enfermedades mitocondriales: patologÍa de la cadena respiratoria patologÍa de la cadena...

ENFERMEDADES ENFERMEDADES MITOCONDRIALES: MITOCONDRIALES:

PATOLOGÍA DE LA CADENA PATOLOGÍA DE LA CADENA RESPIRATORIARESPIRATORIA

Distribución celular de las mitocondrias

línea celular neuronal

línea celular Schneider SL2

espermatozoide

Rojo: mitocondriaVerde: actinaAzul: núcleo

Verde: mitocondriaRojo: microtúbulos

Azul: núcleo

Célula epitelial de mamífero en cultivo

Célula de hígado de rata en cultivo

Verde: mitocondriaAzul: núcleo

Biogénesis mitocondrial

Proliferación Diferenciación

Astrocitos Músculo cardíaco

Glándulasuprarrenal

Glándula suprarrenal(zona fasciculata)

Glándula pinneal

matrizcrestas

Espaciointermembranoso

membranainterna

membranaexterna

Ultraestructura mitocondrial

Elongación de Acidos GrasosDesaturación de A.grasos

Síntesis de fosfolípidosMAO

Oxidación de Acidos grasosCiclo de la Urea

Ciclo Acidos TricarboxílicosMetabolismo del mtDNAPiruvato Deshidrogenasa

Transporte electrónicoFosforilación Oxidativa

Transporte

Complejo VComplejo I Complejo III Complejo II Complejo IV

citrato

isocitrato

-Ketoglutarato

succinil CoAsuccinato

fumarato

malato

oxalacetato

acetil CoA

CO2 + 2H+

CO2 + 2H+

2H+

NADH+H +

NAD + ciclo de KrebsNADH+H +

NAD+

CITOSOL

CitC

(FE-S)

FADFMN

(FE-S) Ub

CoQ(FE-S)

b

NADH+H +Succinato

a-Cu

a3-Cu

1/ 2 O2 H2O

ácidos grasos

ácidos grasos

Piruvato

Piruvato aminoácidos

aminoácidos

Carbohidratos

Acetil CoA

MMI

MMEE.I.

2H+

NAD+

H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+H+

H+ H+ H+H+

H+ H+

H+H+

ADP + Pi ATP

Lactato

Ub

CoQ

ND1

ND2

ND3

ND4L

ND4

ND5ND6

COI

COII

COIIIATPasa6

rRNA12S

rRNA16S

Phe

Val

Leu (UUR)

Ilef - Met

Gln

AlaAsn

Cys

Tyr

Ser (UCN)

AspLys

Gly

Arg

His

Ser (AGY)

Leu (CUN)

Glu

Pro

Thr

BUCLE - D

CADENAPESADA

CADENALIGERA

OL

OH

ATPasa8

mtDNA

Trp

Cyt.b

- Molécula circular covalentemente cerrada

- Organización génica muy compacta

- Código genético propio

- Semiautónomo

- Codifica únicamente subunidades OXPHOS (+tRNAs + rRNAs)

Características del

genoma mitocondrial

mtDNAATP

Señales externas

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

I

II

III

IV

V

Genes estructurales

OXPHOS

Genes de ensamblaje OXPHOS

surf-1sco2

Genes del metabolismo del

DNA

helicasa

pol

Thymidine phosphorylase

ADP+Pi

Comunicación núcleo / mitocondria

ND1

ND2

ND3

ND4L

ND4

ND5ND6

COI

COII

COIIIATPasa6

rRNA12S

rRNA16S

Phe

Val

Leu (UUR)

Ilef - Met

Gln

AlaAsn

Cys

Tyr

Ser (UCN)

AspLys

Gly

Arg

His

Ser (AGY)

Leu (CUN)

Glu

Pro

Thr

BUCLE - D

CADENAPESADA

CADENALIGERA

OL

OH

ATPasa8

mtDNA

Trp

Cyt.b

Maquinaria transcripcional del genoma mitocondrial

mtTFARNApol

cadena H

cadena L

5´

5´

3´

3´

TASs

IIIIII

DNA

CSBs

D-loop

OH

H1H2

L

mtTFB

Maquinaria transcripcional del genoma mitocondrial

RNApolB

A

cadena H

cadena L

5´

5´

3´

3´

TASs

IIIIII

DNA

CSBs

D-loop

OH

H1H2

L

Maquinaria transcripcional del genoma mitocondrial

BA

cadena H

cadena L

5´

5´

3´

3´

TASs

IIIIII

DNA

CSBs

D-loop

OH

H1H2

LRNApol

Maquinaria transcripcional del genoma mitocondrial

cadena H

cadena L

5´

5´

3´

3´

TASs

IIIIII

DNA

CSBs

D-loop

OH

H1H2

L

BA

Maquinaria transcripcional del genoma mitocondrial

cadena H

cadena L

5´

5´

3´

3´

TASs

IIIIII

DNA

CSBs

D-loop

OH

H1H2

L RNApolB A

RNA5´

Maquinaria transcripcional del genoma mitocondrial

5´

3´

TASs

IIIIII

CSBs OH

L

RNA5´

5´

RNApolB AH1

H2

Maquinaria transcripcional del genoma mitocondrial

5´

3´

TASs

IIIIII

CSBs OH

L

RNA5´

5´

RNApolB AH1

H2

Replicación del DNA mitocondrial

Complex III

Complex IV

Complex V

Ribosomal RNA

Complex I

D-loop

12S rRNA

16S rRNA

ND1

ND2

COI

COII ATP6

ATP8COIII

ND3

ND4L

ND4

ND5

ND6

Cytb

human mtDNA

16569 bp

F

V

I

M

Q

WA

NC

Y

SUCN

G

R

H

SAGY

LCUN

E

TP

OL

KD

mTERF

LUUR

cadena H

cadena L

5´

5´

3´

3´

TASs

IIIIII

CSBs

D-loop

OH

H1H2

L

RNA ribosómico

Complejo III

Complejo I

Complejo IV

Complejo V

Replicación del DNA mitocondrial

Complex III

Complex IV

Complex V

Ribosomal RNA

Complex I

D-loop

12S rRNA

16S rRNA

ND1

ND2

COI

COII ATP6

ATP8COIII

ND3

ND4L

ND4

ND5

ND6

Cytb

human mtDNA

16569 bp

F

V

I

M

Q

WA

NC

Y

SUCN

G

R

H

SAGY

LCUN

E

TP

OL

KD

mTERF

LUUR

cadena H

cadena L

5´

5´

3´

3´

TASs

IIIIII

CSBs

D-loop

OH

H1H2

L

RNA ribosómico

Complejo III

Complejo I

Complejo IV

Complejo V

5´RNA

3´

Replicación del DNA mitocondrial

Complex III

Complex IV

Complex V

Ribosomal RNA

Complex I

D-loop

12S rRNA

16S rRNA

ND1

ND2

COI

COII ATP6

ATP8COIII

ND3

ND4L

ND4

ND5

ND6

Cytb

human mtDNA

16569 bp

F

V

I

M

Q

WA

NC

Y

SUCN

G

R

H

SAGY

LCUN

E

TP

OL

KD

mTERF

LUUR

cadena H

cadena L

5´

5´

3´

3´

TASs

IIIIII

CSBs

D-loop

OH

H1H2

L

RNA ribosómico

Complejo III

Complejo I

Complejo IV

Complejo V

RNAsa MRP

5´RNA

3´

Replicación del DNA mitocondrial

Complex III

Complex IV

Complex V

Ribosomal RNA

Complex I

D-loop

12S rRNA

16S rRNA

ND1

ND2

COI

COII ATP6

ATP8COIII

ND3

ND4L

ND4

ND5

ND6

Cytb

human mtDNA

16569 bp

F

V

I

M

Q

WA

NC

Y

SUCN

G

R

H

SAGY

LCUN

E

TP

OL

KD

mTERF

LUUR

cadena H

cadena L

5´

5´

3´

3´

TASs

IIIIII

CSBs

D-loop

OH

H1H2

L

RNA ribosómico

Complejo III

Complejo I

Complejo IV

Complejo V

RNAsa MRP

5´RNA DNA

Replicación del DNA mitocondrial

Complex III

Complex IV

Complex V

Ribosomal RNA

Complex I

D-loop

12S rRNA

16S rRNA

ND1

ND2

COI

COII ATP6

ATP8COIII

ND3

ND4L

ND4

ND5

ND6

Cytb

human mtDNA

16569 bp

F

V

I

M

Q

WA

NC

Y

SUCN

G

R

H

SAGY

LCUN

E

TP

OL

KD

mTERF

LUUR

cadena H

cadena L

5´

5´

3´

3´

TASs

IIIIII

CSBs OH

H1H2

L

RNA ribosómico

Complejo III

Complejo I

Complejo IV

Complejo V

DNARNA

Replicación del DNA mitocondrial

Complex III

Complex IV

Complex V

Ribosomal RNA

Complex I

D-loop

12S rRNA

16S rRNA

ND1

ND2

COI

COII ATP6

ATP8COIII

ND3

ND4L

ND4

ND5

ND6

Cytb

human mtDNA

16569 bp

F

V

I

M

Q

WA

NC

Y

SUCN

G

R

H

SAGY

LCUN

E

TP

OL

KD

mTERF

LUUR

cadena H

cadena L

5´

5´

3´

3´

TASs

IIIIII

CSBs OH

H1H2

L

RNA ribosómico

Complejo III

Complejo I

Complejo IV

Complejo V

DNA

DNARNA

3´GGCCG

A

A

A

A

5´

OL

- 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

Características del

genoma mitocondrial

MERRF

1 2 3

41 2 3

I

II

III

Sujeto de estudio

Sujetos oligosintomáticos

II-1 III-1 III-2 III-3 II-2Epilepsia - +++ + - -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

N

Célula progenitora

Diferenciación clonalcitoquinesis

Segregación replicativa

N N N N N

90% 70% 50% 30% 10%

Umbral de expresión fenotípica

Fenotipo Fenotipo

Patología mitocondrial

Inclusiones paracristalinas intramitocondriales

Fibras rojo-rasgadas(RRF)

Fibras COX negativas

Donald R. Johns, The New England Journal of Medicine (1995) 333:638-644

Afectación multisistémica por alteraciones en el sistema OXPHOS

Patrón de segregación de la enfermedad

Herencia Materna

nDNAnDNA

Herencia Mendeliana

•Autosómica dominante

•Autosómica recesiva

•Ligada al X

mtDNAmtDNA

Casos esporádicos

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 ISíndrome de Leigh- NDUFS4, NDUFS7, NDUFS8Encefalomiopatía y cardiomiopatía hipertrófica- NDUFS2

- Deficiencia del Complejo IISíndrome 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

A8296GG8363A A8296G

A

GTGACATTTCTCC

A

AATCGAAATGTC

AC

G

AATCGAAATGTC

AC

G

T C G AT C G A

Doble mutación A8296G / G8363A en el tRNALys

5´A

A - TC - G

C - GT - AG - CT - AA - T

AA

A

A|T

T|A

C|G

G|C

A

T

C

T|A

T|A

C|G

T|A

C|G

CA C

A

A

CC

A A

T - AT - AA - TA - TC - G

C AAT

T T T

TT

A AG

3´

tRNAlys

8296G8363A

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 ISíndrome de Leigh- NDUFS4, NDUFS7, NDUFS8Encefalomiopatía y cardiomiopatía hipertrófica- NDUFS2

- Deficiencia del Complejo IISíndrome 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 encefalomiopatíasde origen mitocondrial

Holt, I. et al. (1988) Nature 331: 717-719

GENES NUCLEARES ASOCIADOS GENES NUCLEARES ASOCIADOS CON ENFERMEDADES CON ENFERMEDADES

MITOCONDRIALESMITOCONDRIALES1. GENES QUE CODIFICAN SUBUNIDADES DE LA CR

• COMPLEJOS I, II y III

2. GENES QUE CODIFICAN FACTORES DE ENSAMBLAJE

• COMPLEJOS III y IV

3. GENES IMPLICADOS EN LA ESTABILIDAD DEL ADNmt

• DELECIONES MULTIPLES

• DEPLECION

4. GENES QUE CODIFICAN FACTORES RELACIONADOS

INDIRECTAMENTE CON LA CR

NDUFV2 (Complex I) Cardiomyopathy and encephalomyopathy AR

GENES ENSAMBLAJE Y DEFICIT DE GENES ENSAMBLAJE Y DEFICIT DE COXCOX

SÍNDROME DE LEIGHSÍNDROME DE LEIGH1. ENFERMEDAD NEUROLÓGICA PROGRESIVA CON REGRESIÓN

PSICO-MOTORA

2. SIGNOS Y SÍNTOMAS DE DISFUNCIÓN DE TRONCO O GLANGIOS BASALES: PEO, ataxia, alteraciones respiratorias, nistagmo, distonía, hipotonía y atrofia óptica

3. AUMENTO DE LACTATO EN SANGRE O LCR

4. 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 LEIGHSÍNDROME DE LEIGH

Causas molecularesCausas 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 GENES NUCLEARES

ESTABILIDAD DEL ADNmtESTABILIDAD DEL ADNmt

DELECIONES DELECIONES MULTIPLESMULTIPLES

DEPLECION DEPLECION

ESTABILIDAD DEL ADNmtESTABILIDAD DEL ADNmt

SíNDROMES SíNDROMES

1. ad-PEO y ar-PEO (Oftalmoplejía externa progresiva)

2. MDS (Síndrome de depleción mitocondrial)3. MNGIE (Encefalomiopatía neurogastrointestinal

mitocondrial)

OFTALMOPLEJÍA EXTERNA OFTALMOPLEJÍA EXTERNA PROGRESIVAPROGRESIVA

1. OFTALMOPARESIA E INTOLERANCIA AL EJERCICIO EN EL ADULTO

2. CARACTERÍSTICAS ADICIONALES:

• DEPRESION

• NEUROPATÍA PERIFÉRICA

• HIPOACUSIA

• HIPOGONADISMO

• ATAXIA

• TEMBLOR

• CATARATAS

• RABDOMIOLISIS

MDSMDS

1. ENFERMEDAD AUTOSÓMICA RECESIVA SEVERA DE LA INFANCIA

2. DEPLECIÓN DE ADNmt

3. 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

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

FACTORES MITOC. RELACIONADOS CON LA CAD. FACTORES MITOC. RELACIONADOS CON LA CAD. RESP.RESP.

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