub 2009 jan 21

PMID: 19156175

Gramstad Arne, Bindoff Laurence A, Lillebø Atle, Tzoulis Charalampos, Engelsen Bernt A

Neuropsychological performance in patients with POLG1 mutations and the syndrome of mitochondrial spinocerebellar ataxia and epilepsy.

Epilepsy Behav 2009 Sep;16(1):172-4. Epub 2009 jan 28

PMID: 19435586

Tzoulis C, Papingji M, Fiskestrand T, Røste L S, Bindoff L A

Mitochondrial DNA depletion in progressive external ophthalmoplegia caused by POLG1 mutations.

Acta Neurol Scand Suppl 2009.

PMID: 19566497

Engelsen Bernt A, Tzoulis Charalampos, Karlsen Bjørn, Lillebø Atle, Laegreid Liv M, Aasly Jan, Zeviani Massimo, Bindoff Laurence A

POLG1 mutations cause a syndromic epilepsy with occipital lobe predilection.

Brain 2008 Mar;131(Pt 3):818-28. Epub 2008 jan 30

PMID: 18238797

Tzoulis Charalampos, Bindoff Laurence A

Melas associated with mutations in the polg1 gene.

Neurology 2008 Mar;70(13):1054; author reply 1054-5.

PMID: 18362288

Downham Esther, Winterthun Synnøve, Nakkestad Hanne Linda, Hirth Asle, Halvorsen Thomas, Taylor Robert W, Bindoff Laurence A

A novel mitochondrial ND5 (MTND5) gene mutation giving isolated exercise intolerance.

Neuromuscul Disord 2008;18(4):310-4.

PMID: 18396045

Johansen Krisztina K, Bindoff Laurence A, Rydland Jana, Aasly Jan O

Palatal tremor and facial dyskinesia in a patient with POLG1 mutation.

Mov Disord 2008;23(11):1624-6.

PMID: 18581472

Lao Oscar, Lu Timothy T, Nothnagel Michael, Junge Olaf, Freitag-Wolf Sandra, Caliebe Amke, Balascakova Miroslava, Bertranpetit Jaume, Bindoff Laurence A, Comas David, Holmlund Gunilla, Kouvatsi Anastasia, Macek Milan, Mollet Isabelle, Parson Walther, Palo Jukka, Ploski Rafal, Sajantila Antti, Tagliabracci Adriano, Gether Ulrik, Werge Thomas, Rivadeneira Fernando, Hofman Albert, Uitterlinden André G, Gieger Christian, Wichmann Heinz-Erich, Rüther Andreas, Schreiber Stefan, Becker Christian, Nürnberg Peter, Nelson Matthew R, Krawczak Michael, Kayser Manfred

Correlation between genetic and geographic structure in Europe.

Curr Biol 2008 Aug;18(16):1241-8. Epub 2008 aug 7

PMID: 18691889

Vesterhus Mette, Raeder Helge, Aurlien Harald, Gjesdal Clara G, Bredrup Cecilie, Holm Pål I, Molven Anders, Bindoff Laurence, Berstad Arnold, Njølstad Pål R

Neurological features and enzyme therapy in patients with endocrine and exocrine pancreas dysfunction due to CEL mutations.

Diabetes Care 2008 Sep;31(9):1738-40. Epub 2008 jun 10

PMID: 18544793

Tzoulis Charalampos, Denora Paola S, Santorelli Filippo M, Bindoff Laurence A

Hereditary spastic paraplegia caused by the novel mutation 1047insC in the SPG7 gene.

J Neurol 2008 Aug;255(8):1142-4. Epub 2008 jun 23

PMID: 18563470

Doktorgrader
Charalampos Tzoulis

Clinical and molecular studies of disease caused by mutations of the mitochondrial DNA polymerase gamma (POLG)

Disputert:
november 2010
Hovedveileder:
Laurence Bindoff

eRapport er utarbeidet av Sølvi Lerfald og Reidar Thorstensen, Regionalt kompetansesenter for klinisk forskning, Helse Vest RHF, og videreutvikles av de fire RHF-ene i fellesskap, med støtte fra Helse Vest IKT

Alle henvendelser rettes til Faglig rapportering, Helse Vest

Personvern  -  Informasjonskapsler