4.6 Genoma mitocondrial y enfermedades
relacionadas
La mitocondria es un orgánulo de probable origen endosimbióntico que se ha
adaptado a su nicho intracelular: para aumentar su tasa de replicación y
asegurar la transmisión a las células hijas después de cada división mitótica,
el genoma de las mitocondrias de mamíferos se ha ido reduciendo de tamaño hasta
alcanzar las 16.569 kb en el caso del genoma mitocondrial humano. Las
mitocondrias son las verdaderas centrales térmicas de nuestro organismo ya que
en ellas tiene lugar la fosforilación
oxidativa (OXPHOS), es decir, la respiración celular acoplada a la
producción de energía en forma de ATP. El funcionamiento del sistema OXPHOS
tiene, además, importancia médica por la generación de especies reactivas de O2 (Reactive Oxygen Species,ROS)
y por la regulación de la muerte celular programada o apoptosis. Las proteínas
incluidas en el OXPHOS se localizan dentro de la membrana mitocondrial interna, e incluyen: (1)Componentes de la cadena
transportadora de electrones (Cadena respiratoria mitocondrial, CRM);(2) ATPasa de membrana; (3) Translocador de nucleótidos
de Adenina (ANT).
El ADNmt humano es una molécula
circular de 16.569 pares de bases. El número de moléculas de ADNmt
por célula varía entre unos pocos cientos en los espermatozoides a unas 200.000
copias en el oocito, pero en la mayor parte de los tejidos el rango está
comprendidoentre unas 1.000 y 10.000
copias por célula, con 2 - 10 moléculas de ADN por mitocondria. Este
genoma contiene información para 37
genes:
- Genes
que codifican las 2
subunidades 12S y 16S del ARNr (ARN ribosomal) de la matriz
mitocondrial.
- Los
genes para los 22 ARNt (ARN
transferente), requeridos para la síntesis de proteínas mitocondriales en
la misma matriz mitocondrial.
- Genes
que codifican 13 polipéptidos que
forman parte de los complejos multienzimáticos del sistema OXPHOS. En
concreto, en el genoma mitocondrial se codifican 7 subunidades del
Complejo I, 1 subunidad del Complejo III, 3 subunidades del Complejo IV, y
2 subunidades de la ATPasa (Complejo V).
Es importante no perder de vista que el resto de las subunidades
polipeptídicas de estos complejos, así como el Complejo II completo, están
codificados en el genoma nuclear, de manera que no todas las enfermedades
mitocondriales están necesariamente causadas por alteraciones en el ADN
mitocondrial.
La característica estructural más
sorprendente del ADNmt es que los genes se encuentran situados uno a
continuación del otro, sin apenas intrones ni regiones no codificantes entre
los genes. Al contrario que el genoma nuclear, en el que las regiones no
codificantes son mayoritarias,
En la transcripción del ADNmt intervienen una polimerasa de ARN, al
menos un factor de transcripción implicado en la iniciación (mtTFA), y uno de
terminación (mTERF). Las dos cadenas del ADNmt se transcriben completamente a
partir de tres puntos de iniciación
diferentes, dos para la cadena pesada (H1 y H2) y uno para la
cadena ligera (L), originando tres moléculas policistrónicas que se procesan
posteriormente por cortes endonucleolíticos precisos en los extremos 5´ y 3´ de
las secuencias de los ARNt, para dar lugar a los ARNr, ARNt y ARNm maduros. De
esta forma los ARNt, situados entre los genes de los ARNr y ARNm, actúan como
señales de reconocimiento para los enzimas de procesamiento. En particular, la
cadena H se transcribe mediante dos unidades de transcripción solapadas en la
región de los ARNr: la primera de estas unidades comienza delante del gen para
el ARNtPhe (lugar de
iniciación H1), termina en el extremo 3´ del gen para el ARNr 16S y es
responsable de la síntesis de los ARNr 12S y 16S, del ARNtPhe y del ARNtVal. El factor de
terminación (mTERF) se une a una secuencia situada en el gen del ARNtLeu y provoca la terminación de esta
unidad. La segunda unidad de transcripción comienza cerca del extremo 5´ del
gen del ARNr 12S (lugar de iniciación H2) y transcribe la casi totalidad de la
cadena pesada; el procesamiento de este ARN policistrónico origina los ARNm de
12 péptidos y los otros 12 ARNt codificados en esta cadena. La transcripción de
la cadena ligera comienza cerca del extremo 5´ del ARN 7S (en el bucle-D) y da
lugar al iniciador de la replicación de la cadena pesada, 8 ARNt y 1 péptido
(ND6).
La síntesis de las proteínas
mitocondriales tiene
lugar en ribosomas específicos de la mitocondria, cuyos componentes están
codificados en el ADNmt (ARNr 12S y 16S) y en el genoma nuclear (84 proteínas
ribosomales). En este sistema de traducción se sintetizan las trece proteínas
codificadas en el ADNmt utilizando un código genético que difiere
ligeramente del código genético universal. Así, UGA codifica el
aminoácido triptófano (Trp) en vez de ser un codón de terminación, y los
codones AUA y AUU se utilizan también como codones de iniciación.
La biogénesis de la mitocondria depende de la expresión
coordinada de los genomas mitocondrial y nuclear, pero hasta
ahora se conoce muy poco acerca de los mecanismos que regulan la interacción de
ambos sistemas genéticos. La expresión del ADNmt parece estar regulada por el
factor de iniciación de la transcripción mtTFA, codificado en el genoma
nuclear. Este factor podría ser el responsable tanto de los niveles de ARN como
del número de copias de ADNmt, ya que la replicación depende de la síntesis de
un iniciador de ARN a partir del promotor de la cadena ligera. La regulación de
la relación entre los ARNr y los ARNm mitocondriales se realiza fundamentalmente
mediante la selección del lugar de iniciación de la transcripción de la cadena
pesada, que a su vez está relacionada con el factor mtTERF (que causa
terminación de la transcripción después de la síntesis de los ARNr) y con el
procesamiento de los ARN primarios. Asimismo, la actividad transcripcional
puede estar regulada por estímulos hormonales, especialmente por hormonas
tiroideas que actúan tanto de un modo indirecto (por activación de genes
nucleares) como directamente sobre el propio ADNmt.
Las enfermedades mitocondriales
Las enfermedades mitocondriales
son un grupo heterogéneo de alteraciones, 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. La variación en sus
manifestaciones clínicas puede explicarse no solo por la heterogeneidad en las
mutaciones del ADNmt, sino también por mutaciones en el ADN nuclear que
codifica gran parte de las subunidades proteicas de la cadena respiratoria, y
más importante aún, por alteraciones del funcionamiento de las numerosas etapas
que requiere esta cadena, las cuales están codificadas por ADN nuclear. 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. Representan un reto para los médicos y deben
ser tratadas por equipos multidisciplinarios.
Las enfermedades mitocondriales, también conocidas como
encefalomiopatías mitocondriales o afecciones de fosforilación oxidativa, son
un grupo heterogéneo de alteraciones, caracterizadas por un fenotipo complejo
en el que la mayoría de los pacientes presentan encefalopatía y lesiones
musculares, además de que pueden dañarse otros órganos como hígado, riñones,
corazón, retina, médula ósea, nervios periféricos y páncreas.
Las mitocondrias son orgánulos citoplasmáticos encargados de
producir energía en forma de ATP, mediante un sistema denominado OXPHOS y
localizado en su membrana interna; aunque también tienen otras funciones
en la fisiopatología celular, tales como: regulación intracelular de Ca2+,
termogénesis y control de la apoptosis. Son los principales generadores de
especies reactivas del oxigeno en la célula y pueden provocar la muerte celular
por necrosis en condiciones de estrés oxidativo.
Estos orgánulos tienen reproducción intracelular independiente y
contienen su propio genoma, lo cual coadyuva a la complejidad de sus
alteraciones, causadas por mutaciones en los genes nucleares o mitocondriales.
La genética del ácido desoxirribonucleico mitocondrial (ADNmt)
se diferencia de la del ADN nuclear por 4 aspectos fundamentales:
1.
Herencia materna: Las mitocondrias y,
por tanto, el ADNmt , solo se transmiten a través del óvulo, cuyo citoplasma es
mucho más grande que el del espermatozoide que no contribuye con mitocondrias
en la fecundación.
2.
Poliplasmia: En cada célula hay
cientos o miles de moléculas de ADNmt.
3.
Segregación mitótica: Durante la
división celular, las mitocondrias se distribuyen al azar entre las células
hijas.
4.
Alta velocidad de mutación: La tasa
de mutación espontánea del ADNmt es 10 veces mayor que en el ADN nuclear.
El ADN mitocondrial, que se halla empaquetado en una molécula
circular de 16 569 pares de bases, ha sido completamente
secuenciado y se conoce que contiene información para 37 genes: 2 tipos de
ácido ribonucleico ribosomal (ARNr), 22 ARN de transferencia (ARNt) y 13
polipéptidos que son subunidades de enzimas de los complejos de la
fosforilación oxidativa (7 subunidades del complejo I, 1 del complejo III, 3
del complejo IV y 2 del complejo V). El complejo II es codificado completamente
por el ADN nuclear.
La fosforilación oxidativa: proceso mediante el cual se obtiene
energía ATP en la célula a través del sistema generador OXPHOS, que está
compuesto por 5 complejos enzimáticos proteinlipídicos:
I. NADH – ubiquinona oxidorreductosa
II. Succinato – ubiquinona oxirreductosa
III. Ubiquinona – citocromo C oxirreductosa
IV. Citocromo C oxidasa
V. ATP sintetasa
Estas enzimas contienen flavina, coenzima Q10 (biquinona),
grupos hierro-sulfuro, heme y proteína fijadora de cobre. Los complejos I y II recogen
electrones procedentes del metabolismo de carbohidratos, grasas y proteínas y
los transfieren secuencialmente a la co-enzima 10, complejo III y complejo IV.
1.
La variación de las manifestaciones
de las enfermedades mitocondriales pueden ser explicadas no solo por la
heterogenicidad en las mutaciones del ADNmt , sino también por las que se
producen en el ADN nuclear -- que codifica gran parte de las subunidades
proteicas de la cadena respiratoria – y, más importante aun, por alteraciones
del funcionamiento de las numerosas etapas que requiere esta cadena, las cuales
están codificadas por el ADN nuclear.
2.
Transporte de proteínas codificadas
por ADN nuclear del citoplasma a la mitocondria. Se estima que son necesarias
aproximadamente 1 000 proteínas para el adecuado funcionamiento de la
fosforilación oxidativa. Los defectos hereditarios de esta compleja maquinaria
pueden causar enfermedades mitocondriales.
3.
Factores nucleares para el
ensamblamiento correcto de los complejos de la cadena respiratoria. Las
mutaciones de estas proteínas se asocian con las afecciones mitocondriales,
como es el caso del síndrome de Leigh.
4.
La integridad del ADNmt y la
replicación demandan factores codificados en el ADN nuclear. Se han descrito
trastornos de señalización intergenómica, incluidos síndromes asociados con
deleciones en el ADNmt y reducción de este último.
5.
La cadena respiratoria está
¨embebida¨ en la bicapa lipídica de la membrana interna de las mitocondrias.
Las modificaciones de esta bicapa pueden producir cuadros morbosos, como ha
sido descrito en el síndrome de Barth, por síntesis alterada de cardiolipina.
6.
Las mitocondrias se mueven en la
célula, se dividen por fisión y se fusionan entre sí. Si estas funciones
varían, pueden causar enfermedad mitocondrial, como se ha demostrado en la neuropatía
óptica autosómica dominante.
A todo lo anterior se añade que las mitocondrias pueden
lesionarse por al incremento del Ca2+ citosólico, el estrés oxidativo, la
fragmentación de los fosfolípidos a través de la fosfolipasa A2 y de la
esfingomielina, y por los productos de fragmentación lipídicos que proceden de
estos mecanismos, tales como: ácidos grasos libres y ceramidas. La lesión se
manifiesta a través de la formación de un canal de elevada conductancia,
llamado transición de permeabilidad mitocondrial, en la membrana interna de la
mitocondria. 12-16
Las células que más energía requieren en el organismo humano,
son las neuronas y las células, tanto musculares como cardíacas; por tanto,
ante una disfunción mitocondrial se verán gravemente afectadas.
Las neuronas son particularmente sensibles a la disfunción
mitocondrial porque, de hecho, la fosforilación oxidativa las provee de ATP y
la mitocondria, al participar en la homeostasis celular del Ca2+,
interviene decisivamente en la modulación de la excitabilidad neural y la
transmisión sináptica. La disfunción de las mitocondrias por estrés oxidativo
puede generar convulsiones epilépticas. La epilepsia aparece comúnmente en las
enfermedades mitocondriales, particularmente en los síndromes MERRF (epilepsia
mioclónica con fibras rojasrasgadas) y MELAS (encefalomiopatía mitocondrial,
acidosis láctica y episodios parecidos al accidente vascular encefálico)
(Servidei S, Della Marca G. Epilepsia and obstructive sep apnoea in genetically
proven mitochondrial encephalomyopathies.
Como si todo lo anterior fuera poco,
la disfunción mitocondrial ocasionada por estrés oxidativo ha sido implicada en
la patogénesis de enfermedades neurodegenerativas como el síndrome de
Parkinson, la enfermedad de Alzheimer y la ataxia de Friedreich.
Las manifestaciones clínicas de estas afecciones son muy
variadas, de modo que pueden consistir en: deterioro de las funciones mentales,
trastornos motores, cansancio, intolerancia al ejercicio, epilepsia, accidentes
vasculares encefálicos, oftalmoplejía, ptosis palpebral, retinosis pigmentaria,
hipoacusia/sordera, ceguera, cardiopatía, insuficiencia hepática y pancreática,
anemia sideroblástica, seudoobstrucción intestinal, acidosis metabólica y
otras.
Seguidamente se mencionan las enfermedades asociadas a los
defectos nucleares.
Enfermedades asociadas con
mutaciones puntuales
A) Síndrome MERRF (epilepsia mioclónica y fibras rojas
rasgadas): Se caracteriza por epilepsia mioclónica, debilidad proximal, ataxia,
sordera y demencia. El inicio puede ser a cualquier edad y hacerlo con otras
manifestaciones, tales como: neuropatía periférica, degeneración
corticoespinal, atrofia óptica, disfunción multiorgánica con miopatía,
disfunción tubular renal proximal, cardiomiopatía y aumento del ácido láctico.
Se debe a una mutación en el ADNmt.
B) Síndrome MELAS (encefalomiopatía mitocondrial, acidosis
láctica y episodios parecidos a un accidente vascular encefálico): Además de la
tríada que le da nombre, puede haber migraña, vómitos, demencia, epilepsia,
sordera, ataxia, retinosis pigmentaria, cardiomiopatía, disfunción tubular
renal proximal y miopatía. Su inicio ocurre a cualquier edad. Se asocia con la
mutación A-G en el ARNt , en la posición 3243 en 80 % de los casos descritos,
aunque se han notificado otras mutaciones.
C) Síndrome NARP: Se presenta con neuropatía, ataxia y retinosis
pigmentaria, sin fibras rojas rasgadas en la biopsia del músculo. Se asocia a una
mutación en el ADNmt , con transición heteroplástica T-G en la posición 8993.
D) Neuropatía óptica hereditaria de Leber: Puede limitarse a una
atrofia óptica bilateral subaguda o estar asociada a otras manifestaciones, con
distonía. Se inicia entre los 12 y 30 años, predominantemente en varones. La
mutación más comúnmente informada es A-G en la posición 11778 en el gen ND4,
seguida de G-A en el gen ND1, posición 3460.
Enfermedades atribuibles a reorganizaciones del ADNmt por inserciones o deleciones,
o ambas
Se caracterizan por una deleción larga o, más raramente, por una
duplicación de 1,3 a 7,6 kb. Estas mutaciones, esporádicas y heteroblásticas,
se asocian a enfermedades como:
• Síndrome de Kearns-Sayre
• Síndrome de Pearson
• Oftalmoplejía externa progresiva crónica esporádica
• Síndromes leucoencefalopáticos
- Síndrome de Kearns-Sayre y síndromes de oftalmoplejía externa
progresiva crónica (CPEO): Tienen una triada clásica, cuya presencia hace
sospechar una mutación del ADNmt : ptosis, oftalmoplejía y miopatía con fibras
rojas rasgadas. Estas manifestaciones clínicas permiten clasificar a los
pacientes en 3 grupos, de acuerdo con la edad de inicio y la gravedad del
cuadro:
a) Síndrome de Kearns-Sayre: Forma más grave, que comienza antes
de los 20 años con oftalmoplejía externa, retinosis pigmentaria, alteraciones
cardíacas (cardiomiopatías o defectos de la conducción), diabetes mellitas,
sordera, ataxia cerebelosa y proteínas en el líquido cefalorraquídeo por encima
de 1 g/L.
b) Síndrome de Pearson: Comienza más temprana y gravemente en la
infancia con anemia, leucopenia, trombocitopenia y disfunción pancreática
exocrina; puede estar asociado o no con manifestaciones multisistémicas. Los
niños que sobreviven a esta enfermedad, evolucionan hacia el síndrome de
Kearns-Sayre.
c) Oftalmoplejía crónica progresiva externa (CPEO): Se inicia en
la juventud, su gravedad es intermedia y se caracteriza por ptosis bilateral,
oftalmoplejía, debilidad e intolerancia al ejercicio. Su forma dominante está
asociada con mutaciones del ADN nuclear y múltiples deleciones del ADNmt en el
músculo o con mutaciones en el ARNt.
Referencias:
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