PATOLOGÍA MITOCONDRIAL BQ21 Dr

PATOLOGÍA MITOCONDRIAL BQ21 Dr. Garesse
La patología mitocondrial tiene una variabilidad fenotípica enorme.
Dependiendo de la vía metabólica que se altere dará unos u otros síntomas: diabetes,
encefalomiopatía devastadora... (antes eran conocidas como enfermedades raras”).
Realmente no son tan extrañas debido al aumento de su conocimiento: 3-5 / 10.000hab.
Se diagnostica mal, porque los síntomas son difusos y la evolución es impredecible.
Puede aparecer a cualquier edad, con cualquier tipo de herencia, y pueden existir varios
individuos de una familia afectos.
No todas las mc son iguales; existen muchos tipos en función del tipo celular en
el que se encuentren: astrositos, músculo cardiaco, glándula SR, gl pineal,…
La mitocondira (mc) está presente en todas las células del organismo
(enfermedad metabólica más frecuente) y tiene una gran variabilidad funcional:
- oxidación ác grasos
- elongación ác grasos
- ciclo urea
- desaturación ác grasos
- ciclo ác tricarboxílicos
- síntesis fosfolípidos
- metab mtDNA
- MAO
Pero la función más importante es la síntesis de ATP por medio de la cadena
respiratoria.
La patología mitocondrial en teoría abarcaría muchos más procesos que las
alteraciones específicas de la fosforilación oxidativa, pero en la práctica, éstas
constituyen el 99% de la patología mc. Así, la patología mc es sinónimo de enfermedad
de la cadena respiratoria e implica una disminución de la síntesis de ATP. Como todo el
organismo funciona gracias al ATP, sólo pueden concebirse déficits parciales de la
síntesis de ATP, porque un déficit total sería incompatible con la vida.
Estas patologías son de afectación multisistémica. La manifestación clínica
puede ser la afectación de un solo órgano (sordera, cardiomiopatía...) o una
combinación de síntomas (generalmente encefalomiopatías con otros). Afectan más a
músculo y SNC porque estos órganos tienen un metabolismo oxidativo elevado (cuanto
mayor consumo de ATP mayor afectación).
CADENA RESPIRATORIA
Hay 5 complejos que recogen la energía en forma de NADH (es el poder
reductor de esta molécula lo que se acumula) por medio de un gradiente de protones
lleva a la síntesis de ATP. Cualquier mutación o defecto implica un déficit de la síntesis
de ATP. Hay 70 proteínas distintas que se ocupan de la síntesis de ATP, es decir, 70
posibilidades de fallo.
GENÉTICA MITOCONDRIAL
Papel central de la mc en la fisiología celular:
-Apoptosis
-Regulación
nivel
calcio
-Envejecimiento
intracelular
-Desarrollo
-Proliferación celular
-Diferenciación celular
Biogénesis mitocondrial:
-Proliferación celular
-Diferenciación celular (ej. Músculo cardíaco posee mc completamente
desarrolladas, llenas de crestas).
1
DNA mitocondrial
La mc se diferencia del resto de las organelas celulares en que contiene DNA
propio: es pequeño, de unos 16.500 bp (DNA nuclear tiene 9.3  109-10). Cada mc posee
de 2 a 10 moléculas de DNA. Teniendo en cuenta que cada célula tiene miles de mc, la
cantidad de mtDNA es relativamente importante. Es un DNA pequeño, pero muy
repetido.
En el patrón de herencia de la cadena respiratoria intervienen 2 sistemas
genéticos: el DNA nuclear y el mitocondrial.
DNAnuclear: “mar” de nucleótidos con pocas secuencias codificantes.
DNAmt, prácticamente igual para todos los animales:
1. Pequeña región no codificante (1Kb): elementos reguladores de la
replicación y la expresión. (El resto del genoma es codificante.)
2. Genes de 3 tipos:
- 2 rRNA de 12S y 16S que codifican para ribosomas de la mc. Es una
estructura muy compacta (hay genes solapados).
- 22 tRNA de la síntesis de proteínas mitocondriales.
- 13 proteínas, subunidades de la cadena respiratoria: 7 subunidades del
complejo I (ND1-ND7), 3 subunidades del complejo IV: la citocromo oxidasa
(CO I, II, III), 1 subunidad del complejo III (citocromo b) y 2 subunidades de la
ATP sintetasa (ATPasa 6 y 8).
El material genético restante para sintetizar ATP está en el núcleo.
El código genético del mtDNA es distinto del código del DNA nuclear.
La herencia del mtDNA es materna y el único mecanismo de evolución y
variación de la secuencia del mtDNA es mediante la acumulación secuencial de
mutaciones y su dispersión en la línea materna. La capacidad codificante del mtDNA es
pequeña pero fundamental para la fisiología celular.
El mtDNA tiene una elevada velocidad de mutación debido a la falta de histonas
(estando el DNA sin protección), a la continua generación de radicales libres en la mc
como subproducto de la respiración, y a la falta de mecanismos de reparación.
Resumen mtDNA:
- molécula circular covalentemente cerrada
- nº copias elevado (poliploide)
- HERENCIA MATERNA
- organización muy compacta
- código genético propio
- semiautónomo
- codifica únicamente subunidades OXPHOS (de la cadena respiratoria)
Origen del mtDNA
Las mc son resultado de una endosimbiosis: una bacteria aerobia colonizó una
bacteria anaerobia y convivieron las dos. Cada una tenía su DNA, un DNA quedó como
nuclear y el otro como mitocondrial. Con el tiempo mtDNA fue transfiriendo su DNA al
núcleo, pero quedaron 13 genes (los correspondientes a las proteínas de la cadena
respiratoria) sin transferir. Se mantienen estas 13 proteínas mitocondriales porque le son
imprescindibles a la célula: la síntesis de ATP y, por tanto, la supervivencia celular,
dependen de la cadena de transferencia de electrones, que requieren para su
funcionamiento estas 13 proteínas.
A la célula le cuesta mucho gasto de síntesis de proteínas y energía la síntesis de
estas 13 proteínas: tiene que replicar, transcribir y regular este mtDNA por medio de
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proteínas que se sintetizan en el núcleo y penetran en la mc (la replicación,
transcripción,... de las proteínas mitocondriales se produce en la mc). MtDNA es, por
tanto, semiautónomo.
MtDNA interviene en la síntesis de todos los complejos de la cadena
respiratoria, excepto en la del complejo II. Hay muchas más subunidades codificadas
por el DNA nuclear. Hay unas 60 mutaciones responsables del fallo de la cadena
respiratoria: más de 50 son por mutaciones en mtDNA, menos de 10 por mutaciones en
el DNA nuclear.
Al ser el código genético del mtDNA diferente al del núcleo, no le sirven las
mismas proteínas de transcripción,... que se usan para las funciones del núcleo.
Cada célula tiene un número y morfología variable de mc, de acuerdo a sus
necesidades de ATP.
Herencia del mtDNA
Todos tenemos las mismas moléculas de mtDNA pero entre nosotros hay
diferencias: polimorfismos. La herencia es materna pura (ver anexo al final), el padre no
transmite su mtDNA a sus hijos:
- el espermatozoide contiene bastantes mc (las requiere para moverse), sin
embargo en el momento de la fecundación, al producirse la transferencia de
pronúcleos, pasan muy pocas,y las que se transfieren son marcadas con
ubiquitina para ser destruídas. De esta manera las mc paternas se diluyen.
- El ovocito tiene gran cantidad de mc (si normalmente una célula tiene del
orden de 1000 a 2000 mc, el ovocito tiene de 100.000 a 200.000). El mtDNA
es el prioritario del ovocito.
Sin embargo, tanto hombres como mujeres pueden padecer estas enfermedades.
Hipótesis de la Madre Eva
La secuencia del mtDNA es polimórfica: se puede estudiar cómo se propagan las
razas analizando las variaciones del mtDNA. Así se reconstruye el árbol genealógico.
Cuando aparece una mutación en un gen nuclear en la célula germinal, pasa al
resto de las células, pero cuando muta una molécula de mtDNA, al haber 100.000
copias, se diluye porque, ¿qué es una mutación en 100.000 copias?
Durante el proceso de oogénesis hay sólo unas pocas mc que se multiplican. Es
muy difícil que cuando se muta una mc todos los mtDNA estén igualmente mutados.
Posteriormente, al dividirse y multiplicarse habrá:
- células con mtDNA mutado: homoplasmia con mutación
- células con mtDNA sano: homoplasmia salvaje
- células con mtDNA con y sin mutación: heteroplasmia
División celular → líneas diferentes → mutadas
↘ no mutadas
Célula con 1 mutación en mtDNA
↓
división, reparto de mc y nueva expansión
↙
↓
↘
cél mtDNA sano cél mc mutadas y sanas cél mc mutadas
(homoplasmia
(heteroplasmia)
(homoplasmia con
salvaje)
mutación)
El mtDNA normalmenta se transmite en heteroplasmia y da lugar a un sujeto
mosaico (unas células con homoplasmia y otras con heteroplasmia). Además, existe
3
variabilidad en la trasmisión: dos hijos afectos de la misma madre pueden presentar
distinta gravedad al tener también distinto grado de heteroplasmia.
Umbral de expresión fenotípica: La herencia de mc mutadas es al azar,
no se sabe qué células reciben las mc mutadas: según a qué tejidos y el requerimiento de
ATP de dicho tejido, expresarán más o menos clínica. Cerebro y músculo son los más
afectados porque las necesidades de ATP son elevadas, con que fallen un poco sus mc y
se sintetice menos ATP de lo normal, ya aparece patología: bajo umbral de patología
(cada tejido tiene un umbral de patología diferente).
Así, dentro de una misma familia un individuo puede estar más afectado que
otro porque:
- cada uno tiene un porcentaje de mc mutadas, según cuántas mutaciones le haya
transmitido la madre.
- Según la distribución de las mc mutadas en los tejidos.
Hay que recordar que la enfermedad es multisistémica, aunque la clínica esté
dominada por la encefalomiopatía. Puede presentarse aisladamente una cardiomiopatía e
ir avanzando a patología renal, ocular...
Las manifestaciones pediátricas son más graves. En el adulto en cambio puede
debutar más tardíamente a partir de una intolerancia al ejercicio con deterioro
progresivo conforme envejece -con la edad las mc van perdiendo eficacia, porque con la
respiración se acumulan radicales libres que dañan las mc- dando epilepsia, debilidad
muscular, ataxia, etc. Hasta que no se llega al umbral de patología no suelen aparecer
los síntomas.
Puede ser que se transmitan únicamente en homoplasmia de generación en
generación, porque al ser enfermedades poco agresivas sobreviven los enfermos como
para tener descendencia.
El fenotipo que origina una mutación en el genoma mitocondrial depende
finalmente de tres factores fundamentales:
i.
El tipo de mutación
ii.
La cantidad de moléculas que llevan la mutación
iii.
La diferente demanda respiratoria de los tejidos, siendo mayor en
músculo, sistema nervioso, riñón, páncreas, hígado.
Un cuarto factor lo constituye la edad del individuo afectado
Características de la patología mitocondrial:
- Esporádica, de herencia materna o mendeliana
- Afectación específica o multisistémica
- Variabilidad fenotípica en miembros de una misma
familia
- Aparición de los síntomas a cualquier edad
- Evolución progresiva de la sintomatología
- Relación desconocida entre genotipo y fenotipo
DIAGNÓSTICO
1. Biopsia muscular, porque suele acabar afectando al
músculo. Aparecen fibras rojo rasgadas. Con tinción tricrómico
de Gomoy se ven las membranas de las mc que han intentado proliferar
para suplir el déficit de ATP de color rojo fuerte alrededor de la célula
(en la periferia).
2.
Tinción de citocromo oxidasa (que es el complejo IV de la
cadena respiratoria). Normalmente las mitocondrias son de color
4
marrón, pero al fallar la citocromo oxidasa (COX) en las mc mutadas habrá una gama de colores,
según la intensidad de la afectación.
3. Medida de la actividad enzimática de la cadena respiratoria.
4. Desestructuración de la mc al microscopio electrónico.
5. Síntomas difusos. Hay un deterioro progresivo rápido. Se afecta
un tejido (apareciendo DM, fallo hepático, tubulopatía renal) o afecta
progresivamente al cerebro o al músculo. Los síntomas más frecuentes son:
convulsiones, ataxia, debilidad muscular, distonía, demencia, miopatía.
6. En realidad, el ojo clínico, la afectación de distintos órganos y
las pruebas funcionales del SNC y músculo dan el diagnóstico
de sospecha. Puede hacerse un diagnóstico molecular si se ve la
mutación en el mtDNA (mediante extracción del DNA de
músculo o de células sanguíneas) o si existe una alteración en la
cadena respiratoria.
7. Realizar estudio familiar.
La biopsia muscular y la tinción de COX permiten el diagnóstico histopatológico.
PATOLOGÍA MITOCONDRIAL
Puede ser por alteración del genoma nuclear (patrón de herencia mendeliano) o
mitocondrial.
La patología molecular más frecuente es la mitocondrial (aunque
individualmente cada patología no es muy frecuente, en conjunto, al ser muchas, sí
resulta un número alto).
Diferentes alteraciones en tRNA pueden dar la misma patología (al fin y al cabo
falla la cadena respiratoria) y mutaciones parecidas en tRNA pueden dar clínica
diferente. Pero existen mutaciones que dan preferentemente la misma patología. Ej.
MELAS (Encefalopatía Mitocondrial con Acidosis Láctica y Strokes) en 80% tiene una
mutación en 3243 y MERFF (Epilepsia
Mioclónica con Fibras Rojo Rasgadas) en la
mayoría tiene la mutación 8344. Lo que no se
conoce es por qué un genotipo produce un
fenotipo característico.
Alteración del sistema OXPHOS da
patología multisitémica:
Mutaciones en el DNA nuclear
Aunque de las más de 100 subunidades
diferentes que forman parte de los complejos
respiratorios sólo 13 están codificadas en el
genoma mitocondrial, la mayoría de los
síndromes provocados por una disminución en la síntesis de ATP que se han
caracterizado molecularmente están causados por alteraciones del genoma mitocondrial,
aunque en el último año se han identificado varias mutaciones en genes nucleares que
provocan una disfunción de la cadena respiratoria mitocondrial.
Fallos en el mtDNA con herencia nuclear: existen delecciones múltiples o
depleciones. Puede deberse a que fallen proteínas que se codifican en el núcleo, pero
como influyen en el control del mtDNA da la misma clínica que si fallase este mtDNA.
Puede haber fallos en la cantidad o en la calidad del mtDNA.
ANEXO
5
La intolerancia al ejercicio es una de las patologías mitocondriales, por
mutaciones en el complejo III (citocromo b). Ya hemos dicho que todas estas patologías
son de muy reciente descubrimiento, tanto es así que hace un mes, estudiando la
intolerancia al ejercicio, se ha visto una mutación nueva esporádica. Se haplotipó el
DNA del sujeto afecto y el mtDNA de la madre (puesto que la herencia es materna) y se
vio que el haplotipo era el del padre (el mtDNA del padre segregó al hijo). Es más, el
100% de las moléculas del padre estaban en el músculo (por eso intolerancia al
ejercicio). ¿Qué es lo que ocurrió? ¿Fallo en el mecanismo de eliminación de mc
paternas? ¿Quedan susceptibles a mutaciones? Muchas preguntas de momento sin
respuesta.
Polimorfismo del mtDNA
La variación genética del mtDNA es el producto de mutaciones que se han ido
acumulando a lo largo de la evolución y de las que han surgido en tiempos más
recientes. La mayoría de las variaciones son sustituciones neutras (en la tercera
posición de los codones y en la región no codificante). Sin embargo, algunos afectan a
aminoácidos medianamente conservados, que pueden provocar una pequeña
disminución en la capacidad oxidativa celular. Si bien estas mutaciones no originan una
patología por sí misma, pueden potenciar el efecto de otras mutaciones.
Los casos más claros de este efecto se han descrito en pacientes con LHON.
También entrarían dentro de este grupo mutaciones que podrían ser importantes
en la aparición de ciertas enfermedades degenerativas durante la vejez.
A medida que la mutación afecta a posiciones funcionalmente más importantes,
la gravedad de los síntomas aumenta. Las más graves, que conllevan una importante
disfunción, se eliminan rápidamente mediante selección natural. Por ello las
mutaciones graves son recientes y a menudo son heteroplásmicas.
Mutaciones moderadamente deletéreas son, por ej., MTND1 LHON 3460A; MTND4
LHON 11778A; MTTK MERRF 8344A; MTTL1 MELAS 3243C. Los individuos que llevan estas
mutaciones, incluso en elevadas proporciones, en general presentan pocos síntomas
durante la juventud, y la patología se manifiesta durante la etapa adulta.
Las mutaciones gravemente deletéreas por el contrario, provocan síntomas
rápidamente, afectando, por tanto, a la capacidad reproductiva del individuo, y las
líneas maternas por tanto desaparecen rápidamente. Por tanto los casos de familias
independientes descritos son nuevos, manifestando una variabilidad clínica muy grande
dentro de la misma debido a la segregación replicativa. Entre ellas se encuentran: MTND6
LDYT14459A (LHON y distonía); MTATP6 NARP 8993G/C; MTTL1 MMC 3303T; MTTP MM
15990A.
PATOLOGÍA MITOCONDRIAL
(Cadena respiratoria)
1. MUTACIONES EN EL mtDNA
Reorganizaciones. Generalmente esporádicas.
- Oftalmoplejía Externa Progresiva Crónica (CPEO)
- Síndrome de Kearns-Sayre
- Diabetes y sordera de herencia materna
Mutaciones puntuales (>50). Herencia materna.
- En genes de proteínas
- Neuropatía Óptica Hereditarie de Leber (LHON)
- Neuropatía, Ataxia y Retinitis Pigmentosa (NARP)
6
-
-
Síndrome de Leigh de herencia materna (MILS)
En genes de tRNAs
Encefalomiopatía Mitocondrial con Acidosis Láctica y Strokes (MELAS)
Epilepsia Mioclónica con Fibras Rojo- Rasgadas (MERRF)
Sordera neurosensitiva
En genes de rRNAs
Sordera inducida por aminoglucósidos
Delecciones / Duplicaciones: son multisistémicos: retinopatía siempre, y
además cardiopatía, sistema hematopoyético, páncreas.
Mutaciones puntuales: sintomatología muy variada: cada tipo de
mutación  enf. con cuadro clínico diferente. Delecciones similares 
cuadros diferentes (no existe relación clara entre genotipo y fenotipo).
Distintas mutaciones  mismo cuadro.
LHON: nervio óptico afectado  pérdida de visión periférica (ceguera).
Muchos son homoplásmicos.
MELAS: episodios de infarto cerebral, parálisis.
Si afectación rRNA  sordera.
2. MUTACIONES EN GENES NUCLEARES
Proteínas estructurales de la cadena respiratoria (= sistema OXPHOS)
-
Complejo I: NDUFS 4, 7, 8:Síndrome de Leigh
NDUFS 2: Encefalomiopatía y cardiomiopatía hipertrófica.
Complejo II: Flavoproteína Síndrome de Leigh
Genes no estructurales
-
Ensamblaje complejo III:
BCS1L Tubulopatía y encefalopatía
Complejo IV:
Surf-1 Síndrome de Leigh
SCO-2 Cardioencefalomiopatía
SCO-1 Encefalopatía / Fallo hapático
COX-10 Síndrome de Leigh and De Toni-Fanconi-Debre
-
Homeostasis e Importe
Frataxina Ataxia de Friedreich
Paraplegina Paraplejía Espástica Hereditaria
DDP Síndrome de sordera-distonía
OPA-1 Atrofia Óptica Dominante
-
Comunicación Intergenómica
Delecciones múltiples: ANT1, PolG, helicasa
Depleción: dGK, TK
MNGIE: TP
Complejo IV: genes de regulación de transporte de proteínas al interior
de la mc.
Comunicación intergenómica:
7
-
ANT-1 saca ATP de la mc.
Timidina fosforilasa interviene en el metabolismo de los nucleótidos.
Encefalomiopatías u oftalmoplejías externas con transmisión mendeliana.
Delecciones múltiples en el núcleo en genes que regulan la homeostasis del
mtDNA.
Ideas importantes:
Patología difícil de dgcar por su variablidad fenotípica y por su peculiar herencia propia.
Es la metabolopatía más frecuente.
A continuación algunas cosillas que venían en la presentación pero que no dio tiempo
en clase y a las que
SD de Leigh: NO CLASE
1.
ENFERMEDAD NEUROLÓGICA PROGRESIVA CON REGRESIÓN PSICO-MOTORA
1.
SIGNOS Y SÍNTOMAS DE DISFUNCIÓN DE TRONCO O GLANGIOS BASALES: PEO,
ataxia, alteraciones respiratorias, nistagmo, distonía, hipotonía y atrofia óptica
1.
AUMENTO DE LACTATO EN SANGRE O LCR
1.
UNO O MÁS DE LOS SIGUIENTES CRITERIOS:
• Neuroimagen típica de LS: hipodensidades simétricas en los ganglios basales en TC o
lesiones hiperintensas en T2 en RMN
• Hallazgos neuropatológicos característicos postmortem
• Neuropatología característica en un hermano afectado de forma similar
•
FACTORES MITOC. RELACIONADOS CON LA CAD. RESP. (NO CLASE)
SPG7: PARAPLEJINA: metaloproteasa mitocondrial: paraplejía espástica
FRATAXINA: proteína de almacenamiento de hierro intramitocondrial; ataxia de Friedreich.
ABC7: exportador de Fe mitocondrial, controlando la generación de proteínas Fe-S citosólicas: Ataxia y
anemia sideroblástica ligada al X
DDP1: Componente del sistema de importación de porteínas transportadoras mitocondriales: Síndrome
sordera-distonía ligado al X
OPA1: Relacionada con las dinaminas; proteínas que generan vesiculas intracelulares rodeadas de
membranas; ad-atrofia óptica y SNPs asociados a glaucoma normotensivo.
TAZ: homologo de fosfolípido aciltransferasas que controla metabolismo de cardiolipina, un componente
de MIM: Síndrome de Barth ligado al X
II-1
Epilepsia
Mioclonía
Ataxia
Debilidad
Neuropatía periférica +
Temblores
Sordera
Histoquímica
muscular
rrf
I
II
RRF RRF RRF ND
COX-
Bioquímica muscular N
MERRF
III-1 III-2 III-3 II-2
+++
+
+++
+
+++
++
++
++
++
+
-
1
2
3
dispersas dispersas
Complejo I
N
N
ND
III
1
2
3
Sujeto de estudio
8
Sujetos oligosintomáticos
4