Mitokondriális öregedés– Anyagcsere és élettartam I.

1. Az orvosi biotechnológiai mesterképzés megfeleltetéseaz Európai Unió új társadalmi kihívásainaka Pécsi Tudományegyetemen és a Debreceni Egyetemen Azonosító szám: TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011

2. Az orvosi biotechnológiai mesterképzés megfeleltetéseaz Európai Unió új társadalmi kihívásainaka Pécsi Tudományegyetemen és a Debreceni Egyetemen Azonosító szám: TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011 Kvell Krisztián A Gerontológia Molekuláris és Klinikai Alapjai – 28. előadás Mitokondriális öregedés–Anyagcsere és élettartam I.

3. mtDNSáltalkódoltgének Anergia Myoclonus P T F Ataxia Myopathy V E Cyt b Cardiomyopathy Respiratory deficiency 12S ND6 Cardiopathy FBSN 16S Chorea LHON ND5 Deafness MELAS L Human mtDNS 16,569 bp L ND1 Diabetes MERRF S H I Dystonia MILS ? M Q ND4 ND2 Encephalopathy NARP MELAS: Mitokondriális agyi és izombántalom, laktátacidosis és stroke-szerű epizódok Induced deafness PEO W ND3 A MERF: Myoclorus epilepszia vörös rostokkal PEO: Progresszív külső szembénulás FBSN: Familiáliskétoldali striatum necrosis LHON: Leberörökleteslátóidegbántalom MILS: Anyaiágonörökletes Leigh szindróma NARP: Neuropátia, ataxia és retinitis pigmentosa LHON: Leberörökleteslátóidegbántalom MELAS: Mitokondriális agyi és izombántalom, laktátacidosis és stroke-szerű epizódok PEO: Progresszív külső szembénulás N R COX III COX I C Y ATPase 8/6 G COX II S D K

4. Mitokondriumok és mtDNS jellemzői • Változatos szám és méret, dinamikus struktúrák (lefűződés, fúzió, szétválás) • Magas metabolikus aktivitás, sejten belüli erőmű, fő ROS forrás és cél • Magon kívüli, kettősláncú, zárt, cirkuláris mtDNS, hossza 16,569 bp • mtDNS által kódolt 37 gén, 2 rRNS, 22 tRNS, 13 légzési lánc polipeptid

5. Mitokondriális DNS replikáció OH Iniciátor faktorok RNS Polimeráz mtTFA mtTFB1 mtTFB2 mtDNS További aktivitások Priming RNázH1/5’-3’ Exonukleáz Ligáz III Polimeráz OL mtSSB Topoizomeráz Twinkle

6. Mitokondriális DNS sérülékenység okai • Kódoló szakaszok gazdaságossága (minimális nem kódoló szakasz, nincs intron) • Nincs hiszton védelem • mtDNSrepair mechanizmusok gyengék • mtDNS mutáció gyakori, 10x mint gDNS

7. Mitokondriálisöregedésokai, következményei • Szuperoxid szivárgás 0.1% a mitokondriumban • SOD és co-enzim Q szint kihat az élethosszra • Cardiolipin szint csökken a korral

8. mtDNSkárosodáséskórházifelvétel 600 16 COXhiány Hospital admission/ 105 population % mtDNSkárosodás 14 Kórházi felvétel 500 12 400 10 300 8 6 200 4 100 2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Kor(évtized)

9. mt eredetű szerv / szövet betegségek Idegrendszer: Rohamok, görcsök, késői fejlődés, süketség, dementia, stroke (gyakran 40 éves kor előtt), látórendszeri problémák, rossz egyensúlyozás, perifériás idegek problémái Szem: Ptosis, külső szembénulás, vakság (retinitispigmentosa, látóideg sorvadása), szürkehályog Vázizomzat: Izomgyengeség, rossz terhelhetőség, görcsök, myoglobulinuria Szív: Szívizombántalom, vezetési blokk Hasnyálmirigy: Diabetes Máj: Májelégtelenség (ritka kivéve csecsemőkben mtDNSdepléció szindróma), hepaticsteatosis Vese: Falconi szindróma, nefrotikusszindróma (ritka kivéve csecsemőkben co-enzim Q10 hiány esetén) Emésztőrendszer: Nehéz nyelés, hányás, teltségérzet, krónikus hasmenés, bélelzáródás tünetei

10. Mitokondriális betegségek osztályozása

11. mtDNS eredetű betegségek • Ugyanazok a polimorfizmusok okoznak mt komplex betegséget és befolyásolják az élettartamot • Nincs tünet míg az mtDNS mutáció > 60% • Előfordulhat a mutáns mtDNS dúsulása • Citokróm c oxidáz (COX) hiány mint marker

12. ROS és fő forrásaik • DenhamHarman elmélete, 1972 • Molekula páratlan elektronnal • Mitokondriális légzési lánc szivárgása (90%) • Dopamin, nor-adrenalin • NOS (nitrit oxid szintáz) • Fehérvérsejtekben légzési burst • Környezeti hatások, redox egyensúly-hiány

13. Antioxidánsok • SOD (CuZnSOD, MnSOD, FeSOD) • Kataláz • Glutathionperoxidáz • C, E vitamin • Karotinoidok • Co-enzyme Q10 • Glutathion (GSH) • Húgysav

14. Mitokondriális oxigéngyök öregedéselmélet (fő öregedés-elméleti kritériumok) • ROS termelődés endogén • Állandó hatás, életkorral haladó változások • mtDNS-t érintő súlyos következmények • Visszafordíthatatlan hatások

15. Mitokondriális ROS termelődés Magi DNS által kódolt elemek Mitokondrium ATP Oxidatív foszforiláció rendszer NADH, FADH2 O2 mtDNS által kódolt elemek Elektron szivárgás Hiányos elektron- transzport lánc SOD mtDNS H2O O2∙ H2O2 Fenton reakció 2 GSH Hiányos mtDNS által kódolt elemek Ördögi kör GPX CAT ∙OH GSSG Lánctörés Bázismódosulás H2O + ½ O2 + 2 H2O Lipidperoxidáció Fehérje oxidáció mtDNS mutáció Belsőmembrán Külső membrán Öregedés és mitokondriális betegségek Energiahiány

16. Mitokondriális ROS termelés • A mitokondriális ROS termelés az öregedés releváns paramétere • Anti-oxidánsok általában elegendőek (CuZnSOD /MnSOD / FeSOD, GSH-peroxidáz) • Légzési lánc I. komplex az öregedési ütem fő forrása és célja • Kalóriamegvonás a légzési lánc I. komplexét is megcélozza

17. mtDNS oxidatív károsodása • mtDNS oxidatív károsodás marker: 8-oxodG • 8-oxodG szint 10x > mtDNS, mint gDNS • 8-oxodG mtDNS károsodás repair nem hatékony • 8-oxodG önmagában is mutagén • A kalóriamegvonás célja a 8-oxodG szint is

18. Mitokondriálisapoptosis külső hatásokra STRESSZ/ÉHEZÉS Fas NMDA/AMPA ASIC Ca2+ Caspase-8 ROS Calpains Bax Bax Bid Bcl-xL Bax P Bcl-2 tBid p53 Bax Bax Bax Mitokondrium P tBid Bax p53 Nucleophosmin Cytc DNS károsodás AIF Sejtmag APOPTÓZIS Cytc Caspase-3 Caspase-9 Apaf-1

19. Lipid peroxidáció • PUFA láncok érzékenyek ROS-ra • PUFA láncok ROS célok és mediátorok • A mt membrán PUFA tartalma összefügg az élettartammal

20. PUFA ellentmondás: AA és DHA • HOMEOVISZKÓZUS ÉLETTARTAM ADAPTÁCIÓ • DBI fordított arányban áll mérettel és MLS-el • Súlyos hatások in vivo (mt, szív, idegrendszer) • SAM-P törzsben fokozott AA és DHA szint • MDA-lizin mint fehérje oxidatív stressz marker

21. Fehérje peroxidáció • MDA-lizin mint fehérje oxidatív stressz marker • Fehérje váz oxidáció • Fehérje keresztkötések kialakulása • Aminosav oldalláncok oxidációja • Fehérje fragmentálódás

22. Repair fehérje peroxidáció után • Direkt: oxidált sulfhidril csoportok redukciója • Indirekt: • Felismerés, eltávolítás, lebontás (proteoszóma, calpain, lizoszóma) • Helyettesítés, felhasználás • Lipofuscin képzése (öregségi pigment, ceroid)

23. Fehérje peroxidáció és betegségek • Oxidált fehérjék fokozott szintje • Alzheimer-kór, ALS, szürkehályog, RA, izomdisztrófia, RDS, progéria, Parkinson-kór, Werner-szindróma • Módosult fehérjék fokozott szintje • Szív- és érrendszeri, Alzheimer-kór, atherosclerosis, Parkinson-kór • Oxidált / glikált fehérjék fokozott szintje • DM, atherosclerosis, Alzheimer-kór, Parkinson-kór • Fehérje nitrotirozin károsodás fokozott szintje • Alzheimer-kór, SM, tüdőbetegség, atherosclerosis