Childhood-onset mitochondrial diseases : with emphasis on molecular diagnostics of neurological disorders

Childhood-onset mitochondrial diseases comprise a heterogeneous group of disorders, which may manifest with almost any symptom and affect any tissue or organ. Due to challenging diagnostics, most children still lack a specific aetiological diagnosis. The aim of this thesis was to find molecular causes for childhood-onset mitochondrial disorders in Finland. We identified the underlying cause for 25 children, and found three new diseases, which had not been diagnosed in Finland before. These diseases caused severe progressive infantile-onset encephalomyopathies, and were due to defects in mitochondrial DNA (mtDNA) maintenance. Furthermore, the thesis provides the molecular background of Finnish patients with ‘leukoencephalopathy with brain stem and spinal cord involvement and elevated brain lactate’ (LBSL). A new phenotype was identified to be due to mutations in Twinkle, resembling ‘infantile onset spinocerebellar ataxia’ (IOSCA). These mutations caused mtDNA depletion in the liver, thus confirming the essential role of Twinkle in mtDNA maintenance, and expanding the molecular background of mtDNA depletion syndromes. The major aetiology for infantile mitochondrial myopathy in Finland was discovered to be due to mutations in thymidine kinase 2 (TK2). A novel mutation with Finnish ancestry was identified, and a genotype-phenotype correlation with mutation-specific distribution of tissue involvement was found, thus proving that deficient TK2 may cause multi-tissue depletion and impair neuronal function. This work established the molecular diagnosis and advanced the knowledge of phenotypes among paediatric patients with polymerase gamma (POLG) mutations. The patients showed severe early-onset encephalopathy with intractable epilepsy. POLG mutations are not a prevalent cause of children’s ataxias, although ataxia is a major presenting symptom among adults. Our findings indicate that POLG mutations should be investigated even if typical MRI, histochemical or biochemical abnormalities are lacking. LBSL patients showed considerable variation in phenotype despite identical mutations. A common, most likely European, ancestry, and a relative high carrier frequency of these mutations in Finland were discovered; suggesting that LBSL may be a quite common leukoencephalopathy in other populations as well. The results suggest that MRI findings are so unique that the diagnosis of LBSL is possible to make without genetic studies. This thesis work has resulted in identification of new mitochondrial disorders in Finland, enhancing the understanding of the clinical variability and the importance of tissue-specificity of these disorders. In addition to providing specific diagnosis to the patients, these findings give light to the underlying pathogenetic mechanisms of childhood-onset mitochondrial disorders.

Uusia lapsuuden mitokondriotauteja tunnistettu Suomessa Mitokondriotaudit ovat perinnöllisiä sairauksia, jotka johtuvat häiriöistä solujen mitokondrioissa tapahtuvassa energiantuotannossa. Sairauden oireet voivat ilmetä lähes missä tahansa elimessä ja missä tahansa iässä. Aivo-, lihas-, maksa- ja sydänoireet ovat tyypillisiä. Lapsuudessa alkavat mitokondriotaudit ovat usein vaikeasti tunnistettavia ja niiden diagnostiikka on haastavaa, minkä vuoksi tarkka diagnoosi puuttuu useimmilta mitokondriotautia sairastavilta lapsilta. Tutkimukseni tarkoituksena oli selvittää suomalaislasten mitokondriotautien molekyyligeneettista taustaa ja karakterisoida tämän tautiryhmän suomalaisia erityispiirteitä. Tutkimuksen myötä 25 lasta sai tarkan diagnoosin ja tunnistimme kolme mitokondrioiden toimintahäiriöistä johtuvaa sairautta, joita ei aiemmin ollut Suomessa todettu. Nämä Suomessa nyt tunnistetut sairaudet ovat harvinaisia aivo- ja/tai lihassairauksia, jotka alkavat vauvaiässä tai varhaislapsuudessa ja johtavat yleensä kuolemaan jo lapsuusiässä. Sairaudet periytyvät peittyvästi, eli sairastuakseen lapsen on perittävä sairauden aiheuttava gee-nivirhe molemmilta vanhemmiltaan. Nämä sairaudet johtuvat perimän muutoksista tymidiinikinaasi 2 (TK2)-, twinkle- ja polymeraasi gamma (POLG)- proteiineja koodaavissa geeneissä. Nämä proteiinit ovat tärkeitä mitokondrioiden oman perimän, mitokondriaalisen DNAn, ylläpidossa. Häiriöt mitokondrioiden perimän ylläpidossa aiheuttavat solujen energia-aineenvaihdunnan häiriön. Näiden sairauksien lisäksi tutkimuksessa selvitettiin LBSL-taudin (aivojen valkean aineen tauti) molekyyligenettinen tausta Suomessa. LBSL-tauti on uusi, äskettäin mitokondriotauteihin luokiteltu ataksiasairaus, joka johtuu häiriöstä mitokondrioiden proteiinisynteesissä. Sairauden alkamisikä vaihtelee varhaislapsuudesta nuoruusikään, ja sairaus on hitaasti etenevä. Huolimatta samanlaisista geenivirheistä potilaiden oirekuva ja sairauden vaikeusaste vaihtelevat, mikä viittaa muiden, vielä tuntemattomien, tekijöiden vaikutukseen sairaudenkulkuun. Mitokondriotauteihin ei toistaiseksi ole parantavaa hoitoa, mutta diagnoosin löytyminen lopettaa raskaat tutkimukset sekä ohjaa oireenmukaista hoitoa ja kuntoutusta. POLG- ja twinkle-geenivirheiden tunnistaminen on erityisen tärkeää, koska epilepsialääke valproaatti voi laukaista vaikean maksavaurion näille potilaille. Tarkka diagnoosi mahdollistaa perheille myös perinnöllisyysneuvonnan. Tutkimuksen myötä mitokondriotautien diagnostiikka on Suomessa parantunut, ja tutkimuksessa saatiin uutta tietoa lasten mitokondriotautien oirekuvasta, mitokondrioiden perimän ylläpitoon vaikuttavista tekijöistä ja häiriöiden vaikutuksista. Sairauksien mekanismien tunteminen on edellytys hoitomahdollisuuksien kehittämiselle.