Influencia de la integridad del ADN mitocondrial en el desarrollo y la progresión de enfermedades específicas de tejido

Abstract

Tesis Doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Ciencias, Departamento de Biología Molecular. Fecha de Lectura: 22-10-2024Esta tesis tiene embargado el acceso al texto completo hasta el 22-04-2026En los últimos años, la comprensión de las mitocondrias ha evolucionado significativamente más allá de su rol tradicional en la producción de energía celular. Los avances en biología molecular, genética e investigación clínica han resaltado la asociación del ADN mitocondrial (ADNmt) con varias enfermedades. Normalmente, la mayoría de las copias del ADNmt en un individuo son idénticas, lo que se conoce como homoplasmia. Sin embargo, debido a su alta tasa de mutación, pueden coexistir múltiples variantes de ADNmt dentro de una misma célula, un fenómeno denominado heteroplasmia. La gravedad de los síntomas clínicos a menudo se correlaciona con la proporción de ADNmt mutado respecto del no mutado, un fenómeno conocido como el efecto umbral. Entre los genes asociados con enfermedades mitocondriales, el gen nuclear PolgA, que codifica la subunidad catalítica de la ADN polimerasa con actividad exonucleasa 3′-5′, destaca con más de 250 mutaciones patogénicas identificadas, lo que lo convierte en una causa común de estas condiciones. Los ratones “mutator” (PolgAD275A), se generaron hace dos décadas para estudiar los efectos de las mutaciones del mtDNA, y han contribuido significativamente a la comprensión del envejecimiento y la multimorbilidad. A pesar de la extensa investigación, el papel de las mutaciones del mtDNA en el inicio de la enfermedad y la reducción de la esperanza de vida sigue siendo desconocido. Esta tesis remarca la complejidad de las mutaciones del ADNmt y su impacto en la salud, enfatizando la importancia de las mitocondrias en el mantenimiento de la homeostasis celular y su extensa remodelación en respuesta al estrés, particularmente en células del sistema inmunitario. Estos hallazgos proporcionan valiosas perspectivas para futuras investigaciones y posibles enfoques terapéuticos. En esta tesis, se ha caracterizado el fenotipo de los ratones PolgAD275A en relación con el sexo, el contexto nuclear y el haplotipo mitocondrial. Curiosamente, encontramos que la elevada tasa de mutaciones en el ADNmt no afecta de igual manera a todas las células, siendo las hematopoyéticas las primeras afectadas. Estas mutaciones se acumulan durante la diferenciación, lo que lleva a una reducción de la celularidad en las líneas mieloides y linfoides. Alteraciones en células del sistema inmunitario afectan a la homeostasis celular, contribuyendo entre otros, a la hipertrofia cardíaca anteriormente descrita en este modelo preclínico. El trasplante de médula ósea sana en ratones PolgAD275A retrasa la aparición de síntomas cardíacos y extiende la esperanza de vida de manera dependiente del sexo. Finalmente, los ratones que sin presentar la proteína POLG mutada, presentan mutaciones heredadas por vía materna (PolgAWT), presentan un fenotipo intermedio, pero son capaces de resolver estas alteraciones y presentar un fenotipo y una esperanza de vida normalesOver recent years, the understanding of mitochondria has evolved significantly beyond their traditional role in cellular energy production. Advances in molecular biology, genetics, and clinical research have highlighted the association of mitochondrial DNA (mtDNA) with various diseases. Most mtDNA copies in an individual are identical, a state known as homoplasmy, but mtDNA has a high mutation rate. The severity of clinical symptoms often correlates with the proportion of mutant to wild type mtDNA, a phenomenon known as the threshold effect. Among the genes associated with mitochondrial diseases, the nuclear PolgA gene, which encodes the catalytic subunit of DNA polymerase with 3′-5′ exonuclease activity, stands out with over 250 identified pathogenic mutations, making it a common cause of these conditions. Mutator mice (PolgAD275A), were generated two decades ago to study the effects of mtDNA mutations and have significantly contributed to the understanding of ageing and multimorbidity. Despite extensive research, the role of mtDNA mutations in disease onset and reduced life expectancy remains unclear. This thesis underscores the complexity of mtDNA mutations and their impact on health, emphasising the importance of mitochondria in maintaining cellular homeostasis and their extensive remodelling in response to stress, particularly in immune system cells. These findings provide valuable insights for future research and potential therapeutic approaches. In this thesis, the mutator mice phenotype has been characterised in relation to sex, nuclear context, and mitochondrial haplotype. Interestingly, the study revealed that elevated mtDNA mutations do not affect all cells equally, with haematopoietic stem cells being the first affected. These mutations accumulate during differentiation, leading to a reduction in cellularity in both myeloid and lymphoid lineages. Alteration in immune system cells affect cellular homeostasis, contributing, among other factors, to the cardiac hypertrophy previously described in this preclinical model. Healthy bone marrow transplantation into PolgAD275A mice delays the onset of cardiac symptoms and extended lifespan in a sex-dependent manner. Finally, mice that do not carry the mutated POLG protein but inherit mutations maternally display (wild type littermates, PolgAWT) are able to resolve these alterations and present a normal phenotype and lifespanEsta tesis ha sido financiada por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (PRE2019-087462