Implikasi Keabnormalan Mitokondria DNA (mtDNA) Pada Kesihatan

Disediakan oleh : Zam Zureena Mohd Rani dan Fara Zela Mohd Radin

Tarikh :  03 April 2023

INSTITUT BIOLOGI MOLEKUL PERUBATAN UKM

Implikasi Keabnormalan Mitokondria DNA (mtDNA) Pada Kesihatan

 

Mitokondria mempunyai genom tersendiri yang dikenali sebagai mtDNA atau mDNA. Penjujukan genom lengkap mtDNA manusia pertama telah diterbitkan pada tahun 1981 dan disemak semula pada tahun 1999. Mitokondria berperanan menghasilkan tenaga seperti adenosin trifosfat (ATP) yang boleh dijumpai dalam cecair yang mengelilingi nukleus iaitu sitoplasma. Penghasilan ATP ini membolehkan mitokondria menjalankan pelbagai tindak balas kimia dalam penjanaan tenaga kepada sel. Setiap sel di dalam tubuh badan mengandungi ratusan hingga ribuan mitokondria. Lebih 90% ATP dihasilkan di mitokondria melalu proses fosforilasi oksidatif (OXPHOS). Molekul yang terdapat dalam satu unit mitokondria ialah 1-15 mtDNA manakala sel diploid mengandungi 2400-6000 mtDNA. (Bogenhagen., 2012, Anderson et al.,1981, Andrews et al.,1999).

Saiz mtDNA manusia adalah 16,569 bp dan terdiri daripada 2 rantaian iaitu rantaian berat (heavy strand) dan rantaian ringan (light strand). Rantaian berat mtDNA mengkodkan 12 subunit sistem OXPHOS, dua RNA ribosom (12S dan 16S) dan 14 tRNA manakala rantaian ringan pula mengkodkan satu subunit sistem OXPHOS dan lapan tRNA. Secara keseluruhannya, mtDNA mengandungi 37 gen yang mengekodkan dua rRNA, 22 tRNA, dan 13 subunit protein seperti Rajah 1. Kod subunit OXPHOS terdiri daripada 5 kompleks iaitu kompleks I (NADH ubiquinone oxidoreductase), kompleks II (succinate ubiquinone oxidoreductase), kompleks III (ubiquinone-cytochrome c reductase), kompleks IV (cytochrome c oxidase) dan kompleks V (ATP synthase) yang memainkan peranan penting dalam penghasilan tenaga oleh sel (Anderson et al.,1981, Andrews et al.,1999).

Rajah 1 menunjukkan genom mtDNA. Diadaptasi daripada Picard, Wallace & Burelle (2016).

Penyakit mitokondria merupakan penyakit jarang jumpa (rare disease) dengan prevalens sebanyak 1:1,000,000. Walau bagaimanapun, kajian epidemiologi melaporkan sekurang-kurangnya 1 dalam 5000 individu menghidap penyakit mitokondria. Penyakit mitokondria boleh berlaku pada semua peringkat umur iaitu sebanyak 75% dalam kalangan orang dewasa dan 25% dalam kalangan kanak-kanak dengan ciri heterogeniti klinikal yang luas. Penyakit mitokondria disebabkan oleh keabnormalan atau mutasi yang berlaku di dalam mtDNA atau nuklear DNA yang menjejaskan komponen dan fungsi mitokondria. Mutasi pada mtDNA boleh diwarisi secara pewarisan autosomal dominan, autosomal resesif atau perwarisan berkaitan dengan kromosom X. mtDNA diwariskan dari satu generasi kepada generasi seterusnya melalui pewarisan keturunan ibu. Sehingga kini, terdapat lebih daripada 100 penyakit mitokondria yang dikenalpasti (Alston et al., 2017).

Implikasi mutasi mtDNA ini boleh menjejaskan proses transkripsi, terjemahan (translation) serta menggangu fungsi kompleks enzim, biokimia, dan fenotip selular pada tahap yang berbeza-beza. Genom mtDNA boleh wujud sama ada dalam bentuk homoplasmi (semua genom mempunyai genotip mtDNA yang sama) atau heteroplasmi (gabungan genom dengan genotip mtDNA yang berbeza). Keadaan ini boleh menyebabkan pelbagai penyakit atau fenotip normal yang dikenali sebagai kesan ambang fenotip. Keabnormalan mtDNA juga boleh berlaku sewaktu proses penghasilan tenaga melalui OXPHOS disebabkan kebocoran elektron daripada kompleks I dan III dalam rantaian pengangkutan elektron (ETC) yang mengakibatkan berlakunya reactive oxygen species (ROS) dan tekanan oksidatif (Oxidative stress). Tekanan oksidatif yang tidak terkawal boleh mengganggu fungsi mitokondria dan sel yang menyebabkan berlakunya pelbagai penyakit (Castellanos & Lanning, 2019). Selain itu, pembebasan ROS boleh berlaku melalui sitokrom C pada mitokondria yang berperanan dalam pengawalan aturan pengaktifan caspase dan kematian sel akibat hipoksia bagi mengaktifkan tindak balas transkrip (Rossmann et al., 2021).

Penyakit mitokondria dikelaskan kepada dua kategori iaitu penyakit mitokondria primer (PMP) dan penyakit mitokondria sekunder (PMS). PMP ialah penyakit yang diwarisi secara genetik dan didiagnosis melalui pengenalpastian mutasi yang berlaku pada mtDNA atau nuklear DNA yang menyebabkan fungsi mitokondria terganggu. Hal ini kerana komponen mitokondria saling bergantung antara mtDNA dan nDNA. Kira-kira 90% daripada protein mitokondria dikod oleh nuklear DNA yang merangkumi sebahagian besar sistem OXPHOS. Selain itu, proses replikasi, transkripsi, dan terjemahan mtDNA juga bergantung kepada protein yang dikod pada nuklear. Antara penyakit yang dikategori sebagai PMD ialah mitochondrial encephalomyopathy, lactic acidosis and stroke-like episodes (MELAS), neuropathy, ataxia and retinitis pigmentosa (NARP), Leigh syndrome, myoclonic epilepsy with ragged-red fibers (MERRF), Leber hereditary optic neuropathy (LHON), Kern-Sayre syndrome (KSS), mitochondrial neurogastrointestinal encephalopathy (MNGIE) dan Alpers (Siti Aishah et al., 2020).

PMS ialah penyakit mitokondria kompleks yang disebabkan oleh faktor genetik dan juga persekitaran. Dari segi genetik, PMS berlaku apabila gen lain yang tiada kaitan dengan komponen OXPHOS mengalami mutasi yang menyebabkan fungsi mitokondria terganggu. Dari segi persekitaran, PMS terjadi disebabkan oleh tekanan oksidatif, penuaan, pengambilan ubat-ubatan dan keradangan yang menyebabkan fungsi mitokondria berubah terutama fungsi penghasilan ATP dan bukan ATP pada organel. Secara normal, mitokondria mempunyai bentuk yang dinamik tetapi disebabkan oleh tekanan oksidatif ini menyebabkan mitokondria berbentuk pecah-pecah. Antara penyakit yang dikategorikan sebagai PMS ialah penyakit yang disebabkan oleh pelbagai faktor seperti diabetes, kanser, sakit buah pinggang dan penyakit neurodegeneratif. Walaubagaimanapun, agak sukar sebenarnya untuk membezakan antara PMP dan PMS disebabkan terdapat pesakit mempunyai fenotip atau gejala yang sama atau pesakit tidak mempunyai kriteria penyakit mitokondria. Sehingga kini tiada garis panduan yang boleh dirujuk untuk mendiagnosis penyakit mitokondria (Siti Aishah et al., 2020).

Rajah 2 menunjukkan penyakit yang berkaitan dengan mutasi mtDNA dan gen yang terlibat. Diadaptasi daripada Schon EA & Manfredi G (2003).

Penyakit mitokondria boleh memberi kesan kepada organ dan tisu pesakit. Sesetengah pesakit akan mengalami penyakit yang spesifik kepada organ seperti pure-miopati. Penyakit ini menunjukkan ciri-ciri fenotip yang teruk seperti encephalomyopathy onset dan boleh menyebabkan kematian lebih awal jika tiada rawatan yang diberikan (Thompson et al. 2020). Kajian yang dilakukan ke atas pesakit yang mempunyai fenotip miopati menunjukkan mutasi pada gen MTND2 dan hasil kajian ke atas otot quadriceps menunjukkan kehadiran fiber Cyclooxygenase (COX) yang menyebabkan mitokondria membesar dan berproliferasi (Zanolinin et al., 2017). Penyakit neurogeneratif juga dikaitkan dengan ketidakfungsian mitokondria yang disebabkan oleh tekanan oksidatif yang memberi kesan pada organ dan tisu. Hal ini kerana, semasa tekanan oksidatif berlaku spesies oksigen reaktif yang dihasilkan menyebabkan tisu pada otak mengalami gangguan metabolisme dopamine dan radang neuron (Kausar et al., 2018).

Penyakit mitokondria adalah kompleks dan heterogenik secara klinikal yang menjadikan diagnosis awal agak sukar untuk dilakukan. Oleh itu, di dalam era multi-omik seperti genomik, transkriptomik, proteomik, metabolomik dan fungsi genomik terdapat peluang yang lebih tinggi bagi membantu pengesanan awal penyakit mitokondria dan pengenalpastian punca penyakit akibat ketidakfungsian mitokondria (Stenton & Prokisch, 2020). Pengenalpastian awal penyakit mitokondria sangat penting kerana rawatan awal akan menghasilkan prognosis yang lebih baik. Beberapa penyelidikan dalam bidang omik telah menghasilkan pelbagai penemuan novel mutasi mtDNA yang berkaitan dengan penyakit mitokondria. Penyelidikan dalam bidang genomik telah berjaya melakukan penjujukan genom mtDNA dengan menggunakan teknologi Whole genome Sequencing (WGS) dan Whole Exome Sequencing (WES). Data dari WES dan WGS dianalisis dengan menggunakan pangkalan data yang menyediakan hubungkait mutasi dan fenotip yang komprehensif supaya mutasi novel penyakit mitokondria dapat dikenalpasti. Selain itu, teknik penjujukan RNA boleh digunakan sekiranya penjujukan WES dan WGS tidak dapat mengesan mutasi mtDNA pada pesakit (Siti Aishah et al., 2020).

Bagi meningkatkan pengesanan diagnostik penyakit mitokondria, pemprofilan proteomik juga boleh dilakukan bagi melengkapkan penjujukan WES yang telah dikenalpasti. Fungsi genomik ialah bidang penyelidikan yang menggunakan pelbagai data molekul untuk mentafsir atau memahami kesan varian penjujukan DNA pada proses biologi kompleks di dalam sel. Oleh kerana, kajian yang terhad dalam bidang metabolomik hubungkait diagnosis penyakit mitokondria dan metabolomik tidak dapat dikenalpasti. Pada masa kini, terdapat beberapa syarikat yang melakukan ujian genetik antaranya ialah Centogene adalah salah satu syarikat penyakit jarang jumpa yang menawarkan ujian untuk 6,500 gen yang menggunakan platform analisis yang sangat inovatif berdasarkan genomik, proteomik dan metabolomik (https://www.centogene.com). GeneDX menawarkan perkhidmatan untuk pengenalpastian 20,000 gen dan ujian kelainan kromosom (https://www.genedx.com). Family Tree DNA menyediakan perkhidmatan untuk penyakit mitokondria (http://www.familytreedna.com) (Siti Aishah et al., 2020).

Penyakit mitokondria diketahui sukar didiagnosis disebabkan kerumitan dari segi klinikal, biokimia dan genetik. Diharap dengan perkembangan teknologi canggih masa kini dapat meningkatkan pemahaman tentang manifestasi, diagnosis, prognosis, pengurusan dan pencegahan gangguan mitokondria dan menentukan mutasi genetik mtDNA. Beberapa gen mitokondria penting telah dikenal pasti pada penyakit mitokondria yang tertentu seperti Rajah 2. Walaubagaimanapun, masih belum ada ubat yang dibangunkan khusus untuk menyasarkan penyakit mitokondria. Oleh itu, penyembuhan yang lebih berdaya maju harus dinilai melalui strategi perubatan yang lebih tepat yang menyasarkan pada variasi genetik individu. Sekaligus, membangunkan pendekatan terapeutik baharu dan peningkatan bilangan ujian klinikal, biokimia dan genetik supaya perawatan penyakit mitokondria lebih baik di masa akan datang.

 

RUJUKAN

  1. Bogenhagen, D. F. (2012). Mitochondrial DNA nucleoid structure. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Gene Regulatory Mechanisms 1819(9): 914-920.
  2. Anderson S, Bankier AT, Barrell BG, de Bruijn MHL, Coulson AR, et al. Sequence and organization of the human mitochondrial genome. Nature 1981; 290:457-65.
  3. Andrews RM, Kubacka I, Chinnery PF, Lightowlers RN, Turnbull DM, et al. Reanalysis and revision of the Cambridge reference sequence for human mitochondrial DNA. Nat Genet 1999; 23:147.
  4. Picard M, Wallace DC, Burelle Y. 2016. Mitochondrion The rise of mitochondria in medicine. MITOCH 30:105-116
  5. Alston, C. L., et al. (2017). The genetics and pathology of mitochondrial disease.J Pathol 241(2): 236-250.
  6. Castellanos E, Lanning Phosphorylation of OXPHOS machinery subunits: functional implications in cell biology and disease. Yale J Biol Med 2019; 92:523-31
  7. Rossmann, M. P., et al. (2021). Mitochondrial function in development and disease. Dis Model Mech 14(6).
  8. Siti Aishah Sulaiman, Zam Zureena Mohd Rani, Fara Zela Mohd Radin, Nor Azian Abdul Murad et al. Advancement in the diagnosis of mitochondrial diseases. J Transl Genet Genom 2020; 4:159-87 DOI: 10.20517/jtgg.2020.27.
  9. Schon EA, Manfredi G. Neuronal degeneration and mitochondrial dysfunction. J Clin Invest 2003; 111:303-12
  10. Thompson, K., et al. (2020). Recent advances in understanding the molecular genetic basis of mitochondrial disease.J Inherit Metab Dis 43(1): 36-50.
  11. Zanolini, A., et al. (2017). Pure myopathy with enlarged mitochondria associated to a new mutation in MTND2 gene. Mol Genet Metab Rep 10: 24-27.
  12. Kausar S, Wang F, Cui H. The Role of Mitochondria in Reactive Oxygen Species Generation and Its Implications for Neurodegenerative Diseases. Cells. 2018 Dec 17;7(12):274. doi: 10.3390/cells7120274. PMID: 30563029; PMCID: PMC6316843.
  13. Stenton, S. L. and H. Prokisch (2020). Genetics of mitochondrial diseases: Identifying mutations to help diagnosis. EBioMedicine 56: 102784.