The notion that a balanced pool of deoxyribonucleoside triphosphate (dNTP) precursors is required for DNA replication and repair has been studied in vitro Human Molecular Genetics
Oxford University Press
Unbalanced deoxynucleotide pools cause mitochondrial DNA instability in thymidine phosphorylase-deficient mice
Luis C. López, Hasan O. Akman, [...], and Michio Hirano
Additional article information
Abstract
Replication and repair of DNA require equilibrated pools of deoxynucleoside triphosphate precursors. This concept has been proven by in vitro studies over many years, but in vivo models are required to demonstrate its relevance to multicellular organisms and to human diseases. Accordingly, we have generated thymidine phosphorylase (TP) and uridine phosphorylase (UP) double knockout (TP−/−UP−/−) mice, which show severe TP deficiency, increased thymidine and deoxyuridine in tissues and elevated mitochondrial deoxythymidine triphosphate. As consequences of the nucleotide pool imbalances, brains of mutant mice developed partial depletion of mtDNA, deficiencies of respiratory chain complexes and encephalopathy. These findings largely account for the pathogenesis of mitochondrial neurogastrointestinal encephalopathy (MNGIE), the first inherited human disorder of nucleoside metabolism associated with somatic DNA instability.
INTRODUCTION
The notion that a balanced pool of deoxyribonucleoside triphosphate (dNTP) precursors is required for DNA replication and repair has been studied in vitro for more than four decades (1,2), but its relevance to human disease was not documented until 1999, when mutations on the TYMP gene were identified as the cause of mitochondrial neurogastrointestinal encephalopathy (MNGIE). This autosomal-recessive disease is characterized by extraocular muscle weakness manifesting as ptosis and ophthalmoplegia, peripheral neuropathy, gastrointestinal dysmotility causing severe cachexia, leukoencephalopathy and mitochondrial abnormalities (3–5). TYMP mutations cause a severe decrease of thymidine phosphorylase (TP) activity; marked elevations of the pyrimidine nucleosides thymidine (Thd) and deoxyuridine (dUrd) in plasma and tissues and somatic multiple deletions, depletion and site-specific point mutations of mtDNA (3,4,6–12). The point mutations are predominantly T-to-C transitions preceded by 5′-AA sequences, suggesting that elevated deoxythymidine triphosphate (dTTP) induces next-nucleotide effects in this disease (9). On the basis of these findings, we hypothesized that elevations of Thd and dUrd in MNGIE cause nucleotide pool imbalance, which, in turn, causes mtDNA instability (4,7). The relationship between increased Thd levels, unbalanced mitochondrial dNTPs and mtDNA alterations has been demonstrated in vitro. HeLa cells and human fibroblasts exposed to 10–50 µm Thd showed unbalanced mitochondrial dNTPs and mtDNA deletions and depletion, which were more prominent in quiescent cells (13–15).
Although the in vitro results support our hypothesis for the pathogenesis of MNGIE, an in vivo model is necessary to validate this mechanism, understand the tissue specificity and test potential therapies. To address these issues, we have generated TP knockout (TP−/−) mice, which have no observable clinical phenotype, but show modest elevations of Thd and dUrd. Because murine uridine phosphorylase (UP) degrades Thd and dUrd, we obtained UP knockout (UP−/−) mice (16) and have generated TP/UP double knockout (TP−/−UP−/−) mice. Similar TP−/−UP−/− mice generated by Haraguchi et al. (17), that show leukoencephalopathy without depletion or deletions of mtDNA, were not Human Molecular Genetics
Oxford University Press
Unbalanced deoxynucleotide pools cause mitochondrial DNA instability in thymidine phosphorylase-deficient mice
Luis C. López, Hasan O. Akman, [...], and Michio Hirano
Additional article information
Abstract
Replication and repair of DNA require equilibrated pools of deoxynucleoside triphosphate precursors. This concept has been proven by in vitro studies over many years, but in vivo models are required to demonstrate its relevance to multicellular organisms and to human diseases. Accordingly, we have generated thymidine phosphorylase (TP) and uridine phosphorylase (UP) double knockout (TP−/−UP−/−) mice, which show severe TP deficiency, increased thymidine and deoxyuridine in tissues and elevated mitochondrial deoxythymidine triphosphate. As consequences of the nucleotide pool imbalances, brains of mutant mice developed partial depletion of mtDNA, deficiencies of respiratory chain complexes and encephalopathy. These findings largely account for the pathogenesis of mitochondrial neurogastrointestinal encephalopathy (MNGIE), the first inherited human disorder of nucleoside metabolism associated with somatic DNA instability.
INTRODUCTION
The notion that a balanced pool of deoxyribonucleoside triphosphate (dNTP) precursors is required for DNA replication and repair has been studied in vitro for more than four decades (1,2), but its relevance to human disease was not documented until 1999, when mutations on the TYMP gene were identified as the cause of mitochondrial neurogastrointestinal encephalopathy (MNGIE). This autosomal-recessive disease is characterized by extraocular muscle weakness manifesting as ptosis and ophthalmoplegia, peripheral neuropathy, gastrointestinal dysmotility causing severe cachexia, leukoencephalopathy and mitochondrial abnormalities (3–5). TYMP mutations cause a severe decrease of thymidine phosphorylase (TP) activity; marked elevations of the pyrimidine nucleosides thymidine (Thd) and deoxyuridine (dUrd) in plasma and tissues and somatic multiple deletions, depletion and site-specific point mutations of mtDNA (3,4,6–12). The point mutations are predominantly T-to-C transitions preceded by 5′-AA sequences, suggesting that elevated deoxythymidine triphosphate (dTTP) induces next-nucleotide effects in this disease (9). On the basis of these findings, we hypothesized that elevations of Thd and dUrd in MNGIE cause nucleotide pool imbalance, which, in turn, causes mtDNA instability (4,7). The relationship between increased Thd levels, unbalanced mitochondrial dNTPs and mtDNA alterations has been demonstrated in vitro. HeLa cells and human fibroblasts exposed to 10–50 µm Thd showed unbalanced mitochondrial dNTPs and mtDNA deletions and depletion, which were more prominent in quiescent cells (13–15).
Although the in vitro results support our hypothesis for the pathogenesis of MNGIE, an in vivo model is necessary to validate this mechanism, understand the tissue specificity and test potential therapies. To address these issues, we have generated TP knockout (TP−/−) mice, which have no observable clinical phenotype, but show modest elevations of Thd and dUrd. Because murine uridine phosphorylase (UP) degrades Thd and dUrd, we obtained UP knockout (UP−/−) mice (16) and have generated TP/UP double knockout (TP−/−UP−/−) mice. Similar TP−/−UP−/− mice generated by Haraguchi et al. (17), that show leukoencephalopathy without depletion or deletions of mtDNA, were not available. In the present work, we characterize the biochemical, genetic and histological traits of our TP−/−UP−/− mice, which reproduce features of MNGIE
ความคิดที่ว่าสระว่ายน้ำที่สมดุลของ deoxyribonucleoside triphosphate (dNTP) สารตั้งต้นเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการจำลองแบบและการซ่อมแซมดีเอ็นเอได้รับการศึกษาในหลอดทดลองมนุษย์อณูพันธุศาสตร์
Oxford University Press
สระว่ายน้ำไม่สมดุลทำให้เกิดความไม่แน่นอน deoxynucleotide ยลดีเอ็นเอใน thymidine หนู phosphorylase
ขาดหลุยส์ซีโลเปซ, ฮะซัน ทุม Akman [... ] และ Michio Hirano ข้อมูลเพิ่มเติมบทความบทคัดย่อการจำลองแบบและการซ่อมแซมดีเอ็นเอต้องequilibrated สระว่ายน้ำของสารตั้งต้น deoxynucleoside triphosphate แนวคิดนี้ได้รับการพิสูจน์โดยการศึกษาในหลอดทดลองเป็นเวลาหลายปี แต่ในรูปแบบที่ร่างกายจะต้องแสดงให้เห็นถึงความเกี่ยวข้องกับสิ่งมีชีวิตและโรคของมนุษย์ ดังนั้นเราจึงมีการสร้าง phosphorylase thymidine (TP) และ uridine phosphorylase (UP) คู่ที่น่าพิศวง (TP - / - UP - / -) หนูซึ่งแสดงให้เห็นการขาด TP รุนแรงที่เพิ่มขึ้นและ thymidine deoxyuridine ในเนื้อเยื่อและ triphosphate deoxythymidine สูงยล ในฐานะที่เป็นผลกระทบจากความไม่สมดุลของสระว่ายน้ำเบสสมองของหนูกลายพันธุ์พัฒนาการสูญเสียบางส่วนของ mtDNA ขาดคอมเพล็กซ์ห่วงโซ่ทางเดินหายใจและ encephalopathy การค้นพบนี้บัญชีส่วนใหญ่เกิดโรค encephalopathy neurogastrointestinal ยล (MNGIE) เป็นครั้งแรกที่ได้รับการถ่ายทอดความผิดปกติของมนุษย์ในการเผาผลาญอาหาร nucleoside ที่เกี่ยวข้องกับความไม่แน่นอนดีเอ็นเอร่างกาย. บทนำความคิดที่ว่าสระว่ายน้ำที่สมดุลของ deoxyribonucleoside triphosphate (dNTP) สารตั้งต้นเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการคัดลอกดีเอ็นเอและการซ่อมแซม ได้รับการศึกษาในหลอดทดลองมานานกว่าสี่สิบปี (1,2) แต่ความเกี่ยวข้องกับโรคของมนุษย์ไม่ได้ถูกบันทึกไว้จนกว่าจะถึงปี 1999 เมื่อเกิดการกลายพันธุ์ในยีน TYMP ถูกระบุว่าเป็นสาเหตุของการ encephalopathy neurogastrointestinal ยล (MNGIE) โรค autosomal-ด้อยที่โดดเด่นด้วยกล้ามเนื้ออ่อนแอ extraocular เผยเป็น ptosis และ ophthalmoplegia, ปลายประสาทอักเสบ, ระบบทางเดินอาหารที่ก่อให้เกิด dysmotility cachexia รุนแรงและความผิดปกติ leukoencephalopathy ยล (3-5) การกลายพันธุ์ที่ทำให้เกิด TYMP ลดลงอย่างรุนแรงของ thymidine phosphorylase (TP) กิจกรรม; เอนไซม์ทำเครื่องหมายของ pyrimidine nucleosides thymidine (Thd) และ deoxyuridine (dUrd) ในพลาสมาและเนื้อเยื่อและการลบหลายร่างกาย, การสูญเสียและการกลายพันธุ์จุดเว็บไซต์ที่เฉพาะเจาะจงของ mtDNA (3,4,6-12) การกลายพันธุ์จุดส่วนใหญ่เป็นเสื้อที่จะ-C นำหน้าด้วยการเปลี่ยนลำดับ 5'-AA บอกว่า triphosphate deoxythymidine สูง (dTTP) ก่อให้เกิดผลกระทบต่อไปเบื่อหน่ายในโรคนี้ (9) บนพื้นฐานของการค้นพบเหล่านี้เราตั้งสมมติฐานว่าเอนไซม์ไล Thd และ dUrd ในการทำให้เกิดความไม่สมดุลของสระว่ายน้ำ MNGIE เบื่อหน่ายซึ่งในที่สุดก็ทำให้เกิดความไม่แน่นอน mtDNA (4,7) ความสัมพันธ์ระหว่างระดับ Thd เพิ่มขึ้น dNTPs ยลไม่สมดุลและการเปลี่ยนแปลง mtDNA ที่ได้รับการแสดงให้เห็นในหลอดทดลอง เซลล์ HeLa และเซลล์ของมนุษย์สัมผัสกับ 10-50 ไมโครเมตร Thd แสดงให้เห็น dNTPs ยลไม่สมดุลและการลบ mtDNA และการสูญเสียซึ่งเป็นที่โดดเด่นมากในเซลล์นิ่ง (13-15). แม้ว่าผลในหลอดทดลองสนับสนุนสมมติฐานของเราสำหรับการเกิดโรคของ MNGIE เป็น ในรูปแบบที่ร่างกายมีความจำเป็นต้องตรวจสอบกลไกนี้เข้าใจความจำเพาะเนื้อเยื่อและทดสอบการรักษาที่มีศักยภาพ เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้เราได้สร้างสิ่งที่น่าพิศวง TP (TP - / -) หนูที่ไม่มีฟีโนไทป์ทางคลินิกที่สังเกตได้ แต่แสดงระดับเจียมเนื้อเจียมตัวและ Thd dUrd เพราะ phosphorylase uridine หมา (UP) ลด Thd และ dUrd เราได้รับสิ่งที่น่าพิศวงขึ้น (UP - / -) หนู (16) และมีการสร้าง TP / UP คู่ที่น่าพิศวง (TP - / - UP - / -) หนู ที่คล้ายกัน TP - / - UP - / - หนูที่สร้างขึ้นโดย Haraguchi et al, (17) ที่แสดง leukoencephalopathy โดยไม่ต้องสูญเสียหรือการลบ mtDNA เป็นมนุษย์ไม่ได้อณูพันธุศาสตร์Oxford University Press สระว่ายน้ำไม่สมดุลทำให้เกิดความไม่แน่นอน deoxynucleotide ยลดีเอ็นเอใน thymidine หนู phosphorylase ขาดหลุยส์ซีโลเปซ, ฮะซันทุม Akman [... ] และ Michio Hirano ข้อมูลเพิ่มเติมบทความบทคัดย่อการจำลองแบบและการซ่อมแซมดีเอ็นเอต้องequilibrated สระว่ายน้ำของสารตั้งต้น deoxynucleoside triphosphate แนวคิดนี้ได้รับการพิสูจน์โดยการศึกษาในหลอดทดลองเป็นเวลาหลายปี แต่ในรูปแบบที่ร่างกายจะต้องแสดงให้เห็นถึงความเกี่ยวข้องกับสิ่งมีชีวิตและโรคของมนุษย์ ดังนั้นเราจึงมีการสร้าง phosphorylase thymidine (TP) และ uridine phosphorylase (UP) คู่ที่น่าพิศวง (TP - / - UP - / -) หนูซึ่งแสดงให้เห็นการขาด TP รุนแรงที่เพิ่มขึ้นและ thymidine deoxyuridine ในเนื้อเยื่อและ triphosphate deoxythymidine สูงยล ในฐานะที่เป็นผลกระทบจากความไม่สมดุลของสระว่ายน้ำเบสสมองของหนูกลายพันธุ์พัฒนาการสูญเสียบางส่วนของ mtDNA ขาดคอมเพล็กซ์ห่วงโซ่ทางเดินหายใจและ encephalopathy การค้นพบนี้บัญชีส่วนใหญ่เกิดโรค encephalopathy neurogastrointestinal ยล (MNGIE) เป็นครั้งแรกที่ได้รับการถ่ายทอดความผิดปกติของมนุษย์ในการเผาผลาญอาหาร nucleoside ที่เกี่ยวข้องกับความไม่แน่นอนดีเอ็นเอร่างกาย. บทนำความคิดที่ว่าสระว่ายน้ำที่สมดุลของ deoxyribonucleoside triphosphate (dNTP) สารตั้งต้นเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการคัดลอกดีเอ็นเอและการซ่อมแซม ได้รับการศึกษาในหลอดทดลองมานานกว่าสี่สิบปี (1,2) แต่ความเกี่ยวข้องกับโรคของมนุษย์ไม่ได้ถูกบันทึกไว้จนกว่าจะถึงปี 1999 เมื่อเกิดการกลายพันธุ์ในยีน TYMP ถูกระบุว่าเป็นสาเหตุของการ encephalopathy neurogastrointestinal ยล (MNGIE) โรค autosomal-ด้อยที่โดดเด่นด้วยกล้ามเนื้ออ่อนแอ extraocular เผยเป็น ptosis และ ophthalmoplegia, ปลายประสาทอักเสบ, ระบบทางเดินอาหารที่ก่อให้เกิด dysmotility cachexia รุนแรงและความผิดปกติ leukoencephalopathy ยล (3-5) การกลายพันธุ์ที่ทำให้เกิด TYMP ลดลงอย่างรุนแรงของ thymidine phosphorylase (TP) กิจกรรม; เอนไซม์ทำเครื่องหมายของ pyrimidine nucleosides thymidine (Thd) และ deoxyuridine (dUrd) ในพลาสมาและเนื้อเยื่อและการลบหลายร่างกาย, การสูญเสียและการกลายพันธุ์จุดเว็บไซต์ที่เฉพาะเจาะจงของ mtDNA (3,4,6-12) การกลายพันธุ์จุดส่วนใหญ่เป็นเสื้อที่จะ-C นำหน้าด้วยการเปลี่ยนลำดับ 5'-AA บอกว่า triphosphate deoxythymidine สูง (dTTP) ก่อให้เกิดผลกระทบต่อไปเบื่อหน่ายในโรคนี้ (9) บนพื้นฐานของการค้นพบเหล่านี้เราตั้งสมมติฐานว่าเอนไซม์ไล Thd และ dUrd ในการทำให้เกิดความไม่สมดุลของสระว่ายน้ำ MNGIE เบื่อหน่ายซึ่งในที่สุดก็ทำให้เกิดความไม่แน่นอน mtDNA (4,7) ความสัมพันธ์ระหว่างระดับ Thd เพิ่มขึ้น dNTPs ยลไม่สมดุลและการเปลี่ยนแปลง mtDNA ที่ได้รับการแสดงให้เห็นในหลอดทดลอง เซลล์ HeLa และเซลล์ของมนุษย์สัมผัสกับ 10-50 ไมโครเมตร Thd แสดงให้เห็น dNTPs ยลไม่สมดุลและการลบ mtDNA และการสูญเสียซึ่งเป็นที่โดดเด่นมากในเซลล์นิ่ง (13-15). แม้ว่าผลในหลอดทดลองสนับสนุนสมมติฐานของเราสำหรับการเกิดโรคของ MNGIE เป็น ในรูปแบบที่ร่างกายมีความจำเป็นต้องตรวจสอบกลไกนี้เข้าใจความจำเพาะเนื้อเยื่อและทดสอบการรักษาที่มีศักยภาพ เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้เราได้สร้างสิ่งที่น่าพิศวง TP (TP - / -) หนูที่ไม่มีฟีโนไทป์ทางคลินิกที่สังเกตได้ แต่แสดงระดับเจียมเนื้อเจียมตัวและ Thd dUrd เพราะ phosphorylase uridine หมา (UP) ลด Thd และ dUrd เราได้รับสิ่งที่น่าพิศวงขึ้น (UP - / -) หนู (16) และมีการสร้าง TP / UP คู่ที่น่าพิศวง (TP - / - UP - / -) หนู ที่คล้ายกัน TP - / - UP - / - หนูที่สร้างขึ้นโดย Haraguchi et al, (17) ว่า leukoencephalopathy แสดงโดยไม่มีการสูญเสียหรือการลบ mtDNA, ไม่สามารถใช้ได้ ในการทำงานปัจจุบันเราลักษณะทางชีวเคมีลักษณะทางพันธุกรรมและเนื้อเยื่อของ TP ของเรา - / - UP - / - หนูซึ่งทำซ้ำคุณสมบัติของ MNGIE
การแปล กรุณารอสักครู่..
