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Mitochondrial Diseases

Pathogenic mutations of mitochondrial DNA are associated with a bewildering variety of multisystemic human diseases (see also Mitomap ). In a recent epidemiological study, 12.48 per 100 000 individuals in the adult and child population either had mtDNA disease or were at risk of developing mtDNA disease. Thus, pathogenic mtDNA mutations are a common cause of chronic morbidity.

Nevertheless, known mutations of mtDNA only account for approximately 40% of adult mitochondrial cases. This figure is substantially smaller for mitochondrial disorders of babies and children, in which known mtDNA mutations are found in less than 10% of cases. A number of recent clinical and molecular observations indicate that many neurological syndromes, especially in infants and children, are caused by abnormalities in oxidative phosphorylation (OXPHOS)-related nuclear genes.

Our projects include:

Genotype and phenotype investigations in mitochondrial diseases

Zeviani M, Klopstock T. Mitochondrial disorders. Curr Opin Neurol. 2001;14:553-560.
Jaksch M, Kleinle S, Horvath R, Klopstock T, Obermaier-Kusser B, Pongratz D, Müller-Höcker J, Liechti-Gallati S, Gerbitz K-D. Frequency of Mitochondrial tRNA mutations and deletions in 225 patients presenting with respiratory chain deficiencies. J Med Genet 2001;38:665-673. Pubmed

Horvath R, Abicht A, Laner A, Holinski-Feder E, Prokisch H, Lochmüller H, Klopstock T, Jaksch M. Leigh syndrome caused by mutations in the flavoprotein (Fp) subunit of succinate dehydrogenase (SDHA). J Neurol Neurosurg Psychiatry 2006;77:74-76. Pubmed

Horvath R, Hudson G, Ferrari G, Futterer N, Ahola S, Lamantea E, Prokisch H, Lochmuller H, McFarland R, Ramesh V, Klopstock T, Freisinger P, Salvi F, Mayr JA, Santer R, Tesarova M, Zeman J, Udd B, Taylor RW, Turnbull D, Suomalainen A, Zeviani M, Chinnery PF. Phenotypic spectrum associated with mutations of the mitochondrial polymerase γ gene.  Brain 2006;129:1674-84. Pubmed

Generation of animal models for mitochondrial disorders

TIM23 knockout mouse, manuscript in preparation

Elucidation of the role of mitochondrial dysfunction in neurodegeneration and aging

Hörtnagel K, Nardocci N, Zorzi G, Garavaglia B, Botz E, Meitinger T, Klopstock T. Infantile neuroaxonal dystrophy and pantothenate kinase-associated neurodegeneration: Locus heterogeneity. Neurology 2004;63:922-924. Pubmed

Wang Q, Ito M, Adams K, Li BUK, Klopstock T, Maslim A, Higashimoto T, Herzog J, Boles RG. Mitochondrial DNA control region sequence variation in migraine headache and cyclic vomiting syndrome. Am J Med Genet 2004;131:50-58. Pubmed

Klopstock T, Elstner M, Lücking CB, Müller-Myhsok B, Gasser T, Botz E, Lichtner P, Hörtnagel K. Mutations in the pantothenate kinase gene PANK2 are not associated with Parkinson disease. Neurosci Lett 2005;379:195-198. Pubmed

Hartig MB, Hortnagel K, Garavaglia B, Zorzi G, Kmiec T, Klopstock T, Rostasy K, Svetel M, Kostic VS, Schuelke M, Botz E, Weindl A, Novakovic I, Nardocci N, Prokisch H, Meitinger T. Genotypic and phenotypic spectrum of PANK2 mutations in patients with neurodegeneration with brain iron accumulation. Ann Neurol 2006;59:248-256. Pubmed

Die mitochondriale DNA (mtDNA) kodiert für 13 Untereinheiten der Atmungsketten-Komplexe in den Mitochondrien, der wichtigsten zellulären Energiequelle. Sie ist aufgrund ihrer strategischen Lokalisation und ihres strukturellen Aufbaus besonders exponiert gegenüber oxidativer Schädigung. Sowohl biochemisch, molekularbiologisch, immunhistochemisch als auch in der Zellkultur konnte überzeugend gezeigt werden, dass eine Funktionsstörung der mitochondrialen Atmungskette eine wichtige Rolle in der Pathophysiologie neurodegenerativer Erkrankungen spielt.

In der Substantia nigra und in Thrombozyten von Parkinsonpatienten wurde z.B. eine verminderte Aktivität des Komplex I der Atmungskette nachgewiesen. Im Tierversuch führte die Gabe von Komplex-I-Inhibitoren (MPTP, Rotenon) zudem zur Ausprägung klinischer und neuropathologischer Merkmale des M. Parkinson (PD). Bei Patienten mit Alzheimer-Erkrankung fand sich im Hippocampus ein erhöhter Anteil von Zellen mit histochemischem Aktivitätsverlust der Cytochrom c-Oxidase (COX, Komplex IV), einem Schlüsselenzym der mitochondrialen Atmungskette.

Schon seit mehr als 10 Jahren wird untersucht, ob Deletionen der mtDNA eine Rolle in der Pathogenese des PD spielen könnten. Diese Untersuchungen konzentrierten sich auf die Quantifizierung der 4977 bp langen mitochondrialen „common deletion“ (CD) aus Homogenaten der SN und des Striatums. Dabei handelt es sich um eine Mutation, die altersabhängig in unterschiedlichen Geweben, u.a. dem Gehirn, akkumuliert. Die Ergebnisse dieser Studien waren nicht einheitlich und konnten die Frage nach einer altersunabhängigen Assoziation der CD mit dem PD nicht eindeutig klären. Einige Gruppen fanden keine signifikanten Unterschiede zwischen PD-Patienten und gleichaltrigen Kontrollen in der SN. Die japanische Arbeitsgruppe um Ikebe und Ozawa konnte hingegen im Striatum leicht erhöhte Deletionsanteile von bis zu 5% versus 0,3% bei Kontrollen messen. In einer aktuellen Untersuchung konnte mittels „long-extension“ PCR (Lx-PCR) gezeigt werden, dass die SN von PD-Patienten mehr unterschiedliche mitochondriale Deletionstypen enthält als die von Kontrollen.

Sowohl für die Rolle von mtDNA-Deletionen beim Altern als auch beim PD gibt es zudem eine kontroverse Diskussion, ob die gemessenen Deletionsanteile hoch genug sind, um eine biologische Relevanz haben zu können. Die meisten Autoren gehen davon aus, dass eine Deletionsbelastung von ca. 5% (und folglich 95 % intakter mtDNA) zu keiner mitochondrialen Funktionsstörung führen sollte.
Die bisherigen Untersuchungen zur Deletionsquantifizierung waren allerdings methodisch nicht geeignet, um die tatsächliche Deletionsbelastung und damit den Funktionsstatus der beim PD entscheidenden dopaminergen SNpc-Neurone zu beurteilen: Sie beschränkten sich meistens auf die Messung nur eines Deletionstyps aus Gewebshomogenaten und ließen damit unberücksichtigt, dass es hunderte verschiedener mtDNA-Deletionen auch in der SN gibt18 und dass nur eine Untersuchung auf Einzelzellebene der komplexen zerebralen Zytoarchitektur gerecht werden kann. Bei der Untersuchung von Homogenaten kommt es unweigerlich zu „Verwässerungseffekten“, so dass die Deletionshäufigkeit falsch zu niedrig bewertet wird.
Tatsächlich weisen neueste Befunde auf eine bedeutsamere Rolle von Mutationen und Deletionen der mtDNA bei neurodegenerativen Erkrankungen hin als bisher angenommen. Patienten mit Mutationen im Gen der mitochondrialen Polymerase (essenziell für die korrekte mtDNA-Replikation) akkumulierten nicht nur multiple Deletionen, sondern wiesen auch gehäuft ein Parkinson-Syndrom auf.

Unsere Arbeitsgruppe konnte vor kurzem durch die Kombination von Lasermikrodissektion (LMD) und Einzelzell-Realtime-PCR zeigen, dass es durch den normalen Alterungsprozess und noch verstärkt bei PD zu einer enormen Anhäufung von mtDNA-Deletionen in einzelnen Neuronen der Substantia nigra von bis zu 60% der Gesamt-mtDNA kommt. In diesem Zusammenhang konnten wir auch nachweisen, dass Patienten mit PD vermehrt COX-negative Neurone aufweisen, deren Energieversorgung somit stark beeinträchtigt ist. Die Ursache für die Akkumulation von mtDNA-Deletionen ist bisher nicht ausreichend untersucht. Einige Daten weisen jedoch darauf hin, dass verstärkter oxidativer Stress durch freie Radikale dabei ein wichtiger pathophysiologischer Faktor ist.

Bender A, Krishnan KJ, Morris CM, Taylor GA, Reeve AK, Perry RH, Jaros E, Hersheson JS, Betts J, Klopstock T, Taylor RW, Turnbull DM. High levels of mitochondrial DNA deletions in substantia nigra neurons in aging and Parkinson disease. Nature Genetics 2006;38:515-517. Pubmed

Therapeutic approaches to mitochondrial disease

Klopstock T, Querner V, Schmidt F, Gekeler F, Walter M, Hartard M, Hennig M, Gasser T, Pongratz D, Straube A, Dieterich M, Müller-Felber W. A placebo-controlled cross-over trial of creatine in mitochondrial diseases. Neurology 2000, 55:1748-1751. Pubmed

Bender A, Auer D, Merl T, Reilmann R, Saemann P, Yassouridis A, Bender J, Weindl A, Dose M, Gasser T, Klopstock T. Creatine supplementation lowers brain glutamate levels in Huntington´s disease. J Neurol 2005;252:36-41. Pubmed

Bender A, Koch W, Elstner M, Schombacher Y, Bender J, Moeschl M, Gekeler F, Müller-Myhsok B, Gasser T, Tatsch K, Klopstock T. Creatine supplementation in Parkinson disease: a placebo-controlled randomized pilot trial. Neurology, in press

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