Autentificare
Dacă ești abonat medichub.ro, autentificarea se face cu adresa de E-mail și parola pe care le utilizezi pentru a intra în platformă.
Abonează-te la „Viața medicală” ca să ai acces la întreg conținutul săptămânalului adresat profesioniștilor din Sănătate!
#DinRecunostinta
Căutare:
Căutare:
Acasă  »  EDUCAȚIE  »  Ars Medici

Genomul mitocondrial şi implicarea mitocondriilor în patologia umană

Viața Medicală
Prof. dr. Mircea COVIC joi, 12 aprilie 2012
   În genetica moleculară, prin genom se înţelege astăzi ansamblul informaţiei ereditare din moleculele de ADN ale unei ce­lule/organism, situată în marea ei majoritate (99,5%) în cromozomii din nucleu, dar şi în mitocondrii (0,5%); există deci un genom nuclear, mare şi complex, şi un genom mitocondrial, mic şi simplu. Uzual, termenul de genom uman se foloseşte cu precădere pentru ADN nuclear şi, în toate articolele publicate până acum, ne-am referit la acest genom. Pentru o imagine corectă a medicinii genomice, este însă necesar să prezentăm şi genomul mitocondrial, nu numai datorită funcţiilor multiple ale mitocondriilor în celule, ci mai ales datorită implicaţiilor frecvente şi complexe pe care disfuncţiile mitocondriale le produc în patologia umană.
   Toţi ştim că mitocondriile sunt „uzina energetică“ a celulei, deoarece, în marea majoritate a tipurilor celulare, ele convertesc eficient energia chimică din alimente în ATP, necesar funcţiilor celulare. Dar mitocondriile joacă, de asemenea, roluri-cheie în alte procese celulare importante: controlul ciclului celular şi al proliferării, termogeneza adaptativă, homeostazia calciului, răspunsul imun înnăscut, iniţierea apoptozei, sinteza pirimidinelor, porfirinelor şi hemului, diverse procese metabolice, detoxificarea amoniacului şi a radicalilor liberi etc. Disfuncţiile mitocondriale au fost observate iniţial în boli mitocondriale monogenice rare, ulterior şi în diferite stări patologice frecvente, cum ar fi: unele boli neurodegenerative, cancer, diabet, boli cardiace, epilepsie, obezitate ş.a., precum şi ca răspuns la acţiunea unor toxine externe, a infecţiilor virale sau a unor medicamente1. În plus, declinul progresiv al expresiei genelor mitocondriale este o caracteristică centrală a procesului normal de îmbătrânire. Toate aceste implicaţii au fundamentat un domeniu nou şi distinct de patologie umană interdisciplinară, numit generic medicină mitocondrială.
   Celulele umane conţin între 500 şi 2.000 de mitocondrii, fiecare dintre aceste organite având în alcătuirea sa două-zece molecule circulare de ADN dublu catenar, formate din câte 16.569 pb. Cele două catene de ADN mitocondrial (ADNmt) se deosebesc prin conţinutul lor în baze azotate (implicit, prin densitatea de plutire): una dintre catene este bogată înguanină (lanţul greu, H); în mod corespunzător, catena complementară are un conţinut mare de citozină (lanţul uşor, L) (fig. 1). Într-o mică regiune, ADNmt este alcătuit din trei catene prin sinteza unei piese scurte numite ADN 7S sau bucla D (de la „displacement loops“), în care se află „centrii de reglare“ ai funcţiilor ADNmt (originile replicării şi promotorii transcripţiei).
   Secvenţa nucleotidică a ADNmt a fost complet descifrată (Anderson şi colab., 1981), evidenţiindu-se câteva elemente particulare genomului mitocondrial, diferite de genomul nuclear. Astfel, ADNmt nu este asociat cu proteine histonice sau nehistonice şi aproape nu conţine ADNrepetitiv. Genomul mitocondrial este extrem de compact: circa 93% din ADN este format din secvenţe codante (absente doar în bucla D), ce formează 37 de gene: 13 gene codifică polipeptide sintetizate în mitocondrii (constituenţi ai sistemului de fosforilare oxidativă, prin care se produce majoritatea ATP celular), 22 de gene codifică diferite molecule de ARNt (implicate în sinteza proteinelor mitocondriale) şi două gene codifică ARNr (ce formează ribozomii mitocondriali). Genele din ADNmt sunt „strâns împachetate“, aproape totdeauna contigue sau separate prin doar una-două perechi de baze; ele nu conţin introni. Codul genetic mitocondrial diferă puţin de cel nuclear.
   Multe dintre particularităţile genomului mitocondrial prezintă similitudini cu genomul procariotelor, fapt ce justifică ipoteza endosimbiotică, potrivit căreia ADNmt provine din ADN al unor protobacterii aerobe primitive endocitate de strămoşii celulelor eucariote de azi („arhea“), total dependente de glicoliza anaerobă pentru a facilita producerea cantităţii necesare de molecule macroergice ATP. Odată încorporate (eveniment petrecut în urmă cu circa 1,5 miliarde de ani), protobacteriile şi-ar fi pierdut autonomia, multe dintre activităţile lor legate de generarea energiei fiind preluate şi controlate de către genomul nuclear. Astfel, marea majoritate a proteinelor mitocondriale (multe dintre ele fiind implicate în alte procese decât sinteza de ATP) sunt codificate de circa 1.000 de gene nucleare, fiind sintetizate în citoplasmă şi importate în mitocondrii. Acest lucru este important de reţinut, deoarece bolile mitocondriale pot fi determinate atât de mutaţii ale ADNmt, cât şi de mutaţii ale genelor „mitocondriale“ din ADN nuclear.
   Mutaţiile în ADNmt se produc cu o frecvenţă de 1020 de ori mai mare decât în ADN nuclear, din cel puţin trei motive: (1) ADNmt nu formează complexe cu histonele (cu rol protector) şi de aceea este deosebit de vulnerabil la acţiunea agenţilor mutageni, dintre care unii – radicalii liberi de oxigen puternic agresivi – sunt generaţi în cantităţi mari chiar în matricea mitocondrială, adică în mediul în care se află moleculele de ADNmt; (2) În cursul replicării ADNmt, sub acţiunea imperfectă a ADN-polimerazei gamma, se produc frecvent erori de împerechere a bazelor azotate; (3) Mitocondriile nu posedă sisteme eficiente de reparare a ADN şi, ca atare, erorile inerente replicării, precum şi leziunile produse accidental rămân, în marea lor majoritate, necorectate şi se acumulează în timp sub formă de mutaţii somatice, explicând progresia bolilor mitocondriale, apariţia unor boli neurodegenerative la vârstnici, precum şi procesul de senescenţă.
   Trebuie subliniat faptul că genomul mitocondrial al zigotului provine aproape exclusiv din ovul, deci de la mamă2, fapt ce determină un tip particular de transmitere maternală a mutaţiilor constituţionale (germinale) ale ADNmt şi a bolilor monogenice mitocondriale pe care le produc: de la mamă la toţi copiii săi (de ambele sexe), în timp ce bărbaţii bolnavi nu transmit boala (fig. 2). Faptul că ADNmt este moştenit uniparental, exclusiv matriliniar, a permis realizarea unor studii de filiaţie3, de „înrudire“ populaţională şi de reconstituire a evoluţiei „pe linie maternă“ a populaţiilor umane, înapoi în timp până la originea umanităţii (conceptul unui strămoş african comun pe linie maternă, numit simbolic „Eva mitocondrială“), sau a „călătoriilor continentale“ ale rudelor noastre ancestrale (fig. 3). Nu trebuie însă să uităm că majoritatea proteinelor mitocondriale sunt sintetizate pe baza informaţiei unor gene nucleare şi, în acest caz, transmiterea unor mutaţii4 se face clasic, conform eredităţii mendeliene.
   Atunci când se produce o mutaţie somatică, dobândită, în ADN mitocondrial, rezultă în mitocondrie un amestec de molecule mutante şi normale, numit heteroplasmie (spre deosebire de prezenţa exclusivă a unui singur tip de mitocondrii, normal sau mutant, numită homoplasmie). Când o celulă se divide, ADNmt mutant va fi împărţit aleatoriu între celulele fiice şi astfel, în timp, procentajul de ADNmt mutant între diferite linii celulare şi ţesuturi va fi diferit, fenomen numit segregare replicativă. S-a demonstrat că procentajul ADNmt mutant creşte în timp şi producţia de energie scade treptat, până sub un prag minim necesar funcţionării normale a ţesutului, moment în care manifestările clinice devin evidente. De aceea, disfuncţiile mitocondriale prin mutaţii somatice au un debut tardiv şi o evoluţie progresivă. Valoarea pragului energetic variază de la un ţesut la altul, cel mai sensibil la deficitul energetic fiind sistemul nervos; urmează, în ordine, muşchii scheletici, inima, rinichii, glandele endocrine şi ficatul.
   Mai subliniem faptul că mitocondriile prezintă o dinamică morfofuncţională particulară, cu rol crucial în reglarea funcţiilor mitocondriale, reprezentată de fisiunea (divizarea unei mitocondrii în două sau mai multe entităţi independente) şi fuziunea mitocondrială (cuplarea şi combinarea mai multor mitocondrii). Perturbările proceselor de fisiune şi fuziune (determinate de mutaţii ale genelor nucleare care le guvernează) se constituie în cauze ale unor patologii complexe, printre care figurează şi unele afecţiuni neurodege­nerative.
   Prima boală mitocondrială a fost identificată în urmă cu doar cinci decenii (Luft şi colab., 1962) la un pacient cu „hipermetabolism“. Ulterior, au fost descrise peste 200 de fenotipuri patologice atribuite alterării genetice a funcţiei mitocondriale care, deşi au manifestări variate, prezintă o trăsătură unificatoare constituită din deficitul balanţei energetice. Scăderea, sub un prag critic, a producţiei de energie la nivel mitocondrial antrenează perturbări majore ale activităţilor celulare, acumularea unor produşi metabolici toxici (de exemplu, lactaţi), traduse prin declinul capacităţii unor ţesuturi şi organe de a-şi îndeplini funcţiile specifice. Cele mai afectate sunt sistemul nervos şi muşchii scheletici, a căror activitate este dependentă prevalent de energia rezultată din procesul fosforilării oxidative mitocondriale. Virtual însă, toate organele pot ajunge în stare de incapacitate funcţională provocată de disfuncţii mitocondriale şi, ca atare, multe specialităţi medicale sunt inerent confruntate cu acest tip de patologie. Pe lângă diversitatea şi complexitatea lor, bolile mitocondriale sunt mult mai frecvente decât se estimează de către unii clinicieni, incidenţa lor depăşind cifra de 1:3.500 de nou-născuţi (valoare comparabilă cu aceea a fibrozei chistice în populaţia europeană, considerată una dintre cele mai frecvente boli genetice). Acest fapt implică, o dată în plus, necesitatea recunoaşterii şi diagnosticării corecte a complexităţii patologiei mitocondriale, în contextul unui spectru simptomatic foarte larg (manifestări multisistemice) şi a unei mari variabilităţi clinice interindividuale (determinate de heteroplasmie, gene modulatoare etc.). Vom preciza că, deşi unele explorări paraclinice (biochimice, histopatologice, electromiografice etc.) pot documenta o posibilă disfuncţie mitocondrială, diagnosticul decisiv îl constituie analiza moleculară a ADNmt.
   Termenul de boli mitocondriale se referă de obicei la fenotipurile patologice produse de mutaţii constituţionale ale ADNmt sau ale genelor nucleare ce codifică proteine mitocondriale. Ele trebuie diferenţiate de disfuncţiile mitocondriale primare determinate de acumularea unor mutaţii somatice, dobândite ale aceloraşi gene. Aceste disfuncţii, care produc declinul producţiei de ATP, au fost descrise în procesul de senescenţă, precum şi în diferite boli comune, cum ar fi: cancerul, diabetul zaharat tip 2, cardiomiopatiile dilatative, epilepsia, obezitatea, unele boli neurodegenerative (boala Parkinson, scleroza laterală amiotrofică, boala Alzheimer) ş.a. Există şi disfuncţii mitocondriale secundare produse de acţiunea unor factori externi (toxine, infecţii virale sau numeroase medicamente) asupra sintezei sau funcţiei proteinelor mitocondriale. În acest context, vom preciza că multe dintre reacţiile adverse ce apar la medicamente frecvent folosite (statine, barbiturice, aspirină, antiinflamatoare nesteroidiene, unele antibiotice, antidepresive, antipsihotice, anticonvulsivante etc.) sunt consecinţa disfuncţiilor mitocondriale. Se impune, aşadar, ca lansarea pe piaţă a unui medicament să fie condiţionată de testarea prealabilă a toxicităţii sale asupra mitocondriilor, pentru a proteja pacienţii de potenţialele efecte secundare, dar şi pentru a elabora strategii nutriţionale capabile să reducă riscurile iatrogene.
   Un domeniu de patologie „inaugurat“ acum şase decenii a evoluat în ultimii ani într-o disciplină complexă, medicina mitocondrială. „Lecţiile“ învăţate din studiile bolilor mitocondriale monogenice rare au implicaţii în diagnosticul disfuncţiilor mitocondriale identificate în multe boli comune. În câţiva ani, aplicarea noilor tehnologii de secvenţiere a exomului sau a întregului genom vor produce o expansiune a cunoştinţelor despre mutaţiile genelor nucleare în deficienţele mitocondriale primare, ce va permite dezvoltarea unor mijloace terapeutice eficiente.

 

 
1. Ştefănescu D, Covic M. Bolile mitocondriale. În: Genetica medicală, ed. 2 (editori Covic M, Ştefănescu D, Sandovici I). Editura Polirom, Iaşi, 2011 (figurile utilizate în text au aceeaşi sursă)

2. Puţinele mitocondrii care pătrund din spermatozoid în ovul sunt „marcate“ cu ubiquitină şi apoi degradate după fecundare

3. Relicvele ţarului Nicolae II, ale soţiei sale Alexandra şi ale copiilor lor au fost identificate comparând ADNmt din resturile găsite la Ekaterinburg (Sverdlovsk) în Urali, unde au fost ucişi, cu ADNmt al unor persoane în viaţă înrudite cu familia ţarului prin strămoşi comuni pe linie maternă

4. Până în martie 2012, au fost descrise 228 de mutaţii patologice în genele nucleare ce codifică proteine mitocondriale (Koopman WJ, Willems PH, Smeitink JA. Monogenic mitochondrial disorders. N Engl J Med. 2012 Mar 22;366:1132-41)

Abonează-te la Viața Medicală

Dacă vrei să fii la curent cu tot ce se întâmplă în lumea medicală, abonează-te la „Viața Medicală”, săptămânalul profesional, social și cultural al medicilor și asistenților din România!
  • Tipărit + digital – 199 de lei
  • Digital – 149 lei
Titularii abonamentelor pe 12 luni sunt creditați astfel de:
  • Colegiul Medicilor Stomatologi din România – 5 ore de EMC
  • Colegiul Farmaciștilor din România – 10 ore de EFC
  • OBBCSSR – 7 ore de formare profesională continuă
  • OAMGMAMR – 5 ore de EMC