ENFERMEDADES MITOCONDRIALES: PATOLOGÍA DE LA CADENA RESPIRATORIA

línea celular neuronal línea celular Schneider SL2 Distribución celular de las mitocondrias línea celular neuronal línea celular Schneider SL2 espermatozoide Rojo: mitocondria Verde: actina Azul: núcleo Verde: mitocondria Rojo: microtúbulos Célula epitelial de mamífero en cultivo Célula de hígado de rata en cultivo

Biogénesis mitocondrial Diferenciación Astrocitos Músculo cardíaco Glándula suprarrenal Glándula suprarrenal (zona fasciculata) pinneal Proliferación

Ultraestructura mitocondrial Elongación de Acidos Grasos Desaturación de A.grasos Síntesis de fosfolípidos MAO Oxidación de Acidos grasos Ciclo de la Urea Ciclo Acidos Tricarboxílicos Metabolismo del mtDNA Piruvato Deshidrogenasa Transporte electrónico Fosforilación Oxidativa Transporte matriz crestas membrana externa membrana interna Espacio intermembranoso

mtDNA rRNA 12S Cyt.b 16S ND6 ND1 ND5 ND2 ND4 ND4L COI ND3 COII ATPasa6 COIII ATPasa6 rRNA 12S 16S Phe Val Leu (UUR) Ile f - Met Gln Ala Asn Cys Tyr Ser (UCN) Asp Lys Gly Arg His Ser (AGY) Leu (CUN) Glu Pro Thr BUCLE - D CADENA PESADA LIGERA OL OH ATPasa8 mtDNA Trp Cyt.b

Características del genoma mitocondrial - Molécula circular covalentemente cerrada - Organización génica muy compacta - Código genético propio - Semiautónomo - Codifica únicamente subunidades OXPHOS (+tRNAs + rRNAs)

Comunicación núcleo / mitocondria

mtDNA rRNA 12S Cyt.b 16S ND6 ND1 ND5 ND2 ND4 ND4L COI ND3 COII ATPasa6 COIII ATPasa6 rRNA 12S 16S Phe Val Leu (UUR) Ile f - Met Gln Ala Asn Cys Tyr Ser (UCN) Asp Lys Gly Arg His Ser (AGY) Leu (CUN) Glu Pro Thr BUCLE - D CADENA PESADA LIGERA OL OH ATPasa8 mtDNA Trp Cyt.b

Maquinaria transcripcional del genoma mitocondrial RNApol mtTFA mtTFB

Maquinaria transcripcional del genoma mitocondrial RNApol A B

Maquinaria transcripcional del genoma mitocondrial B RNApol

Maquinaria transcripcional del genoma mitocondrial B A

Maquinaria transcripcional del genoma mitocondrial RNApol B A RNA 5´

RNA Maquinaria transcripcional del genoma mitocondrial B 5´ A RNApol H1 H2 L 5´ 5´ 3´ III II I CSBs O H TASs

RNA Maquinaria transcripcional del genoma mitocondrial B 5´ A RNApol H1 H2 L 5´ 5´ 3´ III II I CSBs O H TASs

Replicación del DNA mitocondrial RNA ribosómico Complejo I Complejo III Complejo IV Complejo V

Replicación del DNA mitocondrial RNA 5´ 3´ RNA ribosómico Complejo I Complejo III Complejo IV Complejo V

Replicación del DNA mitocondrial RNAsa MRP RNA 5´ 3´ RNA ribosómico Complejo I Complejo III Complejo IV Complejo V

Replicación del DNA mitocondrial RNAsa MRP DNA RNA 5´ RNA ribosómico Complejo I Complejo III Complejo IV Complejo V

Replicación del DNA mitocondrial H1 H2 RNA DNA L 5´ 3´ cadena H 3´ III II I 5´ cadena L CSBs O H TASs RNA ribosómico Complejo I Complejo III Complejo IV Complejo V

Replicación del DNA mitocondrial H1 H2 DNA L 5´ 3´ cadena H 3´ III II I 5´ cadena L CSBs O H TASs D N A R 3´ G C 5´ OL RNA ribosómico Complejo I Complejo III Complejo IV Complejo V

Características del genoma mitocondrial - Molécula circular covalentemente cerrada - Número de copias: 103- 104 mtDNA/célula - Herencia materna - Organización génica muy compacta - Código genético propio - Semiautónomo - Codifica únicamente subunidades OXPHOS

MERRF I I I I I I Sujeto de estudio Sujetos oligosintomáticos 1 2 3 4 II-1 III-1 III-2 III-3 II-2 Epilepsia - +++ + - - Mioclonía - +++ + - - Ataxia - +++ - - - Debilidad - - - - - Neuropatía periférica + ++ ++ ++ - Temblores - ++ - - - Sordera - + - - - Histoquímica muscular rrf RRF RRF RRF ND COX- dispersas dispersas Bioquímica muscular N Complejo I N N ND

Diferenciación clonal Célula progenitora Diferenciación clonal citoquinesis Segregación replicativa 90% 70% 50% 30% 10% Umbral de expresión fenotípica Fenotipo

Patología mitocondrial Fibras rojo-rasgadas (RRF) Inclusiones paracristalinas intramitocondriales Fibras COX negativas

Afectación multisistémica por alteraciones en el sistema OXPHOS Donald R. Johns, The New England Journal of Medicine (1995) 333:638-644

Patrón de segregación de la enfermedad Herencia Materna mtDNA Casos esporádicos Herencia Mendeliana Autosómica dominante Autosómica recesiva Ligada al X nDNA

Patología Mitocondrial Mutaciones mitocondriales Mutaciones puntuales genes que codifican proteínas Neuropatía, Ataxia y Retinitis Pigmentosa (NARP) Neuropatía Óptica de Leber (LHON) Síndrome de Leigh de herencia materna genes que codifican tRNAs Encefalomiopatía con Acidosis Láctica e Infartos Cerebrales (MELAS) Epilepsia Mioclónica con Fibras Rojo-Rasgadas (MERRF) Sordera Neurosensorial genes que codifican rRNAs Sordera inducida por aminoglicósidos Reorganizaciones Síndrome de Kearns-Sayre Oftaloplegia Crónica Progresiva Externa (CPEO) Sordera y diabetes Mutaciones nucleares genes estructurales del sistema OXPHOS - Deficiencia del Complejo I Síndrome de Leigh- NDUFS4, NDUFS7, NDUFS8 Encefalomiopatía y cardiomiopatía hipertrófica- NDUFS2 - Deficiencia del Complejo II Síndrome de Leigh- FP genes no estructurales - Defectos de comunicación intergenómica Deleciones múltiples -ANT1, PolG, helicasa Depleción - dGK, TK MNGIE -TP - Defectos de ensamblaje Complejo IV Síndrome de Leigh- SURF1 Cardioencefalopatía- SCO2 Encefalomiopatía y fallo hepático -SCO1 Síndrome de De Toni-Fanconi-Debre- COX10 Complejo III Tubulopatía y Encefalopatía- BCS1L - Defectos de homeostasis e importación Ataxia de Friedreich- Frataxina Paraplegia Espástica Hereditaria- Paraplegina Síndrome de sordera y distonía- DDP Atrofia Óptica dominante- OPA1

Doble mutación A8296G / G8363A en el tRNALys AGTGACATTTCTCC A AATCGAAATGTCAC G T C G A 5 ´ A - T C G | 3 tRNAlys 8296G 8363A

Patología Mitocondrial Mutaciones mitocondriales Mutaciones puntuales genes que codifican proteínas Neuropatía, Ataxia y Retinitis Pigmentosa (NARP) Neuropatía Óptica de Leber (LHON) Síndrome de Leigh de herencia materna genes que codifican tRNAs Encefalomiopatía con Acidosis Láctica e Infartos Cerebrales (MELAS) Epilepsia Mioclónica con Fibras Rojo-Rasgadas (MERRF) Sordera Neurosensorial genes que codifican rRNAs Sordera inducida por aminoglicósidos Reorganizaciones Síndrome de Kearns-Sayre Oftaloplegia Crónica Progresiva Externa (CPEO) Sordera y diabetes Mutaciones nucleares genes estructurales del sistema OXPHOS - Deficiencia del Complejo I Síndrome de Leigh- NDUFS4, NDUFS7, NDUFS8 Encefalomiopatía y cardiomiopatía hipertrófica- NDUFS2 - Deficiencia del Complejo II Síndrome de Leigh- FP genes no estructurales - Defectos de comunicación intergenómica Deleciones múltiples -ANT1, PolG, helicasa Depleción - dGK, TK MNGIE -TP - Defectos de ensamblaje Complejo IV Síndrome de Leigh- SURF1 Cardioencefalopatía- SCO2 Encefalomiopatía y fallo hepático -SCO1 Síndrome de De Toni-Fanconi-Debre- COX10 Complejo III Tubulopatía y Encefalopatía- BCS1L - Defectos de homeostasis e importación Ataxia de Friedreich- Frataxina Paraplegia Espástica Hereditaria- Paraplegina Síndrome de sordera y distonía- DDP Atrofia Óptica dominante- OPA1

Deleciones del mtDNA humano asociadas a encefalomiopatías de origen mitocondrial Holt, I. et al. (1988) Nature 331: 717-719

GENES NUCLEARES ASOCIADOS CON ENFERMEDADES MITOCONDRIALES GENES QUE CODIFICAN SUBUNIDADES DE LA CR COMPLEJOS I, II y III GENES QUE CODIFICAN FACTORES DE ENSAMBLAJE COMPLEJOS III y IV GENES IMPLICADOS EN LA ESTABILIDAD DEL ADNmt DELECIONES MULTIPLES DEPLECION GENES QUE CODIFICAN FACTORES RELACIONADOS INDIRECTAMENTE CON LA CR

NDUFV2 (Complex I) Cardiomyopathy and encephalomyopathy AR

GENES ENSAMBLAJE Y DEFICIT DE COX

SÍNDROME DE LEIGH ENFERMEDAD NEUROLÓGICA PROGRESIVA CON REGRESIÓN PSICO-MOTORA SIGNOS Y SÍNTOMAS DE DISFUNCIÓN DE TRONCO O GLANGIOS BASALES: PEO, ataxia, alteraciones respiratorias, nistagmo, distonía, hipotonía y atrofia óptica AUMENTO DE LACTATO EN SANGRE O LCR UNO O MÁS DE LOS SIGUIENTES CRITERIOS: Neuroimagen típica de LS: hipodensidades simétricas en los ganglios basales en TC o lesiones hiperintensas en T2 en RMN Hallazgos neuropatológicos característicos postmortem Neuropatología característica en un hermano afectado de forma similar

SÍNDROME DE LEIGH Causas moleculares Subunidad E1- Piruvato deshidrogenasa mtDNA- ATPasa 6 mtDNA- t RNA Val mtDNA- ND5 Genes nucleares subunidades complejo I Subunidad Fp (SDHA) complejo II Gen ensamblaje complejo III (BCS1L) Genes emsamblaje complejo IV (SURF1...)

GENES NUCLEARES ESTABILIDAD DEL ADNmt DELECIONES MULTIPLES DEPLECION

ESTABILIDAD DEL ADNmt SíNDROMES ad-PEO y ar-PEO (Oftalmoplejía externa progresiva) MDS (Síndrome de depleción mitocondrial) MNGIE (Encefalomiopatía neurogastrointestinal mitocondrial)

OFTALMOPLEJÍA EXTERNA PROGRESIVA OFTALMOPARESIA E INTOLERANCIA AL EJERCICIO EN EL ADULTO CARACTERÍSTICAS ADICIONALES: DEPRESION NEUROPATÍA PERIFÉRICA HIPOACUSIA HIPOGONADISMO ATAXIA TEMBLOR CATARATAS RABDOMIOLISIS

MDS ENFERMEDAD AUTOSÓMICA RECESIVA SEVERA DE LA INFANCIA DEPLECIÓN DE ADNmt CARACTERÍSTICAS: HEPATOPATÍA SEVERA (DEBUT NEONATAL Y LETAL AL AÑO DE VIDA) MIOPATÍA (DEBUT AL AÑO DE VIDA, LESION MOTORA) NEFROPATÍA ENCEFALOPATÍA ATAXIA TEMBLOR CATARATAS RABDOMIOLISIS

FACTORES MITOC. RELACIONADOS CON LA CAD. RESP. SPG7: PARAPLEJINA: metaloproteasa mitocondrial: paraplejía espástica FRATAXINA: proteína de almacenamiento de hierro intramitocondrial; ataxia de Friedreich. ABC7: exportador de Fe mitocondrial, controlando la generación de proteínas Fe-S citosólicas: Ataxia y anemia sideroblástica ligada al X DDP1: Componente del sistema de importación de porteínas transportadoras mitocondriales: Síndrome sordera-distonía ligado al X OPA1: Relacionada con las dinaminas; proteínas que generan vesiculas intracelulares rodeadas de membranas; ad-atrofia óptica y SNPs asociados a glaucoma normotensivo. TAZ: homologo de fosfolípido aciltransferasas que controla metabolismo de cardiolipina, un componente de MIM: Síndrome de Barth ligado al X

Características de la patología mitocondrial Esporádicas, de herencia materna o de herencia mendeliana Afectación específica o multisistémica Variabilidad fenotípica en miembros de una misma familia Aparición de los síntomas a cualquier edad Evolución progresiva de la sintomatología Relación desconocida entre genotipo y fenotipo