Caracterización bioquímica de un cíbrido transmitocondrial: un modelo celular del Síndrome de Pearson

El Síndrome de Pearson (PS) es una enfermedad mitocondrial rara caracterizada por la aparición de fallos multisistémicos, como anemia sideroblástica refractaria y disfunción del páncreas exocrino. Está causada por deleciones grandes únicas del ADN mitocondrial (mtADN) que afectan al sistema OXPHOS de la mitocondria. En este trabajo estudiamos el efecto en el metabolismo celular de una deleción mitocondrial de 6517 pb (6897-13414), causante del PS. Utilizamos como modelo celular cuatro clones de cíbridos mitocondriales de la línea celular CibPS-143B, con grados de heteroplasmia del 0 %, 60-65 %, 70-75 % y 75-80 %. Los parámetros analizados fueron el número de copias de mtADN, la actividad y cantidad del complejo IV mitocondrial (CIV), la actividad de citrato sintasa y los niveles de ATP mitocondrial. Observamos que al aumentar el grado de heteroplasmia de las células, se incrementa el déficit del CIV y disminuye la producción de ATP mitocondrial. Por otro lado, el aumento del porcentaje de deleción supone un incremento del número de copias de mtADN, lo que seguramente se trate de un mecanismo de compensación de la célula. Además, se ha observado que durante el crecimiento en cultivo los clones estudiados tienden a aumentar su grado de heteroplasmia, evolucionando hacia la homoplasmia mutante

Mutaciones en ARNt mitocondriales asociadas al síndrome de Leigh: estudio de la mutación m.5537Ti

El síndrome de Leigh es una enfermedad neurodegenerativa progresiva que suele aparecer en los primeros años de vida y es una de las enfermedades mitocondriales más comunes. Inicialmente afecta al cerebro, pero a medida que progresa son los músculos los más afectados. Cursa con retraso psicomotor, trastornos musculares, ataxia o retrasos en el desarrollo. A pesar del desarrollo de las técnicas de secuenciación de nueva generación y de los avances realizados en su estudio, actualmente se trata de una patología sin tratamiento eficaz.Se estima que un 30 % de los síndromes de Leigh se deben a mutaciones en el ADNmt que afectan, mayoritariamente, a los complejos I y IV de la cadena respiratoria. La parte bibliográfica de este trabajo se ha centrado en el estudio de las principales mutaciones en los ARNt mitocondriales, concretamente, en el ARNt triptófano, y su relación con el síndrome de Leigh, demostrando así que la localización de la mutación es esencial para la determinación del fenotipo. Por su parte, el inicio del trabajo experimental ha consistido en el análisis de la función mitocondrial, patogenicidad y nivel umbral de la mutación m.5537Ti en el ARNt triptófano mitocondrial en cíbridos portadores de la misma en diferente porcentaje de heteroplasmia. Los estudios realizados permiten concluir que el número de copias de ADNmt es directamente proporcional a la carga de mutación. Asimismo, y en base a la bibliografía, m.5537Ti se consideraría patogénica. No obstante, sería necesario el análisis de otros parámetros bioquímicos para su confirmación.<br /

El Síndrome de Pearson en la patología mitocondrial

El Síndrome de Pearson (PS) es una enfermedad rara (prevalencia de 1/1.000.000 de recién nacidos vivos) descrita por primera vez en 1979 por Howard Pearson, pediatra especialista en Oncología. Está causada por deleciones espontáneas, grandes y únicas en el DNA mitocondrial (mtDNA). Como la mayoría de las enfermedades mitocondriales, tiene una afectación multisistémica determinada principalmente por insuficiencia pancreática exocrina y anemia arregenerativa, que generalmente precisa transfusión de hematíes. Es característico encontrar en el aspirado/biopsia de médula ósea vacuolización de los precursores de serie roja y sideroblastos en anillo. El fenotipo clínico es extremadamente variable y puede cambiar con el curso de la enfermedad, lo que dificulta el diagnóstico e imposibilita establecer un pronóstico claro y certero. La supervivencia a los 3 años de vida es del 80%, y muchos casos evolucionan a Síndrome de Kearns Sayre (KSS). No existe tratamiento curativo, pero el seguimiento por equipos multidisciplinares especialistas en enfermedades mitocondriales y hematopoyéticas mejora el pronóstico y la calidad de vida de los pacientes. Dado que la mayoría de las enfermedades mitocondriales son “enfermedades huérfanas”, es imprescindible incentivar la investigación de la etiopatogenia para poder hallar tratamientos efectivos contra ellas.<br /

Deleciones en el DNA mitocondrial causantes del síndrome de Pearson: modelos celulares y aproximaciones terapéuticas.

Las mitocondrias son el único orgánulo de las células animales que contiene su propio DNA (DNA mitocondrial o mtDNA), una molécula circular de doble cadena que codifica 37 genes que incluyen 22 tRNAs, 2 rRNAs (12S y 16S) y 13 polipéptidos que forman parte de cuatro de los cinco complejos del sistema de fosforilación oxidativa (OXPHOS). El resto de las subunidades que lo componen están codificadas a nivel nuclear. El sistema OXPHOS se localiza en la membrana mitocondrial interna y es el responsable de dos procesos metabólicos acoplados: la respiración celular y la síntesis de ATP.Las deleciones grandes y únicas en el mtDNA, que provocan la pérdida de numerosos tRNAs, rRNAs y mRNAs codificantes de los complejos de la cadena respiratoria, suelen conllevar consecuencias patológicas muy graves y diversas. El síndrome de Pearson (PS), principalmente caracterizado por anemia sideroblástica y disfunción del páncreas exocrino, es una de las patologías con esta causa genética. La dinámica de propagación de estas deleciones y el fenotipo patológico que provocan podrían depender de diferentes factores como el tipo de deleción, el porcentaje de heteroplasmia, el fondo genético mitocondrial o nuclear, el estado celular, el tejido afectado o las condiciones de cultivo. En este trabajo, hemos desarrollado diferentes modelos celulares portadores de deleciones únicas en el mtDNA para estudiar la influencia de dichos factores. Todos ellos muestran una alteración significativa de la función OXPHOS y de la ultraestructura mitocondrial, siendo el porcentaje de heteroplasmia uno de los factores más determinantes en el fenotipo patológico observado. Asimismo, hemos observado que la activación de la biogénesis mitocondrial para compensar el déficit provocado por las deleciones es un mecanismo que parece depender del fondo genético de cada línea, así como del tipo celular y su perfil metabólico. Además, nuestros resultados indican que el porcentaje umbral causante de efectos patológicos se sitúa en torno al 70 %, independientemente del tamaño de la deleción. Por otro lado, hemos demostrado que la presencia de una deleción en el mtDNA reduce significativamente la capacidad de diferenciación a distintos linajes celulares frecuentemente afectados en estas patologías. Además, hemos observado que algunos tratamientos que hacen a las células portadoras de deleción más dependientes del sistema OXPHOS o que potencian su actividad, son capaces de reducir el porcentaje de heteroplasmia y mejorar el fenotipo.<br /

Ketogenic treatment reduces the percentage of a LHON heteroplasmic mutation and increases mtDNA amount of a LHON homoplasmic mutation.

Background: The vision loss in Leber hereditary optic neuropathy patients is due to mitochondrial DNA mutations. No treatment has shown a clear-cut benefit on a clinically meaningful end-point. However, clinical evidences suggest two therapeutic approaches: the reduction of the mutation load in heteroplasmic patients or the elevation of mitochondrial DNA amount in homoplasmic patients. Results: Here we show that ketogenic treatment, in cybrid cell lines, reduces the percentage of the m.13094 T > C heteroplasmic mutation and also increases the mitochondrial DNA levels of the m.11778G > A mitochondrial genotype. Conclusions: These results suggest that ketogenic diet could be a therapeutic strategy for Leber hereditary optic neuropathy

Development and characterization of cell models harbouring mtDNA deletions for <i>in vitro</i> study of Pearson syndrome

Pearson syndrome is a rare multisystem disease caused by single large-scale mitochondrial DNA deletions (SLSMDs). The syndrome presents early in infancy and is mainly characterised by refractory sideroblastic anaemia. Prognosis is poor and treatment is supportive, thus the development of new models for the study of Pearson syndrome and new therapy strategies is essential. In this work, we report three different cell models carrying an SLMSD: fibroblasts, transmitochondrial cybrids and induced pluripotent stem cells (iPSCs). All studied models exhibited an aberrant mitochondrial ultrastructure and defective oxidative phosphorylation system function, showing a decrease in different parameters, such as mitochondrial ATP, respiratory complex IV activity and quantity or oxygen consumption. Despite this, iPSCs harbouring ‘common deletion’ were able to differentiate into three germ layers. Additionally, cybrid clones only showed mitochondrial dysfunction when heteroplasmy level reached 70%. Some differences observed among models may depend on their metabolic profile; therefore, we consider that these three models are useful for the in vitro study of Pearson syndrome, as well as for testing new specific therapies. This article has an associated First Person interview with the first author of the paper

Mitochondrial DNA pathogenic mutations in multiple symmetric lipomatosis

The frequency of dermatological manifestations in diseases due to mitochondrial DNA mutations is not well known, although multiple symmetric lipomatosis has been repeatedly associated to mitochondrial DNA mutations. Here, we present a patient suffering from multiple symmetric lipomatosis and other skin signs. We found a new mitochondrial DNA mutation, m.8357T>C, in the tRNALys-coding gene and, using a cybrid approach, confirmed its pathogenicity. A meta-analysis of the dermatological signs of the patient shows that they are not common in patients with confirmed mitochondrial DNA mutations and suggests that, in these cases, lipomatosis is not related to the oxidative phosphorylation dysfunction, but to an alteration of an additional function associated to particular mitochondrial tRNAs

Toxic and nutritional factors trigger Leber hereditary optic neuropathy due to a mitochondrial tRNA mutation

Leber hereditary optic neuropathy is a mitochondrial disease mainly due to pathologic mutations in mitochondrial genes related to the respiratory complex I of the oxidative phosphorylation system. Genetic, physiological, and environmental factors modulate the penetrance of these mutations. We report two patients suffering from this disease and harboring a m.15950G > A mutation in the mitochondrial DNA-encoded gene for the threonine transfer RNA. We also provide evidences supporting the pathogenicity of this mutation

Generation of an induced pluripotent stem cell line from a compound heterozygous patient in TK2 gene

Autosomal recessive mutations in Thymidine kinase 2 (TK2) gene cause depletion and multiple deletions in mtDNA which normally lead to fatal and progressive neuromyopathy in infants and children. We have generated an induced pluripotent stem cell (iPSC) line by reprogramming fibroblasts derived from a patient carrying TK2 mutations. New iPSC line pluripotency was evaluated by verifying the expression of pluripotency-related genes and the in vitro differentiation into the three germ layers. This human-derived model will be useful for studying the pathogenic mechanisms triggered by these mutations and for testing therapies in cell types normally affected in patients

Mitochondrial DNA pathogenic mutations in multiple symmetric lipomatosis

The frequency of dermatological manifestations in diseases due to mitochondrial DNA mutations is not well known, although multiple symmetric lipomatosis has been repeatedly associated to mitochondrial DNA mutations. Here, we present a patient suffering from multiple symmetric lipomatosis and other skin signs. We found a new mitochondrial DNA mutation, m.8357T>C, in the tRNALys-coding gene and, using a cybrid approach, confirmed its pathogenicity. A meta-analysis of the dermatological signs of the patient shows that they are not common in patients with confirmed mitochondrial DNA mutations and suggests that, in these cases, lipomatosis is not related to the oxidative phosphorylation dysfunction, but to an alteration of an additional function associated to particular mitochondrial tRNAs