i040330

J. MONTOYA, ET AL
I. AVANCES RECIENTES EN GENÉTICA DE LAS EPILEPSIAS
Genética de las epilepsias mitocondriales
J. Montoya, A. Playán, M.ªJ. Alcaine, A. Solano,
P. Fernández-Silva, J.A. Enríquez
THE GENETICS OF MITOCHONDRIAL EPILEPSY
Summary. Introduction. Recently the molecular basis of a series of clinical disorders associated with defects in the oxidative
phosphorylation system (OXPHOS system) leading to ATP synthesis, the final pathway of mitochondrial energy metabolism, has
been established. The polypeptide components of the OXPHOS system are codified in both nuclear and mitochondrial DNA.
Therefore these mitochondrial diseases may be originated by mutations of genes found in both genetic systems. Development.
In recent years, several such neuromuscular diseases have been defined and associated with mitochondrial DNA mutations. One
of the most stiking of these is the syndrome of myoclonic epilepsy with ragged red fibres (MERRF), characterized by myoclonic
epilepsy of maternal inheritance. This disorder is caused by a specific mutation on the mitochondrial tRNALys (position 8344),
which gives rise to a reduction in the level of lysil-tRNALys and thus to premature termination of the translation of proteins
codified in the mitochondrial DNA. [REV NEUROL 2000; 30: 330-2] [http://www.revneurol.com/3004/i040330.pdf]
Key words. Mitochondrial DNA. Mitochondrial diseases. Myoclonic epilepsy and ragged-red fibers. 8344 mutation.
FUNDAMENTOS
DE LA GENÉTICA
MITOCONDRIAL HUMANA
El ADN mitocondrial (ADNmt) humano es una molécula circular de 16.569 pares de bases [1] que contiene 37 genes. Trece de
estos genes codifican subunidades polipeptídicas de los complejos multienzimáticos del sistema OXPHOS (siete subunidades
del complejo I, una subunidad del complejo III, tres subunidades del complejo IV y dos subunidades de la ATP sintetasa
(complejo V) [2]; los otros codifican dos ARN ribosómicos
(ARNr) y 22 ARN de transferencia (ARNt) componentes de la
maquinaria de traducción mitocondrial. El resto de las subunidades polipeptídicas componentes del sistema OXPHOS así como
el complejo II completo están codificados por el genoma nuclear. La mayor parte de los genes codificados en el ADNmt se
encuentran situados uno a continuación del otro sin apenas nucleótidos intermedios ni intrones. Solamente una pequeña región del ADNmt, conocida como bucle de desplazamiento
(bucle-D) y en la que se encuentran los promotores de la transcripción y los elementos reguladores de la expresión del ADN,
no codifica ningún gen. El ADNmt se replica por la acción del
ADN polimerasa γ, de forma unidireccional y asimétrica, utilizando dos orígenes de replicación [3,4], y se transcribe mediante
Recibido: 20.08.99. Aceptado: 09.09.99.
Departamento de Bioquímica y Biología Molecular y Celular. Universidad
de Zaragoza. Zaragoza, España.
Correspondencia: Dr. Julio Montoya. Departamento de Bioquímica y Biología Molecular y Celular. Universidad de Zaragoza. Miguel Servet, 177. E-50013
Zaragoza. Fax: +34 97676 1612. E-mail: [email protected]
Este trabajo ha sido subvencionado por la Dirección General de Enseñanza Superior e Investigación Científica (PB97-1019), Fondo de Investigaciones Sanitarias (98-0049-01) y por la Diputación General de Aragón (P24/97). Abelardo Solano es becario del CONACYT de México
(119894/121963).
 2000, REVISTA DE NEUROLOGÍA
330
tres unidades de transcripción (dos para la cadena pesada y una
para la cadena ligera) que originan tres moléculas policistrónicas; posteriormente, éstas se procesan por cortes endonucleolíticos precisos en los extremos 5' y 3' de las secuencias de los
ARNt, dando lugar a los ARNr, ARNt y ARNm maduros (modelo de puntuación por el ARNt) [5-8]. Los ARNt, situados entre
los ARNr y ARNm, actúan como señales de reconocimiento
para los enzimas de procesamiento. En este proceso interviene
un ARN polimerasa [9], al menos un factor de transcripción
(mtTFA) implicado en la iniciación [10,11] y uno de terminación (mTERF) [12,13]. La síntesis de los péptidos codificados
en el ADNmt se verifica en ribosomas específicos de la mitocondria. Este sistema utiliza un código genético ligeramente diferente del código genético universal.
La genética mitocondrial presenta una serie de caracteres
que son muy importantes para poder explicar muchas de las
peculiaridades de las enfermedades debidas a daños en este
genoma: 1. El ADNmt se hereda exclusivamente por vía materna; 2. La cantidad de moléculas de ADNmt varía entre 1.000 y
10.000 copias por célula dependiendo del tipo de tejido, pero
puede llegar a tener tan sólo unos cientos (espermatozoides) o
unas 100.000 (oocito); 3. En la división celular las mitocondrias se distribuyen al azar entre las células hijas originando
situaciones de homoplasmia o heteroplasmia según tengan una
o más poblaciones de ADNmt distintas, y 4. El fenotipo de una
célula con heteroplasmia dependerá del porcentaje de ADN
dañado existente en la célula, es decir, del grado de heteroplasmia. Si el número de moléculas de ADNmt mutadas es pequeño
se producirá una complementación de la función con las moléculas de ADN normal y no se manifestará el defecto genético.
Sin embargo, cuando el número de copias de ADNmt mutado
sobrepasa un umbral determinado se hará patente un fenotipo
patológico. En otras palabras, cuando la producción de ATP está
por debajo de los mínimos necesarios para el buen funcionamiento de los tejidos aparece la patogenicidad. La velocidad de
mutación espontánea del ADNmt es unas 10 veces superior a la
del ADN nuclear (ADNn) [14].
REV NEUROL 2000; 30 (4): 330-332
XXXVII REUNIÓN ANUAL DE LA LECE
SÍNDROME DE EPILEPSIA MIOCLÓNICA
CON FIBRAS ROJO-RASGADAS
El síndrome de epilepsia mioclónica con fibras rojo-rasgadas
(MERRF, del inglés Myoclonic Epilepsy and Ragged-Red Fibers)
es una enfermedad de herencia materna caracterizada clínicamente
por epilepsia mioclónica, ataxia cerebelar, convulsiones generalizadas y miopatía mitocondrial [15,16]. Otros síntomas adicionales
menos comunes son demencia, sordera, neuropatía periférica, atrofia óptica, fallo respiratorio, cardiomiopatía, debilidad muscular y
lipomatosis. Puede aparecer tanto en la infancia como en edad adulta y es de curso progresivo. Morfológicamente, las biopsias musculares de estos pacientes, teñidas con tricromo de Gomori, presentan
fibras rojo-rasgadas o acumulación de mitocondrias grandes y alteradas. Asimismo, los análisis histoquímicos de estas biopsias muestran fibras negativas a la tinción de la actividad de citocromo c
oxidasa (COX) y los análisis bioquímicos revelan una actividad
enzimática de los complejos respiratorios reducida. En particular,
los complejos más afectados son el I y el IV, pero también se han
encontrado deficiencias en los complejos I, III y IV, o solamente en
el III o en el IV; en todos los casos, en complejos formados en parte
por polipéptidos codificados en el ADNmt.
El 90% de los casos de MERRF están asociados con una
mutación A→G en la posición 8344 del gen del ARNtLys del ADNmt
(A8344G) [17]. En otros casos se han encontrado también diferentes mutaciones en el mismo ARNt. Así, la mutación T8356C [18]
y más recientemente una doble mutación G8363A y A8296G
[19], si bien la segunda puede tratarse de un polimorfismo. Estas
mutaciones están siempre en heteroplasmia y la proporción de
ADNmt mutado varía en los distintos tejidos del paciente, e incluso en los diversos miembros de la familia relacionados por vía
materna [16]. Parece que es necesario que la mutación esté presente en por lo menos un 85% de las moléculas de ADN para que
aparezcan los síntomas de la enfermedad [16,20].
El espectro clínico de enfermedades producidas por mutaciones
puntuales en ARNt mitocondriales puede variar mucho y se pueden
encontrar solapamientos. Así, se han hallado pacientes con caracteres clínicos de MERRF que presentan mutaciones más bien típicas de otros síndromes como la miopatía mitocondrial con acidosis
láctica y episodios similares a ictus (MELAS, del inglés Mitochondrial Myopathy, Encephalopathy, Lactic Acidosis and Stroke-like
episodes), oftalmoplejía progresiva externa, cardiomiopatía, etc.
De este modo, se han asociado a cuadros de epilepsias mioclónicas
las mutaciones en las posiciones 3243, 9957, 4269, 7271, etc.
DIAGNÓSTICO
GENÉTICO DEL SÍNDROME DE MERRF
El diagnóstico genético de las mutaciones puntuales relaciona-
das con el síndrome de MERRF se realiza por RFLP (del inglés
Restriction Fragment Lengh Polymorphism) de productos de
amplificación de una zona del ADNmt que contiene el punto
donde está localizada la mutación. En particular, para la detección de la mutación 8344 se amplifica un fragmento de 108 pb
utilizando como cebadores dos oligonucleótidos (directo, posiciones 8278-8257:5'-CTACCCCCTCTAGAGCCCAC-3', y
reverso, posiciones 8386-8345:5'-GTAGTATTTAGTTGGGGCATTTCACTGTAAAGCCGTGTTGG-3') en los que ha introducido dos cambios, los cuales producirán un emparejamiento erróneo y que crearán un sitio de restricción en presencia
de la mutación [21]. La digestión de este fragmento con el
enzima de restricción BglI origina dos fragmentos de 73 y
35 pb, en caso de que la molécula contenga la mutación.
MODELOS CELULARES PARA EL ESTUDIO
DEL MECANISMO MOLECULAR IMPLICADO
EN LA PATOGENICIDAD DE LA MUTACIÓN
A8344G ASOCIADA A MERRF
La determinación final de que la mutación encontrada en el
ADNmt es patogénica y del mecanismo por el cual esta mutación interfiere a nivel molecular con la fisiología celular se
puede estudiar gracias a una tecnología desarrollada por el
grupo del profesor Attardi en California, según la cual se pueden obtener líneas celulares transmitocondriales formadas por
células normales repobladas con mitocondrias de pacientes con
mutaciones en el ADNmt [22,23]. Para ello, se preparan líneas
celulares inmortalizadas a las que se les ha eliminado el ADNmt por tratamiento con bromuro de etidio. Estas células, denominadas ρ0, se fusionan posteriormente con citoplastos, células a las que se les ha quitado el núcleo, o con plaquetas de un
paciente determinado. Los cíbridos transmitocondriales resultantes contendrán mitocondrias con ADNmt mutado en un
ambiente núcleo-citoplásmico normal. De este modo, se ha
demostrado que la mutación A8344G que causa el síndrome de
MERRF produce una reducción muy marcada de la actividad
respiratoria y de la síntesis de proteínas, apareciendo varios
polipéptidos anormales debidos a terminación prematura de la
traducción [24,25]. El péptido anormal mayoritario, denominado pMERRF, corresponde a una forma truncada de la subunidad 1 de la citocromo c oxidasa, mientras que los otros se
identificaron como fragmentos N-terminales de la subunidad 2
de la NADH deshidrogenasa (complejo I). La aparición de estas
proteínas truncadas se debe a un defecto en la aminoacilación
del ARNtLys, provocada por la mutación A8344G, que hace que
la cantidad de lisil-ARNtLys sea 50-60% menor que en células
normales [24].
BIBLIOGRAFÍA
1. Anderson S, Bankier AT, Barrell BG, de-Bruijn MHL, Coulson AR,
sequences of the human mitochondrial mRNAs. Nature 1981; 290:
Drouin J, et al. Sequence and organization of the human mitochondrial
465-70.
genome. Nature 1981; 290: 427-65.
6. Ojala D, Montoya J, Attardi G. tRNA punctuation model of RNA processing in human mitochondria. Nature 1981; 290: 470-4.
2. Chomyn A, Mariottini P, Cleeter MWJ, Ragan CI, Doolittle RF,
Matsuno-Yagi A, et al. Functional assignment of the products of the
7. Montoya J, Christianson T, Levens D, Rabinowitz M, Attardi G. Identiunidentified reading frames of human mitochondrial DNA. In Quafication of initiation sites for heavy strand and light strand transcription
gliarello E, Slater EC, Plamieri F, Saccone C, Kroon AM, eds. Arin human mitochondrial DNA. Proc Natl Acad Sci USA 1982; 79: 7195-9.
chievements and perspectives of mitochondrial research. Amsterdam:
8. Montoya J, Gaines GL, Attardi G. The pattern of transcription of the
Elsevier Sciences; 1985. p. 257-9.
human mitochondrial rRNA genes reveals two overlapping transcrip3. Kasamatsu H, Vinograd J. Replication of circular DNA in eukaryotic
tion units. Cell 1983; 34: 151-9.
9. Tiranti V, Savoia A, Forti F, D’Apolito MF, Centra M, Racchi M, et
cells. Annu Rev Biochem 1974; 43: 695-719.
al. Identification of the gene encoding the human mitochondrial RNA
4. Shadel GS, Clayton DA. Mitochondrial DNA maintenance in vertebrates. Annu Rev Biochem 1997; 66: 409-35.
polymerase (h-mtRPOL) by cyberscreening of the expressed sequence
5. Montoya J, Ojala D, Attardi G. Distinctive features of the 5’-terminal
tags database. Hum Mol Genet 1997; 6: 615-25.
REV NEUROL 2000; 30 (4): 330-332
331
J. MONTOYA, ET AL
10. Fisher RP, Clayton DA. A transcription factor required for promoter
recognition by human mitochondrial RNA polymerase. J Biol Chem
1985; 260: 11330-8.
11. Fisher RP, Clayton DA. Purification and characterization of human
mitochondrial transcription factor 1. Mol Cell Biol 1988; 8: 3496-509.
12. Kruse B, Narasimhan N, Attardi G. Termination of transcription in
human mitochondria: identification and purification of a DNA binding protein factor that promotes termination. Cell 1989; 58: 391-7.
13. Fernández-Silva P, Martínez-Azorín F, Micol V, Attardi G. The
human mitochondrial transcription termination factor (mTERF) is a
multizipper protein but binds to DNA as a monomer, with evidence
pointing to intramolecular leucine zipper interactions. EMBO J 1997;
16: 1066-79.
14. Brown WM, George JM, Wilson AC. Rapid evolution of animal mitochondrial DNA. Proc Natl Acad Sci USA 1979; 76: 1967-71.
15. DiMauro S, Bonilla E. Mitochondrial encephalomyopathies. In Rosenberg RN, Prusiner SB, DiMauro S, Barchi RL, eds. The molecular and
genetic basis of neurological diseases. Boston: Butterworth-Heinemann;
1998. p. 201-35.
16. Chomyn A. The myoclonic epilepsy and ragged-red fiber mutation
provides new insights into human mitochondrial function and genetics.
Am J Hum Genet 1998; 62: 745-51.
17. Shoffner JM, Lott MT, Lezza AMS, Seibel P, Ballinger SW, Wallace
DC. Myoclonic epilepsy and ragged-red fiber disease (MERRF) is
associated with a mitochondrial DNA tRNALys mutation. Cell 1990;
61: 931-7.
18. Silvestri G, Moraes CT, Shanske S, Oh SJ, DiMauro S. A new mtDNA
mutation in the trans-RNALys gene associated with myoclonic epilepsy
and ragged-red fibers (MERRF). Am J Hum Genet 1992; 51: 1213-7.
19. Arenas J, Campos Y, Bornstein B, Ribacoba R, Martín MA, Rubio JC,
et al. A double mutation (A8296G and G8363A) in the mitochondrial
DNA tRNALys gene associated with myoclonus epilepsy with ragged-red
fibers. Neurology 1999; 52: 377-82.
20. Yoneda M, Miyatake T, Attardi G. Heteroplasmic mitochondrial
tRNALys mutation and its complementation in MERRF patient-derived mitochondrial transformants. Muscle Nerve 1995; (Suppl 3):
S95-101.
21. Zeviani M, Amati P, Bresolin N, Antozzi C, Piccolo G, Toscano A, et
al. Rapid detection of the A G(8343) mutation of mtDNA in Italian
families with myoclonus epilepsy and ragged-red fibers. Am J Hum
Genet 1991; 48: 203-11.
22. King MP, Attardi G. Injection of mitochondria in human cells leads to
a rapid replacement of the endogenous mitochondrial DNA. Cell 1988;
52: 811-9.
23. King MP, Attardi G. Human cells lacking mtDNA: repopulation with
exogenous mitochondria by complementation. Science 1989; 246:
500-3.
24. Enriquez JA, Chomyn A, Attardi G. mtDNA mutation in MERRF syndrome causes defective aminoacylation of tRNALys and premature translation termination. Nat Genet 1995; 10: 47-55.
25. Chomyn A, Meola G, Bresolin N, Lai ST, Scarlato G, Attardi G. In
vitro genetic transfer of protein synthesis and respiration defects to
mitochondrial DNA-less cells with myopathy-patient mitochondria.
Mol Cell Biol 1991; 11: 2236-44.
GENÉTICA DE LAS EPILEPSIAS
MITOCONDRIALES
Resumen. Introducción. Recientemente se ha establecido la base
molecular de una serie de trastornos clínicos asociados a defectos
en el sistema de fosforilación oxidativa (sistema OXPHOS) que
conduce a la síntesis de ATP, la ruta final del metabolismo energético mitocondrial. Los polipéptidos componentes del sistema OXPHOS están codificados tanto en el ADN nuclear como en el mitocondrial, por lo que estas enfermedades mitocondriales pueden
estar originadas por mutaciones en genes localizados en ambos
sistemas genéticos. Desarrollo. En los últimos años se han definido
y asociado varias de estas enfermedades neuromusculares con mutaciones en el ADN mitocondrial. Entre ellas, una de las que más
ha llamado la atención es el síndrome de epilepsia mioclónica con
fibras rojo-rasgadas (MERRF), caracterizado por epilepsias mioclónicas y por presentar un tipo de herencia materna. Esta enfermedad está causada por una mutación puntual en el ARNtLys mitocondrial (posición 8344), que origina una disminución de los niveles
de lisil-ARNtLys y, por consiguiente, una terminación prematura de
la traducción de las proteínas codificadas en el ADN mitocondrial.
[REV NEUROL 2000; 30: 330-2] [http://www.revneurol.com/3004/
i040330.pdf]
Palabras clave. ADN mitocondrial. Enfermedades mitocondriales.
Epilepsia mioclónica con fibras rojo-rasgadas. Mutación 8344.
GENÉTICA DAS EPILEPSIAS
MITOCONDRIAIS
Resumo. Introdução. Recentemente estabeleceu-se a base molecular de uma série de perturbações clínicas associadas a defeitos no sistema da fosforilação oxidativa (sistema OXPHOS),
que conduz à sintese do ATP, a via final do metabolismo energético mitocondrial. Os polipéptidos que compõem o sistema
OXPHOS estão codificados tanto no ADN nuclear como no
mitocondrial, pelo que estas doenças mitocondriais podem ser
originadas por mutações de genes localizados em ambos os sistemas genéticos. Desenvolvimento. Nos últimos anos definiramse e associaram-se várias destas doenças neuromusculares com
mutações do ADN mitocondrial. De entre elas, uma das que
mais chamou a atenção foi a epilepsia mioclónica com fibras
rubras-rasgadas (MERRF), caracterizada por epilepsia mioclónica e por apresentar um tipo de hereditariedade materna.
Esta doença é causada por uma mutação pontual no ARNtLys
mitocondrial (posição 8344), que origina uma diminuição dos
níveis de lisil-ARNtLys e, por tanto, uma terminação prematura
da tradução das proteínas codificadas no ADN mitocondrial.
[REV NEUROL 2000; 30: 330-2] [http://www.revneurol.com/
3004/i040330.pdf]
Palavras chave. ADN mitocondrial. Doenças mitocondriais. Epilepsia mioclónica com fibras rubras-rasgadas. Mutação 8344.
332
REV NEUROL 2000; 30 (4): 330-332