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ENFERMEDADES MITOCONDRIALES:
PATOLOGÍA DE LA CADENA
RESPIRATORIA
Distribución celular de las mitocondrias
Célula epitelial de
mamífero en cultivo
línea celular neuronal
Rojo: mitocondria
Verde: actina
Azul: núcleo
línea celular Schneider SL2
Célula de hígado
de rata en cultivo
Verde: mitocondria
Rojo: microtúbulos
Azul: núcleo
espermatozoide
Verde: mitocondria
Azul: núcleo
Biogénesis mitocondrial
Proliferación
Astrocitos
Músculo
cardíaco
Diferenciación
Glándula
suprarrenal
Glándula suprarrenal
(zona fasciculata)
Glándula
pinneal
Ultraestructura mitocondrial
Oxidación de Acidos grasos
Ciclo de la Urea
Ciclo Acidos Tricarboxílicos
Metabolismo del mtDNA
Piruvato Deshidrogenasa
Elongación de Acidos Grasos
Desaturación de A.grasos
Síntesis de fosfolípidos
MAO
matriz
Transporte electrónico
Fosforilación Oxidativa
Transporte
crestas
membrana
interna
Espacio
intermembranoso
membrana
externa
CITOSOL
Carbohidratos
Complejo I
Lactato
Complejo II
Complejo III
Complejo IV
Complejo V
aminoácidos
Piruvato
H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+
ácidos grasos
H+ H+
H+
+
H+ H
MME
H+
E.I.
H+
H+
CitC
(FE-S)
Ub
CoQ
MMI
FMN
Ub
CoQ
b
a-Cu
(FE-S)
FAD
a3-Cu
aminoácidos
Piruvato
ácidos grasos
(FE-S)
1/ 2 O2
2H+
Acetil CoA
NADH+H+
NAD+
H2O
Succinato
ADP + Pi
NADH+H +
acetil CoA
oxalacetato
citrato
2H +
malato
NAD +
NADH+H +
isocitrato
ciclo de Krebs
fumarato
succinato
CO 2 + 2H +
-Ketoglutarato
CO2 + 2H +
succinil CoA
NAD +
ATP
Cyt.b
ND6
ND1
ND5
mtDNA
ND2
ND4
ND4L
COI
ND3
COII
ATPasa6
ATPasa8
COIII
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
Señales externas
H+
I
H+
II
H+
III
H+
IV
H+
H+
ATP
V
H+
ADP+Pi
Genes
estructurales
OXPHOS
Genes de
ensamblaje
OXPHOS
Genes del
metabolismo del
DNA
surf-1
sco2
helicasa
Thymidine
phosphorylase
pol 
mtDNA
Cyt.b
ND6
ND1
ND5
mtDNA
ND2
ND4
ND4L
COI
ND3
COII
ATPasa6
ATPasa8
COIII
Maquinaria transcripcional del genoma mitocondrial
RNApol
mtTFB
mtTFA
D-loop
H2
H1
L
3´
3´
DNA
5´
III
II
CSBs
cadena H
I
cadena L
5´
OH
TASs
Maquinaria transcripcional del genoma mitocondrial
RNApol
B
A
D-loop
H2
H1
L
3´
3´
DNA
5´
III
II
CSBs
cadena H
I
cadena L
5´
OH
TASs
Maquinaria transcripcional del genoma mitocondrial
A
B
D-loop
H2
H1
RNApol
L
3´
3´
DNA
5´
III
II
CSBs
cadena H
I
cadena L
5´
OH
TASs
Maquinaria transcripcional del genoma mitocondrial
D-loop
H2
H1
L
5´
3´
B
3´
DNA
cadena H
A
III
II
CSBs
I
cadena L
5´
OH
TASs
Maquinaria transcripcional del genoma mitocondrial
D-loop
H2
H1
L
5´
3´
5´
B
RNA
III
II
CSBs
RNApol
DNA
A
3´
cadena H
I
cadena L
5´
OH
TASs
Maquinaria transcripcional del genoma mitocondrial
5´
RNA
B
H1
H2
5´
3´
L
5´
III
II
CSBs
I
OH
TASs
RNApol
A
Maquinaria transcripcional del genoma mitocondrial
5´
RNA
B
H1
H2
5´
3´
L
5´
III
II
CSBs
I
OH
TASs
RNApol
A
Replicación del DNA mitocondrial
D-loop
H1
H2
3´
L
cadena H
5´
3´
III
I
II
cadena L
5´
CSBs
F
D-loop
TASs
OH
P T
V
E
12S rRNA
Ribosomal RNA
Complex I
Cyt b
ND6
16S rRNA
LUUR
mTERF
ND5
Complex IV
Complex V
human mtDNA
16569 bp
ND1
Complex III
I
Q
LCUN
SAGY
ND2
M
H
ND4
OL
ND4L
W
A
N
RNA ribosómico
ND3
COI
C
ATP8
COII
Y
COIII
ATP6
R
G
Complejo I
Complejo III
Complejo IV
SUCN
D
K
Complejo V
Replicación del DNA mitocondrial
D-loop
H1
H2
L
5´
RNA
5´
3´
cadena H
3´
3´
III
I
II
cadena L
5´
CSBs
F
D-loop
TASs
OH
P T
V
E
12S rRNA
Ribosomal RNA
Complex I
Cyt b
ND6
16S rRNA
LUUR
mTERF
ND5
Complex IV
Complex V
human mtDNA
16569 bp
ND1
Complex III
I
Q
LCUN
SAGY
ND2
M
H
ND4
OL
ND4L
W
A
N
RNA ribosómico
ND3
COI
C
ATP8
COII
Y
COIII
ATP6
R
G
Complejo I
Complejo III
Complejo IV
SUCN
D
K
Complejo V
Replicación del DNA mitocondrial
D-loop
RNAsa MRP
H1
H2
L
5´
RNA
5´
3´
cadena H
3´
3´
III
I
II
cadena L
5´
CSBs
F
D-loop
TASs
OH
P T
V
E
12S rRNA
Ribosomal RNA
Complex I
Cyt b
ND6
16S rRNA
LUUR
mTERF
ND5
Complex IV
Complex V
human mtDNA
16569 bp
ND1
Complex III
I
Q
LCUN
SAGY
ND2
M
H
ND4
OL
ND4L
W
A
N
RNA ribosómico
ND3
COI
C
ATP8
COII
Y
COIII
ATP6
R
G
Complejo I
Complejo III
Complejo IV
SUCN
D
K
Complejo V
Replicación del DNA mitocondrial
RNAsa MRP
D-loop
H1
H2
L
5´
DNA
RNA
5´
3´
cadena H
3´
III
I
II
cadena L
5´
CSBs
F
D-loop
TASs
OH
P T
V
E
12S rRNA
Ribosomal RNA
Complex I
Cyt b
ND6
16S rRNA
LUUR
mTERF
ND5
Complex IV
Complex V
human mtDNA
16569 bp
ND1
Complex III
I
Q
LCUN
SAGY
ND2
M
H
ND4
OL
ND4L
W
A
N
RNA ribosómico
ND3
COI
C
ATP8
COII
Y
COIII
ATP6
R
G
Complejo I
Complejo III
Complejo IV
SUCN
D
K
Complejo V
Replicación del DNA mitocondrial
H2
H1
RNA
DNA
L
3´ cadena H
5´
III
3´
I
II
5´ cadena L
CSBs
F
D-loop
TASs
OH
P T
V
E
12S rRNA
Ribosomal RNA
Complex I
Cyt b
ND6
16S rRNA
LUUR
mTERF
ND5
Complex IV
Complex V
human mtDNA
16569 bp
ND1
Complex III
I
Q
LCUN
SAGY
ND2
M
H
ND4
OL
ND4L
W
A
N
RNA ribosómico
ND3
COI
C
ATP8
COII
Y
COIII
ATP6
R
G
Complejo I
Complejo III
Complejo IV
SUCN
D
K
Complejo V
Replicación del DNA mitocondrial
H2
H1
DNA
L
3´ cadena H
5´
III
3´
I
II
5´ cadena L
CSBs
F
D-loop
TASs
OH
P T
V
E
12S rRNA
Ribosomal RNA
Cyt b
ND6
16S rRNA
LUUR
mTERF
Complex I
ND5
Complex IV
Complex V
human mtDNA
16569 bp
ND1
Complex III
I
Q
LCUN
SAGY
ND2
M
H
ND4
OL
ND4L
A
A
A
A
OL
RNA
3´
GGCCG
W
A
N
RNA ribosómico
ND3
COI
C
ATP8
COII
Y
COIII
ATP6
R
G
DNA
Complejo III
Complejo IV
SUCN
5´
Complejo I
D
K
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
II
III
1
1
2
2
3
4
3
Sujeto de estudio
Sujetos oligosintomáticos
Epilepsia
Mioclonía
Ataxia
Debilidad
Neuropatía periférica
Temblores
Sordera
Histoquímica muscular
Bioquímica muscular
II-1
+
rrf
N
III-1
+++
+++
+++
++
++
+
III-2
+
+
++
-
III-3
++
-
II-2
ND
RRF
RRF
RRF
COX-
dispersas
dispersas
Complejo I
N
N
ND
Célula progenitora
N
Diferenciación clonal
citoquinesis
Segregación
N
90%
replicativa
N
70%
Fenotipo
N
50%
N
30%
Fenotipo
Umbral de expresión fenotípica
N
10%
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
•
Mutaciones nucleares
genes estructurales del sistema OXPHOS
- Deficiencia
Síndrome de Leigh- NDUFS4, NDUFS7, NDUFS8
Encefalomiopatía y cardiomiopatía hipertrófica- NDUFS2
genes que codifican proteínas
-
Neuropatía, Ataxia y Retinitis Pigmentosa (NARP)
Neuropatía Óptica de Leber (LHON)
Síndrome de Leigh de herencia materna
del Complejo I
- Deficiencia
del Complejo II
Síndrome de Leigh- FP
genes no estructurales
genes que codifican tRNAs
-
-
-
Encefalomiopatía con Acidosis Láctica e Infartos Cerebrales (MELAS)
Epilepsia Mioclónica con Fibras Rojo-Rasgadas (MERRF)
Sordera Neurosensorial
-
Sordera inducida por aminoglicósidos
Reorganizaciones
-
Síndrome de Kearns-Sayre
Oftaloplegia Crónica Progresiva Externa (CPEO)
Sordera y diabetes
- Defectos
-
genes que codifican rRNAs
-
- Defectos
-
- Defectos
-
de comunicación intergenómica
Deleciones múltiples -ANT1, PolG, helicasa
Depleción - dGK, TK
MNGIE -TP
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
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
A
A
G
T
G
A
C
A
T
T
T
C
T
C
C
A
A
T
C
G
A
A
A
T
G
T
C
G
A
C
3´
A
A8296G
G8363A
TCGA
5´
A8296G
TCGA
C
A
C
T
G
T
A
8296G
C
A
C
T
A
A T C G
| | | |
T A G C
A
T
T
A
A
C
-
A
A
T
T
G
C
G
8363A
G
T
G
A
C
A
T
A
A
A
T
C
G
A
A
A
T
G
T
C
A
-
C
T T C T C
| | | | |
A A G A G
T
A
T
A GA
A
T
A
T T T
tRNAlys
A
C
A
A
C
A C
Patología Mitocondrial
•
Mutaciones mitocondriales
Mutaciones puntuales
•
Mutaciones nucleares
genes estructurales del sistema OXPHOS
- Deficiencia
Síndrome de Leigh- NDUFS4, NDUFS7, NDUFS8
Encefalomiopatía y cardiomiopatía hipertrófica- NDUFS2
genes que codifican proteínas
-
Neuropatía, Ataxia y Retinitis Pigmentosa (NARP)
Neuropatía Óptica de Leber (LHON)
Síndrome de Leigh de herencia materna
del Complejo I
- Deficiencia
del Complejo II
Síndrome de Leigh- FP
genes no estructurales
genes que codifican tRNAs
-
-
-
Encefalomiopatía con Acidosis Láctica e Infartos Cerebrales (MELAS)
Epilepsia Mioclónica con Fibras Rojo-Rasgadas (MERRF)
Sordera Neurosensorial
-
Sordera inducida por aminoglicósidos
Reorganizaciones
-
Síndrome de Kearns-Sayre
Oftaloplegia Crónica Progresiva Externa (CPEO)
Sordera y diabetes
- Defectos
-
genes que codifican rRNAs
-
- Defectos
-
- Defectos
-
de comunicación intergenómica
Deleciones múltiples -ANT1, PolG, helicasa
Depleción - dGK, TK
MNGIE -TP
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
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
1. 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 COX
SÍNDROME DE LEIGH
1.
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 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
1. ad-PEO y ar-PEO (Oftalmoplejía externa progresiva)
2. MDS (Síndrome de depleción mitocondrial)
3. MNGIE (Encefalomiopatía neurogastrointestinal
mitocondrial)
OFTALMOPLEJÍA EXTERNA PROGRESIVA
1.
OFTALMOPARESIA E INTOLERANCIA AL EJERCICIO EN EL ADULTO
2.
CARACTERÍSTICAS ADICIONALES:
•
DEPRESION
•
NEUROPATÍA PERIFÉRICA
•
HIPOACUSIA
•
HIPOGONADISMO
•
ATAXIA
•
TEMBLOR
•
CATARATAS
•
RABDOMIOLISIS
MDS
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
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