ADN Mitocondrial y Enfermedades Humanas: Investigación

Águila Xóchihua Paola Verónica
Asunto: Investigación
ADN MITOCONDRIAL Y ENFERMEDADES EN EL SER HUMANO
La mitocondria es un orgánulo cilíndrico rodeado de membrana de longitud y que son las
encargadas de proporcionar energía a la célula gracias al proceso de fosforilación oxidativa.
El ADN mitocondrial fue descubierto por Margit M. K.Nass
y Slvan Nass utilizando
microscopia electrónica y un sensitivo al ADN mitocondrial.
El ADN mitocondrial (mtADN) es una pequeña estructura circular de doble cadena de
aproximadamente 16 500 pb. El genoma mitocondrial (ADNmt o mADN) se reproduce por sí
mismo semi-autónomamente cuando la célula eucariota se divide.
En mamíferos, el mtADN constituye aproximadamente el 1% del ADN total de la célula. La
mitocondria contiene múltiples copias de ADN, normalmente distribuidas en varias
agrupaciones .La secuencia de mtADN humano consiste en 16 569 pb y contiene 37 genes.
Treinta genes codifican proteínas que son subunidades de factores esenciales para el
mantenimiento de la síntesis de ATP mitocondrial. Los 24 genes restantes codifican el ARN
específicos de la mitocondria: dos ribosomas y 22 ARN de transferencia son capaces de leer
todo el código genético, y 13 polipéptidos que forman parte de cuatro de los cinco complejos
multienzimáticos del sistema de fosforilación oxidativa (sistema Oxphos), etapa terminal de la
ruta de producción de ATP.
Estos péptidos corresponden a siete subunidades (ND1, 2, 3, 4, 4L, 5, 6) del di nucleótido de
nicotinamida y adenina reducido (NADH): ubiquinona óxido-reductasa (complejo I); una
subunidad (cyt b) de la ubiquinol: citocromo c óxido-reductasa (complejo III); tres subunidades
(CO I, II, III) de la citocromo c oxidasa (complejo IV), y dos subunidades de la ATP si ntetasa
(complejo V).
El resto de los polipéptidos componentes de estos
complejos, así como el complejo II completo, están
codificados en el DNA nuclear. La biogénesis de este
sistema constituye un caso único en la célula ya que
para su formación se requiere la expresión
coordinada de los dos sistemas genéticos.
Las dos cadenas del mtADN reciben el nombre de
cadena L (ligera o light) y
cadena H (pesada o heavy) atendiendo a su
coeficiente de sedimentación.
La mayor parte de las secuencias codificantes (28
genes) se encuentran
en la cadena H.
Estas secuencias se distribuyen en esta cadena de
forma
muy
compactada,
llegando
incluso Imagen I. ADN mitocondrial tiene una estructura de
cadena circular compuesta (normalmente) por 16.569
asolaparse.
eslabones de bases nucleicas. Estas bases nucleicas (o
simplemente bases) pueden ser cuatro tipos de
moléculas, llamadas adenina, citosina, timina y guanina, y
representadas por sus iniciales A, C, T y G. Así, cuando
se quiere representar la secuencia completa del ADN
mitocondrial de una persona, se indica la posición y la
base, por ejemplo, 1G 2A 3T 4C 5A 6C 7A 8G 9G 10T...
La región mayor no codificante, conocida como región control o D-Loop, ocupa 1122 pares de
bases y se sitúa entre el gen que codifica para el RNA de transferencia de la prolina y el de la
fenilalanina. En la región control se localizan el origen de replicación de la cadena H, los
promotores para la transcripción de las dos hebras (PL y
PH), dos lugares de unión de factores de transcripción (Tfam), tres bloques de secuencias
conservados asociados con el inicio de la replicación (CSBI, II y III) y las secuencias asociadas
a la terminación de cadenas (TAS).
Tres características convierten al mtADN en una herramienta especialmente útil en la
reconstrucción del pasado reciente de las poblaciones humanas:
- La Poliplasmia: Elevado número de copias de mtADN que existe en cada mitocondria y, por
extensión, en la célula. En el interior de la mitocondria el ADN mitocondrial se encuentra unido
a ciertas proteínas (binding proteins), formando un complejo denominado nucleoide.
Una mitocondria puede contener entre 2 y 10 de esas estructuras, por lo que el número de
copias de mtADN por célula oscila entre 1000 y
10000.
- Herencia materna: El DNA mitocondrial se transmite de forma no mendeliana por línea
materna. En hombres y mujeres lo tienen, son únicamente las mujeres quienes lo transmiten a
la descendencia. Esto se debe a que el citoplasma celular del zigoto, donde se localizan las
mitocondrias, procede del óvulo. Los espermatozoides contienen un gran número de
mitocondrias en la cola, pero raramente sobreviven a la primera división celular.
- Elevada tasa de cambio molecular: Su tasa de evolución es mucho más rápida hasta 10
veces que la del genoma nuclear (BROWN 1980).
Usos:
El ADN mitocondrial puede ser usado para identificar individuos junto con otra evidencia.
También es usado por laboratorios forenses para identificar viejas muestras de esqueleto
humano. Distinto que el ADN nuclear, el ADN mitocondrial no sirve para identificar individuos,
pero si para identificar grupos de individuos, es usado entonces para aceptar o rechazar
comparaciones entre personas perdidas y restos no identificados.
La herencia del ADN mitocondrial.
Imagen II. Secuencia del ADN mitocondrial por
vía materna
La herencia del ADN mitocondrial ocurre
estrictamente por vía materna, es decir, que el
ADN mitocondrial que todos los humanos
tenemos es el de nuestra madre. Esto es porque
en la fecundación, al fusionarse el óvulo materno
y el espermatozoide paterno, sólo el óvulo tiene
mitocondrias (el espermatozoide las tiene en la
cola, que se queda fuera del óvulo al
fecundarlo).Hay un fragmento en este genoma de
400pb (pares de bases) que son altamente
polimórfico, podemos considerar que este
ADN permanece inalterable por esta vía durante
muchísimos años. Este ADN se puede obtener de
muestras de cualquier tejido, incluso de la sangre
y del tejido óseo. Si se puede obtener de huesos;
podríamos obtener este genoma de individuos ya
muertos desde hace muchos años.
El análisis de éste se usa para estudiar las relaciones filogenéticas; y no sólo en humanos
sino, también en muchos otros organismos; por lo que se podría utilizar para
determinar variabilidad en poblaciones naturales (para ver si hay o no endogamia), utilizándose
también en conservación de especies en peligro de extinción.
La secuencia de nuestro ADN mitocondrial es idéntica a la de nuestra madre, y a la de la madre de
nuestra madre, y a la de nuestros hermanos y hermanas, las hermanas y hermanos de nuestra
madre... y cualquier otro pariente que tengamos por línea materna. El ADN mitocondrial se utiliza a
menudo para determinar parentescos por línea materna.
ENFERMEDADES DEL ADN MITOCONDRIAL EN EL SER HUMANO
Las enfermedades mitocondriales son anormalidades en el metabolismo energético que se han
relacionado a alteraciones
del ácido desoxirribonucleico
de la mitocondria
(ADNmt).Son caracterizadas por un fenotipo complejo en el que la mayoría de los pacientes
presentan encefalopatía y pueden afectarse los músculos y otros órganos como corazón,
hígado, riñones, retina, médula ósea, nervios periféricos y páncreas.
Luft en 1962 describió las anormalidades mitocondriales y del metabolismo energético, y
Gottfried Schatz de la Universidad de Basilea, Suiza, descubriera en 1963 el ADNmt.
En 1988 se describieran las primeras enfermedades causadas por daños en el mtADN, se han
encontrado más de 150 mutaciones asociadas a enfermedades humanas.
Las enfermedades originadas por daños en el genoma mitocondrial tienen en común el estar
producidas por una deficiencia en la biosíntesis de ATP, ya que toda la información que contiene
este DNA está dirigida a la síntesis de proteínas componentes del sistema Oxphos. Las
manifestaciones de estas enfermedades son muy variadas y pueden afectar a todos los órganos
y tejidos, ya que la síntesis de ATP se produce en todos ellos y a cualquier edad. La mayor
parte de los casos, principalmente en edad pediátrica, los síntomas son muy poco informativos
y es sólo la presencia de anormalidades neurológicas, a veces acompañadas de aumento de
ácido láctico y de otros síntomas clínicos secundarios que afectan a diversos órganos, lo que
da alguna orientación en el diagnóstico de una enfermedad mitocondrial.
Entre las manifestaciones clínicas más comunes se encuentran una o varias de las siguientes:
desórdenes motores, accidentes cerebrovasculares, convulsiones, demencia, intolerancia al
ejercicio, ptosis, oftalmoplejia, retinopatía pigmentaria, atrofia óptica, ceguera, sordera,
cardiomiopatía, disfunciones hepáticas y pancreáticas, diabetes, defectos de crecimiento,
anemia sideroblástica, pseudo obstrucción intestinal, nefropatías, acidosis metabólica y otras
más secundarias. La presencia de uno o más de estos síntomas requiere a continuación de un
estudio morfológico, histoquímico y bioquímico para asegurar la naturaleza de estas
enfermedades.
Así, con mucha frecuencia se encuentran: fibras rojo-rasgadas (acumulación de mitocondrias
anormales en tamaño y número) en biopsias musculares teñidas con tricromo de Gomori y
fibras no reactivas a la tinción histoquímica de la citocromo c oxidasa; defectos en uno o varios
complejos de la cadena respiratoria; y desarreglos metabólicos con elevación de lactato,
piruvato o una aminoaciduria generalizada causados por una disfunción de la cadena
respiratoria que conlleva un aumento de equivalentes reductores en la mitocondria y citoplasma,
y una alteración del funcionamiento del ciclo de Krebs debido al exceso de NADH, lo que
provoca una acumulación de piruvato y su posterior conversión a lactato que difunde a la
sangre.
Su diagnóstico requiere del reconocimiento previo de la presentación clínica y se apoya
fundamentalmente en la biopsia de músculo y los estudios moleculares para buscar las
mutaciones en el ADNmt.
Imagen III. Enfermedades causantes por la mutación del AD mitocondrial.
 ENFERMEDAD DE PARKINSON (EP): Cuadro clínico descrito en 1817 por James
Parkinson en su Ensayo sobre la Parálisis Agitante merece el nombre de enfermedad de
Parkinson. La presencia simultánea de hipertonía de un tipo especial la presencia
simultánea de hipertonía de un tipo especial, de acinesia y de temblor en reposo, que aparece
típicamente en la segunda mitad de la vida, su evolución es de progresión lenta y se producen
lesiones anatómicas que van a afectar selectivamente a la SN del mesencéfalo.
Su diagnóstico es clínico y su confirmación es anatomopatológica. Macroscópicamente con
la despigmentación de la SN y microscópicamente con los depósitos de Fe en dicho núcleo y
la presencia de cuerpos de inclusión citoplásmicos, los llamados cuerpos de Lewy que tienen
como principal componente una proteína malformada y agregada, la α-sinucleina.
Los síntomas son disminución de movimientos automáticos; dificultad para deglutir y babeo;
alteración del equilibrio y la marcha; falta de expresión facial; dolores musculares; problemas
con el movimiento; rigidez muscular con resistencia en rueda dentada; temblores; habla más
tranquilo y lento; postura encorvada; seborrea; depresión, ansiedad, estrés y tensión, confusión
y demencia. El líquido cefalorraquídeo (LCR) se encuentra una disminución en los sistemas de
defensa antioxidante y bajo contenido de glutatión reducido (GSH).

ENFERMEDAD DE ALZHEIMER :
Es un síndrome de deficiencia cognoscitiva definido por
los criterios del DSM-IV como un deterioro de la memoria y al
menos una de las siguientes alteraciones: trastornos del
lenguaje o afasia, pérdida de adquisiciones motoras o apraxia,
del reconocimiento de texturas, sonidos, formas, caras o
agnosia y finalmente de las funciones ejecutivas que
son abstracción, secuenciación y planeación. Su progresión se
asocia a cambios bioquímicos como el déficit colinérgico, el
daño metabólico neuronal derivado de la excito toxicidad por
glutamato y el estrés oxidativo. La característica
neuropatológica de la enfermedad es la presencia de
agregados extra neuronales de β amiloide, las cuales forman a
las placas seniles (PS) o placas neuríticas y además las
estructuras interneuronales, llamadas marañas neurofibrilares
o NFT´s, que son el resultado de la fosforilación anormal de la
proteína tau, la cual se encuentra asociada a los microtúbulos.

Imagen V.
(ELA).
Esclerosis lateral amiotrófic a
Imagen
IV. Forma especializada de tomografía
por emisión de positrones utiliza un marcador
químico llamado Compuesto de Pittsburg (PiB) que
se inyecta en una vena del brazo antes de la
exploración. Una vez que el compuesto ingresa al
cerebro, se une a los depósitos de amiloide, el signo
revelador del cerebro de la enfermedad de Alzheimer
a la derecha, de una persona con la enfermedad. La
prueba puede ser útil para el diagnóstico más rápido
de la enfermedad de Alzheimer, las exploraciones de
(PiB).www.health.harvard edu / brain-imaging
 ESCLEROSIS LATERAL AMIOTRÓFICA (ELA)
Es una enfermedad neurodegenerativa de progresión rápida
con pérdida de motoneuronas superiores e inferiores la cual
es considerada la principal característica patológica y la
causa de los signos clínicos que presentan los pacientes. El
cuadro clínico de ELA se caracteriza por debilidad muscular
combinada con espasticidad, hiperreflexia y signo de
Babinski debida a la afectación de motoneuronas
superiores, amiotrofia, calambres y faciculaciones por
afectación de motoneuronas inferiores.
La muerte en estos pacientes se produce fundamentalment e
por colapso de la función respiratoria, incluyendo hipoxia,
arritmias cardíacas e infecciones bronco-pulmonares ,
aproximadamente tres años posteriores a la aparición de los
síntomas.
En la actualidad, el diagnóstico de ELA se define como
probable, posible o definido (cierto) a partir de los criterios
revisados en “El Escorial”. Estos criterios se basan en la
presencia de signos clínicos o electrofisiológicos de afección
de las motoneuronas central o periférica (también llamada
superior o inferior) en cuatro diferentes territorios: bulbar,
cervical, torácico y lumbar.

Enfermedad de Huntington: Es un
trastorno
neurodegenerativo,
autosómico
dominante caracterizado por movimientos
involuntarios como la corea, así como anomalías
del movimiento voluntario. Hay pérdida
cognoscitiva y trastornos psiquiátricos. Las
neuronas espinosas medianas del estriado son
las que degeneran y tiende a generalizarse con
el
paso
de
los
años.
La
atrofia estriatal determinada por estudios de
neuroimagen apoya el diagnóstico.

Imagen VI. Resonancia magnética .Estas imágenes pueden
revelar cambios estructurales en lugares particulares del
cerebro afectados por la enfermedad de Huntington que
proporcionan imágenes detalladas de las estructuras del
cerebro.
Neuropatía óptica hereditaria de Leber. La neuropatía óptica hereditaria de Leber (LHON) se
caracteriza por la pérdida bilateral de la visión central, originada por atrofia del nervio óptico. Aparece en la
segunda o tercera década de la vida y afecta a más hombres que a mujeres. Aunque normalmente sólo la
visión está afectada, hay casos en los que también aparecen trastornos en la conducción cardiaca, neuropatía
periférica y ataxia cerebelar.
El diagnóstico se basa en un examen oftalmoscópico. También son signos de la LHON: inflamación de la
papila óptica, tortuosidad vascular, telangiectasias peri papilares, microangiopatía y escotomas centrales en
estudio del campo visual.
Imagen VII. Tomografía de coherencia
óptica (TCO) confirma la inflamación de la
capa de fibras nerviosas de la retina.

Síndrome de neuropatía, ataxia y retinopatía pigmentaria.
Este síndrome está caracterizado por debilidad muscular neurogénica, ataxia y retinitis pigmentosa. Suele ir
acompañado de demencia, convulsiones y neuropatía sensorial axonal, presenta una herencia materna y se
ha asociado a una mutación puntual, T8993G, en el gen de la subunidad 6 de la ATPasa (cuadro I). La mutación
aparece normalmente en forma heteroplásmica y en todos los tejidos estudiados: leucocitos, fibroblastos,
músculo, riñón y cerebro. Existe una alta correlación entre la proporción del DNA mutado y la severidad de la
enfermedad.
Síndrome de Leigh de herencia materna.
El síndrome de Leigh de herencia materna (MILS) es
una enfermedad muy heterogénea que se puede
presentar asociada a diferentes tipos de herencia,
autosómica recesiva, ligada al cromosoma X o
materna (mitocondrial) según el gen que esté
dañado. Es una enfermedad devastadora que se
caracteriza
por
trastornos
degenerativos
multisistémicos que aparecen en el primer año de
vida, disfunciones del tallo cerebral y de los ganglios
basales, desmielinización, regresión psicomotora,
retraso en el desarrollo, ataxia, convulsiones,
neuropatía periférica. El diagnóstico se confirma por
la presencia de lesiones necróticas cerebrales
focales en el tálamo, tallo cerebral y núcleo dentado.
La forma de la enfermedad, que se hereda por vía
materna, está producida por la mutación en el gen de
la subunidad 6 de la ATPasa, T8993G, la misma que
produce el síndrome de neuropatía, ataxia y
retinopatía pigmentaria, pero con un porcentaje de la
mutación superior a 90%.
Imagen VIII. Resonancia magnética del cerebro que muestra las lesiones
en los ganglios basales y el tronco cerebral, a menudo asociadas con
anormalidades de la sustancia blanca del cerebro (leucodistrofia) y atrofia
cerebral, o una tomografía computadorizada mostrando áreas de baja
densidad (hipodensidades) simétricas y a los dos lados, en estructuras del
cerebro llamadas ganglios basales .

Imagen IX. Biopsia muscular, que revela la
presencia de fibras musculares negativas a la
citocromo c-oxidasa y de fibras rojas rasgadas.

Síndrome de epilepsia mioclónica
con fibras rojo-rasgadas (MERRF).
Este síndrome de herencia materna,
caracterizado por epilepsia mioclónica,
convulsiones generalizadas y miopatía con
presencia de fibras rojorasgadas. Otros
síntomas clínicos son demencia, sordera,
neuropatía, atrofia óptica, fallo respiratorio y
cardiomiopatía. Aparece tanto en la infancia
como en edad adulta y es de curso
progresivo. Está asociado a la presencia de
mutaciones en el gen del mtADN para el
tRNALys.
Síndrome de encefalomiopatía mitocondrial con acidosis láctica y episodios de
accidentes cerebro-vasculares (MELAS). Encefalomiopatía mitocondrial, de herencia
materna, caracterizada por accidentes cerebrovasculares producidos a edad temprana que
provocan una disfunción cerebral subaguda y cambios en la estructura cerebral, y por acidosis
láctica. Estos caracteres suelen ir acompañados de convulsiones generalizadas, dolor de
cabeza, sordera, demencia y, a veces, presenta fibras rojo-rasgadas. Esta enfermedad ha sido
asociada fundamentalmente con mutaciones en el gen del tARNLeu (UUR) del mtADN. Al igual
que en la epilepsia mioclónica, las mutaciones en el Tarn dañan la síntesis de proteínas
mitocondriales.

Diabetes de herencia materna con sordera. Está producida por la mutación en el gen
del tARNLeu(UUR), la descrita para el síndrome de (MELAS). La frecuencia de diabetes y
sordera es aproximadamente de un 1.5% de la población diabética total 74.La diabetes es una
de las enfermedades que se han descrito asociadas a otros síndromes mitocondriales como
la encefalomiopatía mitocondrial, oftalmoplejia progresiva externa crónica, Kearns-Sayre,
Pearson y diabetes insípida, diabetes mellitus, atrofia óptica y sordera (DIDMOAD).
Enfermedades asociadas a reorganizaciones en el DNA mitocondria
Las mutaciones puntuales, el mtADN puede sufrir otro tipo de daños como son la pérdida de
parte del mismo o la adición de un nuevo fragmento del DNA (duplicaciones), que afectan a la
biogénesis del sistema Oxphos y, a la síntesis de ATP. Este tipo de mutaciones suelen ser
espontáneas, probablemente causadas por daños en genes nucleares que controlan la
replicación del mtADN, aunque hay descritos casos de herencia materna.

Síndrome de médula ósea-páncreas de Pearson.
Enfermedad que aparece en los primeros años de vida y que afecta a la hematopoyesis y a la
función pancreática exocrina. Las características clínicas más comunes son anemia
sideroblástica con vacuolización de precursores de la médula ósea que se manifiesta con una
anemia macrocítica, trombocitopenia y neutropenia. Los niños afectados suelen morir antes de
los tres años de edad y los que sobreviven suelen desarrollar posteriormente el fenotipo de
Kearns-Sayre.

Oftalmoplejia progresiva externa crónica: Esta enfermedad está caracterizada
por oftalmoplejia, ptosis bilateral de los párpados y miopatía. Se caracteriza por intolerancia
al ejercicio y debilidad muscular. En el músculo se encuentran fibras rojo-rasgadas COX
negativas. Es una enfermedad benigna que suele aparecer en la adolescencia o en adultos
jóvenes.

Síndrome de Kearns-Sayre: Este síndrome es, por otra parte, una enfermedad
multisistémicos progresiva caracterizada clínicamente por CPEO, retinopatía pigmentaria
atípica, ataxia, miopatía mitocondrial, bloqueo de la conducción cardiaca, elevados niveles
de proteína CSF (fluido cerebro espinal, por sus siglas en inglés), sordera y demencia.
Aparece antes de los 20 años de edad.

Zhang, H., J. M. Pompey y U. Singh (2011), “RNA Interference in Entamoeba Histolytica:
Implications for Parasite Biology and Gene Silencing”, Future Microbiology, 6, 103-117.

Playán A. Diagnóstico molecular de enfermedades del DNA mitocondrial (tesis Doctoral).
Zaragoza: Universidad de Zaragoza, 1999.

Johns DR, Neufeld MJ, Park RD. An ND-6 mitochondrial DNA mutation associated with
Leber hereditary optic neurtopathy. Biochem Biophys Res Commun 1992; 187:15511557.

Brown MD, Voljavec AS, Lott MT, Torrini A, Yang CC, Wallace DC. Mitochondrial DNA
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neuropathy. Genetics1992; 130:163-173.

Jun AS, Brown MD, Wallace DC. A mitochondrial DNA mutation at nucleotide pair 14459
of the NADH dehydrogenase subunit 6 gene associated with maternally inherited Leber
hereditary optic neuropathy and dystonia. Proc Natl Acad Sci USA 1994; 91:6206-6210.