New tools for mitochondrial disease diagnosis: FGF21, GDF15 and next-generation sequencing

Show simple item record

dc.contributor Helsingin yliopisto, lääketieteellinen tiedekunta, tutkimusohjelmayksikkö fi
dc.contributor Helsingfors universitet, medicinska fakulteten, forskningsprogramenheten sv
dc.contributor University of Helsinki, Faculty of Medicine, Research Programs Unit, Molecular Neurology en
dc.contributor.author Lehtonen, Jenni fi
dc.date.accessioned 2017-08-23T10:02:52Z
dc.date.available 2017-09-12 fi
dc.date.available 2017-08-23T10:02:52Z
dc.date.issued 2017-09-22 fi
dc.identifier.uri URN:ISBN:978-951-51-3602-2 fi
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/10138/214820
dc.description.abstract Mitochondrial diseases are inheritable, often progressive diseases, where the function of the ATP producing organelle of the cell, is compromised. This leads to a wide variety of phenotypes, known to arise from defects in over 200 genes. Typically manifesting organs are brain, heart, muscle, liver, endocrine organs and sense organs. Careful clinical assessment with investigation of family history helps to predict the cause, but other diagnostic assessments play a central role in diagnosis. Elevation of blood or cerebrospinal fluid lactate has traditionally been an indicator of mitochondrial dysfunction, but this biomarker lacks sensitivity and specificity, and more accurate biomarkers are required. Muscle biopsy sample is the gold standard of mitochondrial disease diagnosis. Cytochrome c oxidase (COX) negative, succinate dehydrogenase (SDH) positive fibers and ragged-red fibers (RRFs) are hallmarks of mitochondrial dysfunction. Reduced respiratory chain enzyme activity in tissue verifies diagnosis. Solid diagnosis requires genetic evidence, but the expanding number of disease-causing genes makes it difficult to choose which genes to sequence. We report here a novel diagnostic serum biomarker, fibroblast growth factor 21 (FGF21), which is more sensitive and specific to muscle-manifesting mitochondrial disorders than any of the conventional biomarkers used before. It correlates with COX-negative muscle fibers and is most likely produced and secreted by them. We also studied another recently discovered serum biomarker, growth differentiation factor 15 (GDF15). We report that both FGF21 and GDF15 correctly distinguish mitochondrial myopathies from non-mitochondrial myopathies and controls, making them the most accurate biomarkers for mitochondrial myopathies to date. The trigger for induction of these biomarkers seems to be upstream of respiratory chain defect, most likely initiates from the mitochondrial translational machinery. In another study, we used next generation sequencing to search for a pathogenic mutation in a patient with fatal infantile Alpers hepatoencephalopathy. We identified two compound heterozygous mutations in a novel disease gene, FARS2. This gene encodes for a protein, mitochondrial phenylalanyl-tRNA synthetase (mtPheRS), responsible for the charging of mitochondrial phenylalanyl-tRNA with its cognate amino acid. Structural prediction of the mutated proteins together with functional studies in E. coli showing decreased activity of mutant mtPheRS, verified the diagnosis. Our results strongly support the use of FGF21 and GDF15 as first line diagnostic assessments. Rapid progression to next-generation sequencing is advised if both of these biomarkers are elevated, with positive predictive value being 95%. This would reduce the need for invasive diagnostic tests. en
dc.description.abstract Mitokondriotaudit ovat yleisimpiä perinnöllisiä aineenvaihdunnan sairauksia. Näissä sairauksissa solun energialaitoksen toiminta on häiriintynyt. Häiriö ilmenee tavallisimmin aivoissa, maksassa, lihaksissa, sydämessä, haimassa tai aistinelimissä. Sairaudet ovat tyypillisesti eteneviä ja oireita voi olla useassa elimessä samanaikaisesti. Toimintahäiriön aiheuttaa geenivirhe, mutaatio, joita tunnetaan jo yli 200 geenissä. Mitokondriotautien diagnostiikka on haastavaa sairauksien monimuotoisuuden ja laajan mutaatiokirjon vuoksi. Koholla oleva veren laktaatti ja pyruvaatti tai näiden suhde viittaa mitokondriotautiin, mutta normaali arvo ei poissulje mitokondriotaudin mahdollisuutta. Diagnostiikan kulmakivi on lihasnäyte, sillä siitä voidaan tutkia mitokondrioiden energiantuotantoketjun toimintaa. Lapsilla lihasnäytteen ottaminen vaatii nukutusta, eikä aikuisillakaan toimenpide ole täysin harmiton. Geenivirheen löytyminen varmistaa diagnoosin. Sairauden taustalla olevan geenivirheen etsiminen perinteisin menetelmin on kuitenkin hyvin työlästä. Väitöskirjatutkimukseni ensimmäisessä osatyössä kuvasimme löytämämme uuden seerumimerkkiaineen. Tämä fibroblastikasvutekijä 21 (FGF21) erittyy sairaista lihassyistä verenkiertoon, jossa sen pitoisuudet ovat lihaksessa ilmenevää mitokondriotautia sairastavilla henkilöillä moninkertaiset terveisiin henkilöihin verrattuna. Toisessa osatyössä tutkimme toisen uuden seerumimerkkiaineen, kasvu- ja erilaistumistekijä-15:n (GDF15), toimintaa lihastautien diagnostiikassa. Molemmat uudet merkkiaineet erottavat mitokondriaalisen lihastaudin muista tutkimistamme lihastaudeista sekä terveistä henkilöistä paremmin kuin aiemmin käytetyt seerumimerkkiaineet. Merkkiaineita erittyy mitokondrion proteiinisynteesin häiriöissä. Mikäli molemmat merkkiaineet ovat koholla, lihassairaus on 95% todennäköisyydellä mitokondriotauti. Kolmannessa osatyössä käytimme uuden sukupolven sekvensointimenetelmää etsiessämme geenidiagnoosia vastasyntyneenä alkanutta vakavaa aivosairautta, Alpersin tautia, sairastaville potilaille. Löysimme kaksi geenivirhettä uudessa tautigeenissä, FARS2-geenissä. Tämän geenin koodaama proteiini osallistuu mitokondrioiden proteiinisynteesiin. Tutkimuksemme tautimallissa paljastivat, että viallinen proteiini ei toimi normaalisti ja aiheuttaa sairauden. Tutkimuksemme tukevat uusien seerumimerkkiaineiden, FGF21 ja GDF15, käyttöä mitokondriotautien diagnostiikan ensilinjassa. Mikäli merkkiaineet ovat koholla, geenivirheen etsiminen uuden sukupolven sekventointimenetelmillä on suositeltavaa. Tämä menettely vähentäisi kudosnäytteenoton tarvetta. fi
dc.format.mimetype application/pdf fi
dc.language.iso en fi
dc.publisher Helsingin yliopisto fi
dc.publisher Helsingfors universitet sv
dc.publisher University of Helsinki en
dc.relation.isformatof URN:ISBN:978-951-51-3601-5 fi
dc.relation.isformatof Helsinki: Unigrafia, 2017, Dissertationes Scholae Doctoralis Ad Sanitatem Investigandam Universitatis Helsinkiensis. 2342-3161 fi
dc.relation.ispartof Dissertationes Scholae Doctoralis Ad Sanitatem Investigandam Universitatis Helsinkiensis fi
dc.relation.ispartof URN:ISSN:2342-317X fi
dc.rights Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty. fi
dc.rights This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited. en
dc.rights Publikationen är skyddad av upphovsrätten. Den får läsas och skrivas ut för personligt bruk. Användning i kommersiellt syfte är förbjuden. sv
dc.subject fi
dc.title New tools for mitochondrial disease diagnosis: FGF21, GDF15 and next-generation sequencing en
dc.title.alternative Mitokondriotautien uudet diagnostiset työkalut: FGF21, GDF15 ja uuden sukupolven geenisekvensointi fi
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Doktorsavhandling (sammanläggning) sv
dc.ths Wartiovaara, Anu fi
dc.opn Horvath, Rita fi
dc.type.dcmitype Text fi

Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
NEWTOOLS.pdf 3.003Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record