CADENA RESPIRATORIA MITOCONDRIAL 5 COMPLEJOS > 100 POLIPEPTIDOS DNA mitocondrial (13 polipéptidos) DNA nuclear MUTACIONES ( mitocondriales 10-20 veces más frecuentes) ENFERMEDADES HERENCIA •AUTOSÓMICAS •MATERNALES •ESPORÁDICAS Incidencia 1 en 5.000 AMPLIO RANGO DE PRESENTACIONES CLÍNICAS ANTECEDENTES 1962: Primer caso. Joven sueca que presentaba un estado hipermetabólico no tiroideo con mitocondrias estructuralmente anormales y con la función de la CR alterada (hoy: enf de Lufts). ’60-’80: Enfermedades de la cadena respiratoria asociadas con desórdenes neuromusculares que presentaban RRFs en secciones de músculo teñidos con la tinción de tricromo-Gomorri modificada, mitocondrias estructuralmente anormales y disfunción de los complejos enzimáticos de la CR. 1963: Se descubre el DNA mitocondrial. 1980: principios básicos de la genética mitocondrial y determinación de la secuencia completa del DNA mitocondrial. 1988: primera mutación patogénica del DNA mitocondrial. ’90: se reportan más de 100 mutaciones patogénicas del DNA mitocondrial asociadas con un amplio rango de fenotipos. HOY: Enfermedad de la CR: asociadas a un enorme espectro de desordenes clínicos y no confinadas a desordenes neuromusculares con RRFs, mitocondrias estructuralmente anormales y disfunción de los complejos enzimáticos de la CR. Una de las clases más comunes de enfermedades degenerativas. R. Luft (1914–2007) G. Milton Shy (1919–1967) Anita Harding (1952–1995) En la MITOCONDRIA las deshidrogenasas unidas a NADH son: la piruvato deshidrogenasa, las enzimas del ciclo de Krebs (isocitrato, -cetoglutarato y la malato deshidrogenasa), las enzimas del ciclo de oxidación de los ácidos grasos (3-OH acilCoA deshidrogenenasas) y la glutamato deshidrogenasa que funciona en el catabolismo de aa y la -hidroxibutirato deshidrogenasa que participa en la formación de cuerpos cetónicos. En el CITOSOL las deshidrogenasas más importantes unidas a NAD son las enzimas glicolíticas: gliceraldehido-fosfato deshidrogenasa y lactato deshidrogenasa. Aspartato transaminasa citosolica Malato deshidrogenasa CADENA H: 12 S y 16 S rRNAs, 14 tRNA, y 12 genes de subunidades de la CR. CADENA L: 1 gen de una subunidad de la CR y 8 tRNAs. GENETICA MITOCONDRIAL La mitocondria tiene una genética singular como resultado de su alto numero de copias y su localización citoplasmática. 1. HERENCIA MATERNAL: 2. SEGREGACIÓN REPLICATIVA 3. EFECTO UMBRAL: 4. ALTA VELOCIDAD DE MUTACIÓN DEL DNA MITOCONDRIAL RELATIVA AL DNA NUCLEAR: 5. ACUMULACIÓN DE MUTACIONES DEL DNA MITOCONDRIAL SOMATICAS Y DEL ENVENJECIMIENTO: CURSO DEGENERATIVO La velocidad del declive en la capacidad generativa de ATP de los pacientes depende de: •la patogeneicidad de la mutación del mtDNA heredado •el % del mt DNA mutado en individuos heteroplásmicos •acumulación de mutaciones somáticas con la edad •insultos del medio ambiente CLASIFICACION GENETICA 1. 2. 3. 4. MUTACIONES del mtDNA MUTACIONES del nDNA: múltiples deleciones y depleciones del mtDNA MUTACIONES del nDNA codificantes de subunidades de la CR MUTACIONES del nDNA codificantes de proteínas que participan indirectamente en la CR a. Defectos en el importe de proteínas mitocondriales b. Defectos en la dinámica mitocondrial c. Defectos en el entorno lipídico de la membrana mitocondrial. MUTACIONES del mtDNA: incidencia en conjunto de 1/5000 1/200 muestras de cordones portan mutaciones patogénicas pero la mayoría con un % menor al patogénico NEUROPATIA ÓPTICA HEREDITARIA DE LEBER (LHON) Primer enfermedad descripta con una mutación puntual del mtDNA (1988). Pérdida indolora de la agudeza visual central entre 12-30 años. 11 mutaciones asociados con LHON. MUTACION 11778: es la causa más común de LHON (50-70 % Europa y 90 % Japón). Arg --> Hist en ND4 del complejo I. Theodor Karl Gustav von Leber ) (1840–1917 MUTACION 3460: 2º causa más común. Ala -->Treo en ND1 del complejo I . 15-25 % de los casos de LHON. MERRF: enf de fibras rojas rotas y epilepsia Caracterizada por epilepsia mioclónica progresiva, miopatía mitocondrial con RRFs y demencia progresiva lenta. Comienzo de síntomas en la infancia tardía (después de los 10 años) a la adultez. En el 80-90 % = mutación pb 8344 heteroplásmica en el gen tRNALys (identificada en 1990). Otra pb 8356. Actividad del Complejo I y IV => sintesis mitocondrial ya que estos complejos tienen el mayor número de subunidades codificadas por el mt DNA. RED RAGGED FIBERS: Tinción de GOMORRI El amplio rango de manifestaciones clínicas están asociados con la capacidad generante de ATP. MELAS: encefalomiopatia mitocondrial, acidosis láctica y episodios tipo Strokes: Es una enfermedad neurodegenerativa progresiva que esta caracterizada por episodios tipo Strokes (abolición de la función cerebral generalmente por embolia) y una miopatía mitocondrial. 80 %: mutación en el pb 3243 del gen de tRNALeu 7.5%: mutación en el pb 3271 del mismo gen. Los pacientes pueden ser normales hasta el primer episodio de Stroke, el cual ocurre entre los 5-15 años. Alternativamente, pueden presentar en la infancia una amplia variedad de anormalidades en el desarrollo cognitiva y motor. En las áreas afectadas por el Stroke se observa perdida neuronal, desmielinización y proliferación astrocítica. NARP: RETINOPATIA PIGMENTARIA Y NEURODEGENERACION: Degeneración retinal pigmentaria asociada con grados variables de disfunción neurológica. Mutación en el pb 8993 del gen que codifica para la ATPasa 6 Leu --> Arg Una mutación en el mismo gen pero Leu --> Pro: Enfermedad de Leight (fenotipo más severo): encefalomiopatia necrozante subaguda. Asociado con lesiones neuropatológicas características. Edad de comienzo: 1.5 años Muerte: 5 años Manifestaciones clínicas: variables según % de DNA mutado. Denis A. Leigh (1915–1998) MUTACIONES del nDNA: múltiples deleciones y depleciones del mtDNA. Mutaciones en genes nucleares codificantes de proteínas que participan en mantenimiento y expresión del mtDNA Las deleciones del mtDNA generalmente salvan los orígenes de replicación, OH y OL definiéndose así dos arcos:. Más del 90 % de las deleciones ocurren en el arco mayor, el cual contiene 2/3 del genoma. De las 100 diferentes deleciones reportadas en el arco mayor, la más común es la de 4.9 kb en el 50 % de los casos. Pacientes con prominente defecto en la síntesis mitocondrial. Las deleciones ocurren durante la embriogénesis y aumentan con la edad => curso degenerativo progresivo. Thomas P. Kearns (ophthalmologist, 1922–) and George P. Sayer (pathologist, 1911–1992) KSS:SINDROME DE KEARNS-SAYRE: comienzo antes de los 20 años: oftalmoplejía, atípica retinitis pigmentaria, miopatía mitocondrial. CPEO: OFTALMOPLEJÍA EXTERNA PROGRESIVA CRONICA: comienzo después de los 20 años. La mayoría asociada mutaciones autosómicas dominantes o recesivas en 3 genes: POLG1 (subunidad catalítica de la enzima replicante, polimerasa del mtDNA), PEO1 (codificante de Twinkle helicasa del mtDNA) y ANT1 (el traslocador de adenin-nucleótidos específico de musculo y corazón) KSS y CPEO: debido a duplicaciones del mt DNA. Involucran la insersión de un fragmento de mt DNA dentro del genoma del mt DNA. Son heteroplásmicas. Clínicamente indistinguibles de los pacientes con deleciones. Encefalopatía mitocondrial neurogastrointestinal (MNGIE) Desorden multisistémico devastante. Mutación en la enzima(TP) que controla el pool de trifosfato de deoxiribonucleotido que afecta la replicación del mtDNA. Se observan múltiples deleciones y depleciones del mtDNA. Síndrome de depleción del mtDNA (MDS) Reducción en el número de copias de mtDNA. Han sido registradas mutaciones en 9 genes: (TP, PEO1, dGUOK, POLG1, SUCLG1, MPV17, y RRM2B, TK2, SUCLA1). Proteínas involucradas en la homeostaisis del pool de nucleótidos mitocondriales. Sindrome de Pearson: Deleciones. Afecta predominantemente la médula ósea. MUTACIONES del nDNA codificantes de subunidades (proteínas o no) de la CR Disfunción de proteínas 1. 2. 3. Mutaciones en subunidades de complejo II: Mutaciones en la subunidad VII de complejo III. Mutaciones en la subunidad COX6B1 de complejo IV:. Disfunción de no proteínas Mutaciones en los genes de la biosíntesis de coenzima Q10 Es muy importante identificar este desorden ya que este desorden se puede curar por tratamiento con coenzima Q10 . MUTACIONES del nDNA codificantes de proteínas que participan indirectamente en la CR a. Defectos en el importe de proteínas mitocondriales b. Defectos en la dinámica mitocondrial c. Defectos en el entorno lipídico de la membrana mitocondrial. PACIENTES DE RIESGO: •Estado redox alterado NADH/NAD •Elevado lactato/piruvato después de ingesta •Cuerpos cetónicos elevados después de ingesta •Test de confirmación por sobrecarga de glucosa o post-ejercicio BIOPSIA DE MUSCULO: Se toman muestras de 3 g en adultos y de 1-2 g en niños y se dividen en 4 partes: Análisis por microscopio electrónico e histoquímica •TincióndeGomorri: RRFs (MELAS, MERRF, KSS,CPEO,MM) •Microscopia electrónica: mitoc. anormales c/incl. paracristalinas •Inmunohistoquímica de los complejos de la CR. Aislamiento inmediato de las mitocondrias, se congelan a –80 C para evaluar las actividades de los complejos. Enfreezado en N2 líquido para extraer DNA o RNA y analizar mutaciones puntuales y deleciones. Crear líneas celulares para estudios genéticos y bioquímicos Transverse tissue sections that are reacted for both cytochrome c oxidase (COX) and succinate dehydrogenase (SDH) activities sequentially, with COX-positive cells shown in brown and COX-deficient cells shown in blue. a Skeletal muscle from a patient with a heteroplasmic mitochondrial tRNA point mutation. The section shows a typical ‘mosaic’ pattern of COX activity, with many muscle fibres harbouring levels of mutated mtDNA that are above the crucial threshold to produce a functional enzyme complex. b Cardiac tissue (left ventricle) from a patient with a homoplasmic tRNA mutation that causes hypertrophic cardiomyopathy, which demonstrates an absence of COX in most cells. c A section of cerebellum from a patient with an mtDNA rearrangement that highlights the presence of COXdeficient neurons. d,e Tissues that show COX deficiency that is due to clonal expansion of somatic mtDNA mutations within single cells — a phenomenon that is seen in both post-mitotic cells (d; extraocular muscles) and rapidly dividing cells (e; colonic crypt) in ageing humans. Tratamientos Aún no existe uno satisfactorio. Descompensaciones: dialisis y bicarbonato para controlar la acidosis láctica. Ataques: anticonvulsivantes excepto fenobarbital y valproato que puede inhibir la CR. Carnitina si existe deficit 2º por inh del transp p/Acylcarn de cadena larga Mejoradores de la actividad de la CR y antioxidantes La Terapia metabólica no es muy promisoria, las esperanzas están puestas en la TERAPIA GENICA: •Dirigida al núcleo: enviar el gen que codifica correctamente para la proteína alterada al núcleo donde se exprese y luego se importe a la mitocondria. Para ello hay que fusionar el gen de la proteína a un gen que codifique para una pre-secuencia que direccione la proteína para su importación a la mitocondria. Se usa sólo para genes estructurales no para rRNA ni tRNA. •Dirigido a la mitocondria, esta terapia se puede aplicar a cualquier gen mitocondrial, se usa un péptido unido al DNA para señalizarlo a la mitocondria. Útil para los tRNA, el más interesante es el tRNALeu en el que se localizan muchas mutaciones patogénicas.