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: jmontoya@posta.unizar.es 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. 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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. 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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