Abstract

Mitochondrial DNA depletion and deletions are related to mutations in the nuclear genes responsible for replication and maintenance of mitochondrial DNA (mtDNA). The POLG1 gene encodes the enzyme responsible for replication of mtDNA. A particular feature of the POLG1 mutations is an increased risk of acute liver failure (ALF) upon exposure to sodium valproate (VPA), but the pathomechanism is not resolved. The present work studies the molecular genetic aetiology and clinical phenotypes associated with mtDNA depletion and deletion. Another objective was an investigation of clinical phenotypes in POLG1 mutations and disentangling the pathomechanism of VPA-induced ALF in POLG1 mutations. Mitochondrial toxicity of VPA was examined using HepG2 cells as an experimental in vitro model. In this work, mtDNA depletion was associated with severe neonatal-onset encephalopathy. Furthermore, mtDNA depletion was found in muscle dystrophy as a secondary finding to muscle degradation. Multiple mitochondrial DNA deletions were found in two patients with Kearns-Sayre syndrome suggesting a genetic origin of the disease. POLG1 p.R722H mutation has been previously reported as a neutral polymorphism, but we found evidence suggesting that POLG1 p.R722H could be a pathogenic mutation in a homozygous or compound heterozygous state. We identified retrospectively five patients, who required liver transplant after VPA-induced ALF. All five patients harboured POLG1 mutations supporting the evidence of POLG1 mutations as a risk factor for VPA-induced ALF. Previously, patients with POLG1 mutations have been considered unsuitable for liver transplantation, but we found that homozygous POLG1 mutations and adolescent or adult-onset disease predicted a good outcome following liver transplantation. In vitro studies on HepG2 cells showed that VPA disturbs mitochondrial respiration. Our results expand the phenotypes and molecular genetic features in mitochondrial DNA depletion and deletion syndromes. We found evidence that POLG1 mutations are not a contraindication for liver transplantation; rather, mutation status and age at onset affect survival. This finding should be taken in consideration in the treatment of VPA-induced ALF. Furthermore, our findings indicate that sodium valproate is toxic to mitochondria and should be avoided in patients with mitochondrial disease.

Tiivistelmä

Mitokondrion DNA:n (mtDNA) kahdentumisesta ja ylläpidosta vastaavien tuman geenien mutaatiot voivat johtaa mtDNA:n määrän vähenemiseen (depleetioon) ja katkoksiin (deleetioihin). MtDNA:n kahdentumisesta vastaavaa entsyymiä koodaa tuman POLG1-geeni. POLG1-mutaatioihin liittyy kohonnut riski sairastua natriumvalproaatin (VPA) aiheuttamaan akuuttiin maksavaurioon. Tutkimuksen tavoitteena oli tutkia mtDNA:n depleetion ja deleetioiden molekyyligeneettistä etiologiaa ja kliinisiä taudinkuvia. Tutkimuksessa selvitettiin myös POLG1-mutaatioihin liittyviä taudinkuvia ja POLG1-mutaatioihin liittyvän akuutin maksavaurion patomekanismia. VPA:n vaikutusta mitokondrioiden toimintaan tutkittiin in vitro HepG2-solumallissa. Tutkimuksessa todettiin mtDNA:n depleetion liittyvän vaikeaan varhain alkavaan aivosairauteen. Depleetio todettiin myös sekundaarisena merosiini-negatiivisessa lihasdystrofiassa. Kahdella Kearns-Sayren syndroomaa sairastavalla potilaalla todettiin multippelit mtDNA:n deleetiot, mikä viittaa syndrooman geneettisen alkuperään. POLG1 p.R722H-mutaatiota on aiemmin pidetty neutraalina polymorfiana, mutta tutkimuksen tulokset viittasivat siihen, että homotsygoottisena tai yhdistelmäheterotsygoottisena mutaatio on tautia aiheuttava. Helsingin yliopistollisen sairaalan elinsiirtorekisteristä tunnistettiin retrospektiivisesti viisi potilasta, jotka olivat saaneet maksansiirteen VPA:n aiheuttaman maksavaurion vuoksi. Kaikilla viidellä potilaalla todettiin POLG1-geenin mutaatio, mikä vahvistaa käsitystä geenin yhteydestä VPA:n aiheuttamaan maksavaurioon. POLG1-mutaatioita on pidetty vasta-aiheena maksansiirrolle, mutta tutkimuksessa todettiin homotsygoottisena esiintyvän POLG1-mutaation ja nuoruusiällä tai varhaisella aikuisiällä alkaneen taudin liittyvän parempaan maksansiirron jälkeiseen ennusteeseen. HepG2-solumallilla tehdyt tutkimukset osoittivat VPA:n haittaavan mitokondrioiden solyhengitystä. Tutkimuksen tulokset tuovat lisätietoa mtDNA:n depleetioon ja deleetioihin liittyvistä taudinkuvista ja molekyyligeneettisestä taustasta. POLG1-mutaatiot eivät ole ehdoton vasta-aihe maksansiirrolle; potilaan geneettinen status ja ikä taudin alkamishetkellä vaikuttavat ennusteeseen, mikä tulisi huomioida potilaiden hoidossa. Tulokset myös osoittivat VPA:n olevan mitokondriotoksinen lääke, jonka käyttöä tulisi välttää mitokondriotautipotilaiden hoidossa.