Capítulo 85e: DNA mitocondrial y enfermedades y rasgos hereditarios

Las mitocondrias son orgánulos citoplásmicos cuya principal función es generar trifosfato de adenosina (ATP, adenosine triphosphate) por el proceso de fosforilación oxidativa en condiciones aerobias. El proceso es mediado por los complejos enzimáticos multiproteínicos I a V de la cadena de transporte de electrones (ETC, electron transport chain) respiratoria y por los dos portadores de electrones, la coenzima Q (CoQ) y el citocromo c. Otros procesos celulares a los que las mitocondrias hacen una contribución fundamental son la apoptosis (muerte celular programada), así como otras funciones específicas de tipo celular (cuadro 85e-1). La eficacia de la ETC mitocondrial en la producción de ATP es un determinante fundamental del equilibrio energético y de la termogénesis corporales globales. Además, las mitocondrias sirven como la fuente predominante para la generación de especies de oxígeno reactivo (ROS, reactive oxygen species), cuya tasa de producción también se relaciona con el acoplamiento de la producción de ATP al consumo de oxígeno. Dada la centralidad de la fosforilación oxidativa a las actividades normales de casi todas las células, no es sorprendente que la disfunción mitocondrial pueda afectar a casi cualquier sistema orgánico (fig. 85e-1). Por tanto, médicos de muchas especialidades pueden tener bajo su cuidado pacientes con enfermedades mitocondriales y es indispensable que conozcan su existencia y sus características.

Es necesaria la actividad integrada de un estimado de 1 500 productos génicos para la biogénesis, la función y la integridad normales de las mitocondrias. La mayor parte de ellos está codificada por genes nucleares, por lo cual siguen las reglas y los patrones de la herencia genómica nuclear (cap. 84). Tales proteínas de codificación nuclear son sintetizadas en el citoplasma celular e importadas a su localización de actividad en las mitocondrias mediante un proceso bioquímico complejo. Además, las mismas mitocondrias tienen su propio genoma que consta de numerosas copias (poliploidía) por mitocondria de una molécula de DNA mitocondrial (mtDNA) bicatenario, circular, que consta de una secuencia de 16 569 nucleótidos. Esta secuencia de mtDNA (también conocida como “mitogenoma” puede representar el residuo de procariotas endosimbióticos a partir de los cuales se cree que se originaron las mitocondrias. La secuencia mtDNA contiene un total de 37 genes, 13 de los cuales codifican componentes de proteínas mitocondriales de la ETC (fig. 85e-2). Los genes restantes, 22 que codifican tRNA y dos que codifican rRNA, están dedicados al proceso de traducción de las 13 proteínas codificadas por el mtDNA. Este doble control genético nuclear y mitocondrial de la función mitocondrial puede producir fascinantes patrones hereditarios, que representan un reto diagnóstico. Este capítulo se centra en enfermedades y en rasgos hereditarios relacionados con el componente mtDNA del doble control genético de la función mitocondrial. Se remite al lector a los capítulos 84 y 462e para la consideración de las enfermedades mitocondriales que tienen su origen en mutaciones del genoma nuclear. Esto último incluye 1) trastornos por mutaciones en los genes nucleares que codifican directamente componentes estructurales o bien, que ensamblan factores de complejos de fosforilación oxidativa, 2) trastornos por mutación en los genes nucleares que codifican de manera indirecta proteínas relacionadas con la fosforilación oxidativa y 3) síndromes de agotamiento de mtDNA (MDS, mtDNA depletion syndromes) que se caracterizan por reducción en el número de copias de mtDNA en los tejidos afectados sin mutaciones o reordenamientos en el mtDNA.

Como resultado de su estructura circular y de su localización extranuclear, los mecanismos de replicación y transcripción del mtDNA difieren de los correspondientes mecanismos del genoma nuclear, cuya estructura y embalaje nucleosómicos son más complejos. Como cada mitocondria contiene muchas copias de mtDNA y dado que el número de mitocondrias por célula puede variar durante la vida de ésta, el número de copias de mtDNA no está directamente coordinado con el ciclo celular. Por tanto, se observan grandes diferencias del número de copias de mtDNA entre diferentes tipos celulares y tejidos y durante la vida de una célula. Otra característica importante del proceso de replicación del mtDNA es una gran disminución de la restricción de la corrección y de la corrección de errores de la replicación, lo cual lleva a un grado mucho mayor de variación de la secuencia en comparación con el genoma nuclear. Algunas de estas variaciones de la secuencia son polimorfismos silentes que no tienen el potencial de un efecto fenotípico o patógeno, mientras que otras pueden ser consideradas mutaciones patógenas.

Con respecto a la transcripción, la iniciación puede tener lugar en ambas cadenas y continúa con la producción de un RNA precursor policistrónico sin intrones que es procesado luego para originar los 13 mRNA individuales y 24 productos individuales de tRNA y rRNA. Los 37 genes mtDNA comprenden completamente 93% de los 16 569 nucleótidos del mtDNA en lo que se conoce como región codificante. La región de control consta de casi 1.1 kilobases (kb) de DNA no codificante, que se cree tiene una participación fundamental en la iniciación de la replicación y de la transcripción.

HERENCIA MATERNA Y FALTA DE RECOMBINACIÓN

A diferencia de la recombinación de pares homólogos que tiene lugar en el núcleo, las moléculas de mtDNA no sufren recombinación, de manera que los episodios mutacionales representan la única posibilidad de diversificación genética del mtDNA. Además, con raras excepciones, sólo el DNA materno se transmite a la descendencia. El ovocito fertilizado degrada el mtDNA aportado por el espermatozoide mediante un proceso complejo en el que participa el sistema proteasoma ubicuitina. Por tanto, mientras las madres transmiten su mtDNA a hijos e hijas, sólo estas últimas pueden transmitir el mtDNA heredado a generaciones futuras. Como consecuencia, la variación de la secuencia del mtDNA y los rasgos fenotípicos y las enfermedades vinculadas son heredados de manera exclusiva por línea materna.

Como se revisa más adelante, debido a la compleja relación entre las mutaciones del mtDNA y la expresión de la enfermedad, a veces esa herencia materna es difícil de identificar desde el punto de vista clínico o genealógico. Sin embargo, la prueba de una transmisión paterna puede, casi con certeza, descartar un origen genético de la variación fenotípica o de la enfermedad en el mtDNA; por el contrario, una enfermedad que afecta a ambos géneros sin evidencia de transmisión paterna es muy indicadora de un trastorno hereditario del mtDNA (fig. 85e-2).

NÚMERO DE COPIAS MÚLTIPLES (POLIPLOIDÍA), TASA DE MUTACIÓN ALTA, HETEROPLASMIA Y SEGREGACIÓN MITÓTICA

Cada célula aeróbica del organismo tiene múltiples mitocondrias, a menudo muchos cientos o más, en células con grandes necesidades de producción de energía. Además, el número de copias de mtDNA en cada mitocondria varía de varias a cientos; esto es cierto en células madre y somáticas, como los ovocitos en las mujeres. En el caso de las células somáticas, esto significa que el efecto de la mayoría de las mutaciones somáticas adquiridas es, tal vez, muy pequeño en cuanto a la función total de las células o de los órganos; sin embargo, debido al ritmo de mutación multiplicado varias veces durante la replicación del mtDNA, pueden acumularse numerosas mutaciones diferentes con el envejecimiento del organismo. Se ha propuesto que, con la edad, la carga acumulativa total de mutaciones somáticas adquiridas del mtDNA puede generar una anomalía global de la función mitocondrial y contribuir así a la reducción de la eficacia de la fosforilación oxidativa y al aumento de la producción de ROS lesivos que se producen con la edad. La acumulación de dichas mutaciones adquiridas del mtDNA somático con el envejecimiento puede contribuir a enfermedades relacionadas con la edad, como síndrome metabólico y diabetes, cáncer, trastornos cardiovasculares y degenerativos, en cualquier individuo en específico. Sin embargo, dichas mutaciones somáticas del mtDNA no son transmitidas a la siguiente generación, por lo cual el efecto hereditario de la mutagénesis del mtDNA requiere considerar por separado los acontecimientos en la línea germinal femenina.

El múltiple número de copias del mtDNA en cada célula, incluidas las células madre maternas, tiene como resultado el fenómeno de heteroplasmia a diferencia de una mayor uniformidad (homoplasmia) de una secuencia de DNA nuclear somática. La heteroplasmia para una variante de secuencia dada de mtDNA con mutaciones de la misma se origina como consecuencia de la coexistencia en una célula, tejido o en moléculas individuales de mtDNA que aportan más de una versión de la variante de la secuencia (fig. 85e-3). Es de importancia crítica el fenómeno de heteroplasmia para comprender las enfermedades mitocondriales relacionadas con mtDNA. La coexistencia de mtDNA mutante y no mutante y la variación de la cadena mutante entre individuos hermanos, hijos de la misma madre y entre los órganos y tejidos en el mismo individuo, desempeñan una función primordial en las manifestaciones y gravedad de la enfermedad y son cruciales para comprender la complejidad de los trastornos de la herencia de mtDNA. Al nivel del ovocito, el porcentaje de moléculas de mtDNA que aportan cada versión de la variante de secuencia polimórfica o mutaciones dependen de eventos aleatorios relacionados con la partición de moléculas de mtDNA durante el proceso de ovogénesis. Así, los ovocitos difieren uno de otro en el grado de heteroplasmia para las secuencias variantes con mutaciones. A su vez, el estado de heteroplasmia es llevado hacia el cigoto y hacia el organismo en su conjunto en grados variables, dependiendo de la segregación mitótica de las moléculas de mtDNA durante el desarrollo de aparatos y sistemas y durante su conservación. Por tal razón, la fertilización in vitro seguida de diagnóstico genético antes de la implantación (PGD) no es predictiva de salud genética de la descendencia en el caso de mutaciones de mtDNA como en el caso del genoma nuclear. De la misma forma, el impacto de las mutaciones somáticas de mtDNA adquiridas durante el desarrollo y de manera subsiguiente también muestra un enorme espectro de variabilidad.

La segregación mitótica se refiere a la distribución inequitativa de la variante natural y de versiones mutantes de moléculas de mtDNA durante todas las divisiones celulares que ocurren en el desarrollo prenatal y más tarde a lo largo de la vida de un individuo. El efecto del fenotipo o el impacto de la enfermedad se encuentra en función no sólo del efecto inherente de la alteración (patogenicidad) del gen que codifica el mtDNA (mutaciones de la región codificante) o de la integridad de las moléculas de mtDNA (mutaciones de regiones de control), sino también de su distribución entre múltiples copias de mtDNA en varias mitocondrias, células y tejidos de los individuos afectados. Así, una consecuencia puede ser la producción de cuellos de botella por una reducción notable en grupos dados de variantes de mtDNA, consecuencia de tal segregación mitótica. La heterogeneidad se origina de las diferencias en el grado de heteroplasmia entre los ovocitos de la mujer afectada, junto con la segregación mitótica subsiguiente de las mutaciones patógenas durante el desarrollo de tejidos y órganos y a lo largo de la vida del individuo. La expresión actual de la enfermedad puede depender de un porcentaje de umbral de mitocondrias cuya función se ve alterada por las mutaciones de mtDNA. Esto a su vez confunde los patrones de transmisión hereditaria e incrementa el diagnóstico genético de mutaciones heteroplásmicas patógenas. En términos generales, si la proporción de mtDNA mutante es <60%, es poco probable que el individuo se vea afectado, mientras que proporciones >90% causan enfermedad clínica.

VARIANTES HOMOPLÁSMICAS Y FILOGENIA DEL mtDNA HUMANO

A diferencia de las enfermedades clásicas de mtDNA, la mayor parte de las cuales inicia en la infancia y son consecuencia de mutaciones heteroplásmicas, como se mencionó antes, a lo largo de la evolución del ser humano, ciertas variantes de secuencia de mtDNA se han desplazado a un estado de homoplasmia, en el que todas las moléculas de mtDNA en el organismo contienen nuevas variantes de secuencias. Esto se origina por el efecto de “cuello de botella” por la modificación genética durante el proceso mismo de ovogénesis (fig. 85e-3). En otras palabras, durante ciertas etapas de la ovogénesis, el número de copias de mtDNA se reduce de manera sustancial, de forma que especies particulares de mtDNA portan una variante de secuencia novedosa o derivada que puede volverse predominante y finalmente convertirse en una versión exclusiva de mtDNA para un sitio particular en un nucleótido. Toda la descendencia de una mujer que porta una variante de secuencia de mtDNA o una mutación que se ha vuelto homoplásmica también será homoplásmica para la variante que transmitirá la variante de secuencia a generaciones subsiguientes.

Consideraciones de adecuación reproductiva limitan el surgimiento evolutivo de mutaciones homoplásmicas que son letales o bien, que causan enfermedades graves en la infancia o lactancia. Así, con notables excepciones (p. ej., mutaciones de mtDNA que causan neuropatía óptica hereditaria de Leber; véase más adelante) la mayor parte de mutaciones homoplásmicas se considerarán marcadores neutrales de la evolución humana, lo que es útil y de interés en el análisis de la genética poblacional de ancestros maternos compartidos, pero que tiene poca importancia en las variaciones fenotípicas humanas o en la predisposición a enfermedades.

De mayor importancia es comprender que esta acumulación de mutaciones homoplásmicas ocurre en un locus genético que se transmite sólo a través de la línea germinativa femenina y que carece de combinaciones. A su vez, esto permite la reconstrucción de una topología secuencial y filogenia de mutaciones acumuladas a lo largo de la evolución humana desde el tiempo de los ancestros recientes más comunes de mtDNA de todas las secuencias contemporáneas de mtDNA, algunas de más de 200 000 años. El término haplogrupo suele utilizarse para definir puntos importantes de ramificación en la filogenia del mtDNA humano, anidados uno dentro de otro, lo que a menudo demuestra un sorprendente particionamiento ancestral geográfico continental. Al nivel de la secuencia completa de mtDNA, el término haplotipo por lo general se utiliza para describir la suma de mutaciones observadas para una secuencia dada de mtDNA y en comparación con la secuencia de referencia, tales haplotipos se incluyen en un haplogrupo dado compartido de la suma total de mutaciones que se han acumulado desde los ancestros más recientes y las bifurcaciones puntuales que marcan. En consecuencia, la secuencia de mtDNA humano es un prototipo molecular casi perfecto para un locus no recombinante y sus variaciones se han utilizado ampliamente en estudios filogenéticos. Además, la tasa de mutaciones mtDNA es considerablemente más elevada que la tasa observada para el genoma nuclear, en especial en las regiones de control, la cual contiene el desplazamiento o asa D, que a su vez comprende dos regiones hipervariables adyacentes (HVR-I y HVR-II). Junto con la ausencia de recombinación, esta modificación se amplifica a frecuencias más elevadas de haplotipos novedosos. Como consecuencia, los haplotipos de mtDNA se encuentran más particionados en regiones geográficas definidas que las variantes de secuencias en otras partes del genoma. Pese a la investigación amplia, no se ha establecido bien que tal particionamiento basado en haplotipos tenga influencia significativa en la salud humana. Sin embargo, el análisis filogenético basado en mtDNA puede utilizarse como una herramienta de aseguramiento de la calidad y como un filtro para diferenciar las variantes neutras de mtDNA que comprenden la filogenia del mtDNA humano de mutaciones potencialmente nocivas.

Es difícil calcular la verdadera prevalencia de la enfermedad por mtDNA debido a la heterogeneidad fenotípica que tiene lugar en función de la heteroplasmia, a la dificultad de detectar y valorar la heteroplasmia en diferentes tejidos afectados y a las otras características únicas de la función y de la herencia del mtDNA antes descritas. Se estima que al menos uno de cada 200 seres humanos sanos porta una mutación patógena del mtDNA que potencialmente ocasiona enfermedad; sin embargo, las mutaciones heteroplásmicas patógenas del mtDNA de línea germinal pueden afectar a casi uno de cada 8 500 individuos. La verdadera carga de la enfermedad relacionada con variaciones en la secuencia de mtDNA sólo se conocerá cuando se cuente con las siguientes capacidades: 1) la capacidad de diferenciar una variante de secuencia completamente neutra de un fenotipo modificador o de una mutación patógena; 2) valoración precisa de la heteroplasmia que puede determinarse con fidelidad y 3) un sistema biológico (cap. 87e) para determinar la red de interacciones epistáticas de la secuencia de mtDNA con mutaciones en el genoma nuclear.

VISIÓN GENERAL DE LAS CARACTERÍSTICAS CLÍNICAS Y PATOLÓGICAS DE LAS ENFERMEDADES DEL mtDNA HUMANO

Dadas las funciones vitales de las mitocondrias en todas las células nucleadas, no es sorprendente que las mutaciones del mtDNA puedan afectar a numerosos tejidos con efectos pleiotrópicos. Se han descrito más de 200 mutaciones diferentes del mtDNA causantes de enfermedad, la mayoría heteroplásmica, que afectan el funcionamiento de la ETC. La figura 85e-4 proporciona un mapa de mtDNA de algunos de los trastornos mejor descritos. Varias claves pueden aumentar la sospecha de mutación del mtDNA como causa de un rasgo o enfermedad hereditario, como: 1) agrupamiento familiar con ausencia de transmisión paterna; 2) adherencia a uno de los síndromes clásicos (véase más adelante) o combinaciones paradigmáticas de fenotipos de enfermedad que afectan a varios sistemas orgánicos que normalmente no van juntas en una simple categoría de mutación genómica nuclear; 3) un complejo de anomalías de laboratorio o patológicas que reflejan la alteración en la energética celular (p. ej., acidosis láctica y síntomas neurodegenerativos y miodegenerativos con el hallazgo de fibras musculares estriadas rasgadas, que reflejan la acumulación de mitocondrias anormales bajo la membrana sarcolémica del músculo) o 4) un patrón en mosaico que refleja un estado heteroplásmico.

A veces se puede demostrar de manera excelente la heteroplasmia en el ámbito hístico con técnicas de tinción histoquímica de enzimas de la vía de la fosforilación oxidativa, con un patrón en mosaico que indica heterogeneidad del genotipo para la región codificante de la enzima codificada por mtDNA. El complejo II, la CoQ y el citocromo c son codificados de manera exclusiva por el DNA nuclear. En cambio, los complejos I, III, IV y V contienen al menos algunas subunidades codificadas por mtDNA. Sólo tres de las 13 subunidades de la enzima del complejo IV de la ETC, oxidasa del citocromo c, son codificadas por mtDNA y, por tanto, esta enzima tiene el umbral de disfunción más bajo cuando se alcanza un umbral de mtDNA mutado. La tinción histoquímica de la actividad de la citocromo c oxidasa en tejidos de pacientes afectados por mutaciones heteroplásmicas hereditarias de mtDNA (o con la acumulación somática de mutaciones de mtDNA, véase más adelante) puede mostrar un patrón en mosaico de reducción de la tinción histoquímica en comparación con la tinción histoquímica de la enzima del complejo II, la succinato deshidrogenasa (fig. 85e-5). También se puede detectar la heteroplasmia a escala genética mediante genotipificación directa de mtDNA de tipo Sanger en condiciones especiales, aunque los niveles bajos de heteroplasmia clínicamente importantes pueden escapar a la detección de muestras extraídas de sangre total al utilizar técnicas convencionales de genotipado y secuenciación.

Se espera que el surgimiento de la siguiente generación de técnicas de secuenciación (NGS, next-generation sequencing) y su rápida penetración y reconocimiento como herramienta para el diagnóstico clínico mejore de manera espectacular el diagnóstico genético clínico de enfermedades mitocondriales al nivel del genoma nuclear y de mtDNA. En el contexto de un genoma nuclear más grande, la capacidad de las técnicas NGS incrementa notablemente la velocidad a la cual puede realizarse secuenciación de DNA a una fracción del costo de la tecnología de secuenciación convencional de Sanger, lo que es particularmente beneficioso. Los bajos costos de secuenciación y el tiempo expedito para realizar cientos de pruebas de detección de enfermedades genéticas mitocondriales previamente conocidas o sospechadas para la totalidad del exoma o genoma tiene por objeto identificar genes novedosos y mutaciones que afecten diferentes pacientes o familias. En el contexto del mtDNA, los métodos NGS sostienen la promesa particular de detección rápida y fiable de heteroplasmia en los diferentes tejidos afectados. Aunque las técnicas de secuenciación de Sanger permiten abarcar por completo el mtDNA, se encuentran limitadas por la falta de cobertura profunda y baja sensibilidad para la detección de heteroplasmia cuando ésta es mucho menor de 50%. Por el contrario, la tecnología NGS es una herramienta excelente para obtener con rapidez y precisión la secuencia de mtDNA predominante del paciente y también variaciones heteroplásmicas de baja frecuencia. Esto permite una cobertura profunda del genoma a través de múltiples lecturas independientes de secuencia. En consecuencia, estudios recientes realizados con tecnología NGS han demostrado que la precisión de la secuenciación es equivalente a la secuenciación con la técnica de Sanger pero también ha descubierto tasas de heteroplasmia no apreciadas hasta ahora que varían entre 10 a 50% y detección de heteroplasmia de un solo nucleótido a cifras <10 por ciento.

Desde el punto de vista clínico, la característica general más llamativa de la enfermedad genética mitocondrial es la heterogeneidad fenotípica relacionada con las mutaciones de mtDNA. Esto se extiende a la heterogeneidad fenotípica intrafamiliar para la misma mutación patógena de mtDNA y, a la inversa, a la superposición de manifestaciones fenotípicas de la enfermedad con distintas mutaciones. Por consiguiente, mientras los síndromes “clásicos” bastante sustentados y bien definidos se han atribuido a mutaciones específicas, a menudo se encuentran combinaciones “no clásicas” de fenotipos de enfermedad que varían de miopatía aislada a enfermedad multiorgánica extensa, lo cual dificulta la correlación genotipo-fenotipo. Tanto en trastornos clásicos de mtDNA como en los no clásicos, hay con frecuencia un agrupamiento de alguna combinación de anomalías que afectan el sistema nervioso (como atrofia del nervio óptico, retinopatía pigmentaria, hipoacusia neurosensitiva), el músculo cardiaco y esquelético (incluso los músculos extraoculares) y los sistemas endocrino y metabólico (como la diabetes mellitus). Otros sistemas, aparatos y órganos que pueden afectarse, aunque con mayor frecuencia en lactantes y niños, son el hematopoyético, el urinario, el hígado y el digestivo. Las mutaciones de la región codificante del mtDNA causantes de enfermedad pueden afectar a uno de los 13 genes que codifican proteínas o a uno de los 24 genes de la síntesis de proteínas. Las manifestaciones clínicas no permiten distinguir con facilidad estas dos categorías, aunque la acidosis láctica y los datos musculares patológicos tienden a ser más prominentes en la última. En todos los casos, se ha propuesto la producción anómala de ATP causada por trastornos de la ETC o al aumento de la generación de especies de oxígeno reactivas, como el mecanismo bioquímico que media entre la mutación de mtDNA y la manifestación de la enfermedad.

PRESENTACIONES INICIALES DEL DNA MITOCONDRIAL

La presentación clínica de los pacientes adultos con enfermedad del mtDNA puede dividirse en tres categorías: 1) datos clínicos que sugieren enfermedad mitocondrial (cuadro 85e-2), pero no un síndrome clásico bien definido; 2) síndromes mtDNA clásicos y 3) presentación clínica limitada a un sistema orgánico (p. ej., hipoacusia neurosensitiva aislada, miocardiopatía o diabetes mellitus).

En el cuadro 85e-3, se presenta un resumen de ocho síndromes clásicos o trastornos del mtDNA ilustrativos que afectan a sujetos adultos y se destacan algunas de las características más interesantes de la enfermedad de mtDNA en cuanto a patogenia molecular, herencia y cuadro clínico inicial. Los primeros cinco de esos síndromes son el resultado de mutaciones puntuales hereditarias en genes de codificación o de síntesis de proteínas del mtDNA; los otros tres, resultan de reordenamientos o deleciones que no suelen afectar la línea germinal.

La neuropatía óptica hereditaria de Leber (LHON, Leber hereditary optic neuropathy) es una causa frecuente de deficiencia visual heredada por vía materna; se presenta casi siempre durante el inicio de la vida adulta con pérdida indolora de la visión de un ojo y aparición de síntomas en el otro ojo seis a 12 semanas después del comienzo del episodio. En algunos casos, se observan ataxia cerebelosa, neuropatía periférica y alteraciones de la conducción cardiaca. En >95% de los casos, la LHON se debe a una de las tres mutaciones puntuales homoplásmicas del mtDNA que afectan a genes que codifican diferentes subunidades del complejo I de la ETC mitocondrial; sin embargo, no todos los individuos que heredan una mutación de LHON primaria del mtDNA generan neuropatía óptica y los varones tienen una probabilidad cuatro a cinco veces más elevada que las mujeres de verse afectados, lo que indica que los factores ambientales (p. ej., exposición al tabaco) o genéticos son importantes en la etiología de estos trastornos. El trasfondo genómico nuclear y mitocondrial modifica la penetrancia de la enfermedad. Así, se ha identificado una región del cromosoma X que contiene un haplotipo de alto riesgo para LHON, lo cual apoya la hipótesis de que genes nucleares actúen como modificadores y brinda una explicación para la prevalencia de LHON en varones. Este haplotipo se puede utilizar en pruebas genómicas predictivas y en estudios de detección prenatal para la enfermedad. A diferencia de otros trastornos clásicos del mtDNA, es interesante que los pacientes con este síndrome sean a menudo homoplásmicos para la mutación causal de la enfermedad. Es posible que el comienzo algo tardío a principios de la edad adulta y el efecto modificador de los haplotipos genómicos nucleares con trasfondo protector hayan permitido que las mutaciones homoplásmicas patógenas escaparan a la censura de la evolución.

La encefalomiopatía mitocondrial, acidosis láctica y episodios similares a apoplejía (MELAS) es un trastorno multisistémico que típicamente inicia entre los dos y 10 años de edad. Siguiendo un desarrollo psicomotor temprano normal, los síntomas iniciales más comunes son convulsiones, cefaleas recurrentes, anorexia y vómito recurrente. La intolerancia al ejercicio o la debilidad de la porción proximal de las extremidades puede ser la manifestación inicial, seguida de convulsiones tónico-clónicas generalizadas, así como talla baja. Las convulsiones a menudo se asocian con episodios similares a apoplejía con hemiparesia transitoria o ceguera cortical que puede producir alteración del estado de conciencia y puede presentar recurrencias. Los efectos residuales de los episodios similares a apoplejía afectan gradualmente la capacidad motora, la visión y el estado cognitivo, a menudo en adolescentes o adultos jóvenes. La hipoacusia neurosensitiva se añade a la afectación progresiva de estos individuos. Se han descrito un grupo de síntomas menos comunes, lo que incluye mioclono, ataxia, coma episódico, atrofia óptica, miocardiopatía, retinopatía pigmentosa, oftalmoplejía, diabetes mellitus, hirsutismo, trastornos de la motilidad intestinal y nefropatía. La edad típica de defunción varía de 10 a 35 años, pero algunos individuos viven hasta la sexta década de la vida. Las infecciones intercurrentes o la obstrucción intestinal a menudo son eventos terminales. Los estudios de laboratorio a menudo muestran incremento de las concentraciones de lactato en reposo con incremento excesivo después de ejercicio moderado. Los estudios de imagen del encéfalo durante episodios similares a apoplejía muestran áreas con incremento de las señales con ponderación T2, que típicamente afectan la porción posterior del cerebro y no siguen la distribución de las arterias principales. El electrocardiograma (ECG) puede mostrar evidencia de miocardiopatía, preexcitación o bloqueo cardiaco incompleto. La electromiografía y los estudios de conducción nerviosa son compatibles con enfermedad miopática, pero pueden coexistir neuropatía axonal y sensitiva. La biopsia muscular por lo general muestra fibras rojas “desgarradas” con la tinción tricroma de Gomori o “fibras desgarradas azules” por reacción hiperintensa con tinción histoquímica para succinato deshidrogenasa. El diagnóstico de MELAS se basa en la combinación de datos clínicos y pruebas genéticas moleculares. La causa son las mutaciones en el gen de mtDNA, MT-TL1, que codifican el tRNA^leu. La mutación más común, que se presenta en casi 80% de los individuos con manifestaciones clínicas típicas, es una transición de A a G en el nucleótido 3243 (m.3243A>G). Las mutaciones suelen detectarse en el mtDNA de leucocitos en individuos con MELAS típica; sin embargo, la aparición de heteroplasmia puede ocasionar distribución variable en los tejidos del mtDNA mutado. En ausencia de tratamiento específico, varias manifestaciones de MELAS se tratan de acuerdo a modalidades estándar para la prevención, vigilancia y tratamiento.

La epilepsia mioclónica y fibras musculares estriadas rasgadas (MERRF, myoclonic epilepsy with ragged red fibers) es un trastorno multiorgánico que se caracteriza por mioclonía, convulsiones, ataxia y miopatía con fibras musculares estriadas. A menudo ocurren hipoacusia, intolerancia al ejercicio, neuropatía y estatura baja. Casi todos los pacientes con MERRF tienen mutación del gen tRNA^lys del mtDNA y la mutación m.8344A>G en el gen del mtDNA que codifica el tRNA del aminoácido lisina ocasiona 80 a 90% de los casos de MERRF.

La neuropatía, la ataxia y la retinitis pigmentaria (NARP, neurogenic weakness, ataxia, and retinitis pigmentosa) se caracterizan por atrofia cerebral y cerebelosa difusa y moderada y por lesiones simétricas en los ganglios basales en la imagen por resonancia magnética (MRI, magnetic resonance imaging). Se ha identificado una mutación heteroplásmica m.8993T>G en la subunidad 6 del gen adenosina trifosfatasa (ATPasa, adenosine triphosphatase) como causa. No se observan fibras rasgadas en la biopsia muscular. Cuando son mutantes >95% de las moléculas de mtDNA, se presenta un cuadro clínico neurorradiográfico y neuropatológico más grave (síndrome de Leigh). Las mutaciones puntuales del gen del mtDNA que codifica el rRNA 12S causan hipoacusia hereditaria no sindrómica. Una de estas mutaciones produce susceptibilidad ototóxica hereditaria a los antibióticos aminoglucósidos, lo cual abre un camino para una sencilla prueba farmacogenética en las situaciones clínicas adecuadas.

El síndrome de Kearns-Sayre (KSS, Kearns-Sayre syndrome), la oftalmoplejía externa progresiva (PEO, progressive external ophthalmoplegia) esporádica y el síndrome de Pearson son tres fenotipos de enfermedad causados por reordenamientos a gran escala del mtDNA, como deleciones parciales o duplicación parcial. Se cree que la mayor parte de los reordenamientos a gran escala del mtDNA es el resultado de la amplificación clonal de un solo episodio mutacional esporádico que tiene lugar en el ovocito materno o durante el inicio del desarrollo embrionario. Como la afectación de la línea germinal es rara, la mayor parte de los casos es esporádico más que heredado.

El KSS se caracteriza por la tríada de inicio antes de los 20 años, oftalmoplejía externa progresiva crónica y retinopatía pigmentaria. También son parte del síndrome: el síndrome cerebeloso, el bloqueo cardiaco, el aumento del contenido de proteínas del líquido cefalorraquídeo, la diabetes y la estatura baja. Las deleciones y las duplicaciones aisladas también pueden causar fenotipos más leves, como PEO, caracterizado por oftalmoplejía externa progresiva de comienzo tardío, miopatía proximal e intolerancia al ejercicio. La diabetes mellitus y la hipoacusia acompañan a menudo al KSS y a la PEO. El síndrome de Pearson también se caracteriza por diabetes mellitus causada por insuficiencia pancreática, junto con pancitopenia y acidosis láctica, causada por la deleción esporádica a gran escala de varios genes del mtDNA.

Dos dilemas importantes en enfermedades clásicas de mtDNA se han beneficiado de importantes investigaciones recientes. La primera se relaciona con la mayor participación de manifestaciones neuronales, musculares, renales, hepáticas y pancreáticas en la enfermedad de mtDNA en estos síndromes. Esta observación se ha atribuido de manera apropiada principalmente a la elevada utilización de energía de los tejidos y sistemas orgánicos involucrados y, por consiguiente, a la mayor dependencia de la salud y la integridad de la ETC mitocondrial. Sin embargo, debido a que las mutaciones son acontecimientos estocásticos, las mutaciones mitocondriales pueden presentarse en cualquier órgano durante la embriogénesis y el desarrollo. En fecha reciente, se han sugerido explicaciones adicionales con base en estudios de la transición común m.3243A>G. Se observó que la proporción de esta mutación en células de sangre periférica disminuye de modo exponencial con la edad. Un proceso selectivo que actúe a nivel de las células madre con un fuerte sesgo en contra de la forma mutada, tendría su mayor efecto en disminuir el mtDNA mutante sólo en células altamente proliferativas, como las derivadas del sistema hematopoyético. Los tejidos y los órganos con menor recambio celular, como los involucrados con mutaciones del mtDNA, no se beneficiarían de este efecto y, por tanto, serían los más afectados.

Otra pregunta importante de interés se origina de la observación de que sólo un subgrupo de mutaciones de mtDNA dan cuenta de la mayoría de las enfermedades familiares del mtDNA. La ocurrencia al azar de mutaciones en la secuencia de mtDNA debería generar una distribución más uniforme de mutaciones causantes de la enfermedad. Sin embargo, estudios recientes que utilizan la introducción de una mutación puntual grave y una leve en la línea germinal femenina de animales experimentales demostró la eliminación selectiva durante la ovogénesis de la mutación grave y la retención selectiva de las mutaciones más leves, con la emergencia de la enfermedad mitocondrial en la descendencia después de múltiples generaciones. Por consiguiente, la ovogénesis por sí misma puede actuar como un filtro “evolutivo” para la enfermedad de mtDNA.

INVESTIGACIÓN DE LA SOSPECHA DE ENFERMEDAD DEL mtDNA

Los cuadros clínicos iniciales de síndromes clásicos, las agrupaciones de manifestaciones patológicas de múltiples sistemas orgánicos o los padecimientos iniciales aislados inexplicados de una de las características patológicas de un síndrome de mtDNA clásico deben poner en marcha una investigación clínica sistemática, como se indica en la figura 85e-6. Deben considerarse las enfermedades mitocondriales en el diagnóstico diferencial de cualquier trastorno multisistémico progresivo. A pesar de la centralidad de la fosforilación oxidativa anómala, una concentración sanguínea alta de lactato no es específica ni sensible porque hay muchas causas de acidosis láctica en sangre y un número alto de pacientes con defectos del mtDNA que se manifiestan en la edad adulta tienen concentraciones sanguíneas normales de lactato. Si hay afectación neurológica central, un aumento del lactato en el líquido cefalorraquídeo es una prueba más específica de enfermedad mitocondrial. La creatina cinasa sérica puede hallarse elevada, pero a menudo es normal, incluso en presencia de una miopatía proximal. Los ácidos orgánicos y los aminoácidos en orina también pueden estar alterados, lo cual refleja disfunción metabólica y del tubo contorneado proximal del riñón. Se debe realizar un electroencefalograma a todo paciente con convulsiones o deterioro cognitivo. Una tomografía computarizada (CT, computed tomography) encefálica puede mostrar calcificación de los ganglios basales o regiones hipodensas bilaterales con atrofia cortical. La MRI está indicada en pacientes con signos del tronco cerebral o episodios similares a apoplejía.

En algunas enfermedades mitocondriales es posible obtener un diagnóstico preciso con un simple estudio de detección genético molecular. Por ejemplo, 95% de los pacientes con LHON son portadores de una de las tres siguientes mutaciones puntuales del mtDNA: m.11778A>G, m.3460A>G y m.14484T>C. Estos pacientes tienen concentraciones muy altas de mtDNA mutado en células de sangre periférica y, por tanto, es apropiado enviar una muestra de sangre para su análisis genético molecular mediante la reacción en cadena de polimerasa (PCR, polymerase chain reaction) o polimorfismo de la longitud de fragmentos de restricción. Lo mismo es cierto para la mayoría de los pacientes con MERRF que son portadores de una mutación puntual en el gen del tRNA de la lisina en la posición 8344. En cambio, los sujetos con la mutación MELAS m.3243A>G tienen a menudo concentraciones bajas de mtDNA mutado en sangre. Si la sospecha clínica es suficiente para justificar pruebas en sangre periférica, debe investigarse más a fondo a los individuos con resultado negativo mediante una biopsia de músculo estriado.

El análisis histoquímico de la biopsia muscular es la base de la investigación de pacientes con sospecha de enfermedad mitocondrial. El análisis histoquímico puede mostrar acumulación subsarcolémica de mitocondrias con aspecto de fibras musculares estriadas rasgadas. La microscopia electrónica puede mostrar mitocondrias anormales con inclusiones paracristalinas. La histoquímica muscular puede mostrar fibras con deficiencia de citocromo c oxidasa (COX, cytochrome-c oxidase), indicadora de disfunción mitocondrial (fig. 85e-5). Los análisis del complejo de la cadena respiratoria también pueden mostrar una función enzimática disminuida. Cualquiera de esas dos anomalías confirma que un paciente tiene enfermedad mitocondrial, lo cual debe motivar un análisis genético molecular a profundidad.

Evidencia relevante ha brindado información clave sobre la importancia de la intercomunicación del DNA genómico nuclear mtDNA y ha proporcionado un marco descriptivo para clasificar y comprender las entidades patológicas que emanan de las alteraciones en esta intercomunicación. Pese a que éstas no se consideran estrictamente enfermedades genéticas del mtDNA, sus manifestaciones se sobreponen con las descritas previamente (fig. 85e-7).

La relación entre el grado de heteroplasmia, la distribución hística del mtDNA mutante y el fenotipo de la enfermedad simplifica la inferencia de una clara relación causal entre mutación heteroplásmica y enfermedad. Con la excepción de algunas mutaciones (p. ej., las que causan la mayor parte de los casos de LHON), la desviación hacia la homoplasmia de tales mutaciones se evitaría normalmente por la gravedad de la alteración de la fosforilación oxidativa y la consiguiente reducción del estado reproductivo. Por tanto, las variantes de secuencia que han alcanzado la homoplasmia deben ser neutrales en términos de evolución humana y por tanto, útiles sólo para trazar la evolución del ser humano, aspectos demográficos y de migración, como se describe antes. Una excepción importante es en el caso de una o más variantes homoplásmicas al nivel de la población, la cual designa al haplogrupo J de mtDNA, y la interacción con las mutaciones de mtDNA que causan LHON. La disminución de la predilección de la enfermedad sugiere que una o más de las variantes de secuencia antiguas que designaban el haplogrupo J de mtDNA parecen atenuar la predisposición a las enfermedades degenerativas, frente a otros factores de riesgo. Aún debe determinarse si se encontraran interacciones epistáticas adicionales entre los haplotipos de mtDNA a nivel poblacional y si se encontraran enfermedades comunes. Si existen tales influencias, entonces es más probable que sean relevantes para el estado de salud en grupos de individuos después de la edad fértil, mientras que los ciclos evolutivos no tendrían oportunidad de producir efectos nocivos e interacciones en los efectos producidos por la tensión oxidativa. Aunque se ha escrito mucho sobre la posible asociación de las variantes de mtDNA y la salud del ser humano y fenotipos de enfermedad o adaptación a diferentes intereses ambientales (p. ej., el clima), cabe hacer una aclaración.

Muchos estudios que proponen tales asociaciones con fenotipos como la longevidad, desempeño deportivo y enfermedades metabólicas y neurodegenerativas se limitan a muestras de tamaño pequeño, con posibles imprecisiones en la genotipificación y la posibilidad de sesgos de estratificación de la población o de antecedentes étnicos. Como los haplogrupos están particionados de manera prominente a lo largo de líneas filogeográficas, es difícil descartar la posibilidad de que los haplogrupos para los cuales se ha encontrado tal asociación sea simplemente un marcador de las diferencias en la población con diferencia social o ambiental o con diferentes frecuencias alélicas en otros locus genómicos, que en realidad están relacionados con rasgos hereditarios o con enfermedades de interés. Esto se dificulta aún más por los problemas para generar modelos celulares o animales para valorar esta influencia funcional de las variantes de secuencia homoplásmica (como consecuencia de la poliploidía de mtDNA). La formulación más probable es que el riesgo conferido por diferentes mutaciones homoplásmicas, que define haplogrupos para enfermedades comunes, depende de los antecedentes genómicos nucleares concomitantes, junto con influencias ambientales. El progreso para reducir las asociaciones potencialmente erróneas en los rasgos hereditarios de mtDNA y en los estudios de enfermedades debe incluir el aseguramiento de una muestra de tamaño adecuado a partir de una base de reclutamiento amplio para muestreo, utilizando población y testigos similares y realizando análisis que tomen en consideración interacciones epistáticas con otros locus genómicos y factores ambientales.

Estudios sobre seres humanos y animales en proceso de envejecimiento han demostrado una importante correlación potencial de la edad con la acumulación de mutaciones heterogéneas de mtDNA, sobre todo en los sistemas orgánicos que experimentan el fenotipo degenerativo hístico más prominente relacionado con la edad. La secuenciación de moléculas únicas de mtDNA amplificadas por PCR ha demostrado una media de dos o tres mutaciones puntuales por molécula en sujetos mayores, en comparación con los más jóvenes. Las mutaciones puntuales observadas incluyen las que ocasionan trastornos heteroplásmicos hereditarios de mtDNA conocidos, como las mutaciones m.3344A>G y m.3243A>G causantes de los síndromes MERRF y MELAS, respectivamente. Sin embargo, se observó que la carga acumulada de estas mutaciones puntuales somáticas adquiridas con la edad permanecía muy por debajo del umbral esperado para la expresión fenotípica (<2%). También se ha demostrado que las mutaciones puntuales en otros sitios que casi nunca son afectados en los trastornos hereditarios del mtDNA, se acumulan en niveles mucho más altos en algunos tejidos de individuos mayores, con la descripción de “puntos calientes” para mutaciones puntuales de mtDNA. De esta misma manera, se ha observado la acumulación de deleciones de mtDNA relacionadas con la edad y específicas de tejidos, como las deleciones implicadas en trastornos hereditarios conocidos de mtDNA, así como en otros. Se espera que la acumulación de deleciones funcionales del mtDNA en un tejido determinado se vincule con disfunción mitocondrial, como se refleja en una reducción de la actividad de la citocromo c oxidasa, irregular, relacionada con la edad, por tinción histoquímica, sobre todo en el músculo estriado y cardiaco y en el encéfalo. Un ejemplo bastante bien estudiado y quizá llegue a ser importante es la acumulación de deleciones del mtDNA y de deficiencia de la citocromo c oxidasa que se observa en neuronas de la sustancia negra en pacientes con enfermedad de Parkinson.

Se ha propuesto la progresiva acumulación de ROS como el principal factor que conecta las mutaciones de mtDNA con el envejecimiento y la patogenia de la enfermedad relacionada con la edad (fig. 85e-8). Como se observó antes, las ROS son un producto de la fosforilación oxidativa y son eliminadas por antioxidantes destoxificantes en grupos menos perjudiciales; sin embargo, la exagerada producción de ROS o la alteración de su eliminación provocan su acumulación. Uno de los principales objetivos de la lesión mediada por ROS es el DNA y es vulnerable en particular el mtDNA por su falta de histonas protectoras y por la menor eficacia de los sistemas de reparación de lesiones, en comparación con el DNA nuclear. A su vez, la acumulación de mutaciones de mtDNA produce una fosforilación oxidativa ineficaz, con la posibilidad de generación excesiva de ROS, lo cual crea un “círculo vicioso” de daño acumulativo del mtDNA. En efecto, se ha utilizado la medición del biomarcador del estrés oxidativo 8-hidroxi-2-desoxiguanosina para medir los aumentos, dependientes de la edad, el daño oxidativo al mtDNA a una tasa superior a la del DNA nuclear. Se debe destacar que la mutación del mtDNA también puede tener lugar en células posmitóticas, ya que la replicación del mtDNA no está sincronizada con el ciclo celular. Otros dos enlaces propuestos entre la mutación del mtDNA y la edad, además de la lesión hística mediada por ROS, son las anomalías de la eficacia de la fosforilación oxidativa con la alteración de la función celular aeróbica y las alteraciones de las vías apoptósicas, la ejecución de cuyos pasos implica actividad mitocondrial.

En modelos animales, se han realizado estudios de intervención genética para intentar aclarar la posible relación causal entre la mutación adquirida del mtDNA somático con el fenotipo del envejecimiento y la función de las ROS, en particular. La replicación del genoma mitocondrial es mediada por la actividad del gen γ de la polimerasa codificada por el núcleo. Una mutación de este gen en el ratón transgénico con sustitución de un gen normal por otro alterado con mutaciones específicas (knock-in) homocigoto vuelve deficiente a la enzima polimerasa para la corrección y produce un aumento de la tasa de mutación del mtDNA de tres a cinco veces. Estos ratones generan un fenotipo de envejecimiento prematuro, que incluye lipoatrofia subcutánea, alopecia, cifosis y pérdida de peso con muerte prematura. Aunque se ha establecido de manera firme el dato del aumento de la mutación del mtDNA y la disfunción mitocondrial con la edad, aún falta probar la participación causal y la contribución específica de las ROS mitocondriales al envejecimiento y a las enfermedades relacionadas con la edad en seres humanos. De manera similar, aunque muchos tumores muestran niveles altos de mutaciones heterogéneas de mtDNA, no se ha demostrado una relación causal con la oncogénesis.

Aparte de la acumulación adquirida en las células somáticas, relacionada con la edad, de deleciones y mutaciones puntuales heterogéneas, se ha descrito un efecto bastante diferente de mutación de mtDNA no hereditaria y adquirida que afecta a las células madre de los tejidos. En particular, se han observado los fenotipos de enfermedad atribuidos a mutaciones adquiridas de mtDNA en casos esporádicos y, al parecer, no familiares que afectaban a un solo individuo o incluso al tejido, por lo general el músculo estriado. La presentación consiste en reducción de la tolerancia al ejercicio y mialgias, que a veces progresa a rabdomiólisis. Como en el caso de los síndromes clásicos de deleción esporádica heteroplásmica a gran escala de PEO crónica, síndrome de Pearson y KSS, la ausencia de patrón hereditario materno, junto con los datos de limitación de la distribución hística, sugiere un mecanismo patógeno molecular que procede de las mutaciones que tienen lugar de novo en células madre musculares tras la diferenciación de las líneas germinales (mutaciones somáticas que no son esporádicas y ocurren en células madre específicas de tejidos durante el desarrollo fetal o en la conservación posnatal o en la fase de reparación después de una lesión). Es de esperar que esas mutaciones sólo se propaguen dentro de la progenie de esa célula madre y que afectaran a un tejido particular en un individuo concreto, sin pruebas de heredabilidad.

TRATAMIENTO DE LAS ENFERMEDADES DE mtDNA

No existen tratamientos curativos específicos para las enfermedades por mtDNA, por lo general, éste es de sostén. Las pruebas de tratamiento pueden incluir diagnóstico temprano y tratamiento de la diabetes mellitus, marcapasos cardiaco, corrección de la ptosis y colocación de lentes intraoculares para cataratas. Intervenciones menos específicas en el caso de otros trastornos incluyen estrategias de tratamiento combinado como intervenciones dietéticas y eliminación de metabolitos tóxicos. Los cofactores y complementos vitamínicos se utilizan ampliamente en el tratamiento de las enfermedades mitocondriales por fosforilación oxidativa, aunque existe poca evidencia, además de reportes anecdóticos para apoyar su uso. Esto incluye la administración de aceptores artificiales de electrones, lo que incluye vitamina K₃, vitamina C y ubiquinona (coenzima Q10); la administración de cofactores (coenzimas), lo que incluye riboflavina, carnitina y cretina y el uso de captadores de radicales libres de oxígeno como vitamina E, cobre, selenio, ubiquinona e idebenona. Deben evitarse los fármacos que podrían interferir con la función mitocondrial, como el propofol (un fármaco anestésico), barbitúricos y dosis elevadas de valproato. La administración de complementos con sustratos de la de óxido nítrico sintasa, L-arginina, se han recomendado como tratamiento vasodilatador durante los episodios similares a apoplejía. Los médicos deben estar familiarizados con las interacciones ambientales, como la asociación fuerte y consistente de la pérdida visual en casos de LHON y el tabaquismo. Se ha encontrado una penetrancia clínica de 93% en varones con tabaquismo. Los portadores asintomáticos con mutaciones de mtDNA para LHON deben recibir recomendaciones para no fumar y moderar su consumo de alcohol. Aunque no hay curación, estas intervenciones podrían tener manifestaciones clínicas devastadoras en casos de mutación LHON. Otro ejemplo es evitar estrictamente los aminoglucósidos en el síndrome familiar de susceptibilidad a la ototoxicidad por aminoglucósidos en presencia de mutaciones m.1555A>G de mtDNA en el gen que codifica 12SrRNA.

ASESORAMIENTO GENÉTICO, DIAGNÓSTICO PRENATAL Y DIAGNÓSTICO GENÉTICO ANTES DE LA IMPLANTACIÓN EN TRASTORNOS POR mtDNA

La asesoría genética precisa y las opciones reproductivas para familias con mutaciones de mtDNA es difícil por las características genéticas singulares de herencia de mtDNA que las diferencian de la genética mendeliana. Los defectos de mtDNA se transmiten por herencia materna. Las mutaciones mtDNA de novo a menudo son grandes deleciones, que afectan a un miembro de la familia y que por lo general no representan riesgo significativo para otros miembros de la familia. Por el contrario, las mutaciones puntuales de mtDNA con las aplicaciones pueden transmitirse a lo largo de la línea materna. En consecuencia, el padre de un individuo afectado no tiene riesgo de portar una mutación que cause enfermedad y los varones no pueden transmitir la mutación de mtDNA a su descendencia. En cambio, la madre de un individuo afectado por lo general posee la misma mutación pero puede cursar completamente asintomática. La variabilidad fenotípica amplia tiene relación principalmente con los fenómenos heteroplasmia y la carga de la mutación es portada por diferentes miembros de la misma familia. En consecuencia, una mujer sintomática o asintomática que porta la mutación que cause la enfermedad en un estado de heteroplasmia la transmitirá a su descendencia en cantidades variables de moléculas de mtDNA mutante. La descendencia podría cursar asintomática o presentar síntomas de acuerdo con la carga transmitida a través del ovocito y en cierta medida, de la segregación mitótica subsiguiente durante el desarrollo. Las interacciones con haplotipo de mtDNA o el genoma humano nuclear (como en el caso de LHON) sirven como determinante adicional importante de penetrancia de la enfermedad. Como la gravedad del fenotipo de enfermedad relacionado con la mutación heteroplásmicas se encuentra en función de la segregación diferencial aleatoria y del número de copias de mtDNA mutante durante la ovogénesis y más tarde, después del desarrollo de tejidos y órganos en la descendencia, rara vez puede predecirse con algún grado de precisión. Por esta razón, el diagnóstico prenatal y las técnicas PGD han evolucionado en estándares de práctica integrales y bien aceptados que se han visto severamente afectados en el caso de enfermedades relacionadas con mtDNA.

La utilidad del diagnóstico prenatal y PGD es limitado, en parte por la falta de datos sobre las reglas que controlan la segregación en especies de mtDNA natural (silvestre) y mutante (heteroplasmia) en los tejidos en el embrión en desarrollo. Se necesitan tres factores para asegurar la fiabilidad de PND y PGD: 1) una estrecha correlación entre la carga mutante y la gravedad de la enfermedad; 2) una distribución uniforme de la carga mutante entre los tejidos y 3) ausencia de cambios importantes en la carga mutante con el paso del tiempo. Se ha sugerido que estos criterios se satisfacen con las mutaciones NARP m.8993T>G pero no parecen aplicarse a otros trastornos de mtDNA. De hecho, el nivel de mtDNA mutante en las vellosidades coriónicas y en muestras de líquido amniótico puede ser muy diferente de las cifras en el feto y podría ser difícil deducir si la carga mutacional en las muestras prenatales proporciona información de utilidad clínica con respecto al estado posnatal y adulto.

ENFERMEDADES MITOCONDRIALES HEREDITARIAS, PREVENCIÓN POR TECNOLOGÍA DE REPRODUCCIÓN ASISTIDA

Como las opciones terapéuticas para pacientes con enfermedades mitocondriales son muy limitadas, son deseables las intervenciones preventivas que eliminan la probabilidad de transmisión de mtDNA afectado a la descendencia. La falta de utilidad en las técnicas de diagnóstico prenatal y PGD para diagnosticar con fiabilidad y predecir los trastornos mitocondriales antes de la implantación ha ocasionado la investigación de métodos preventivos alternativos para el mismo problema. Un método posible es “diluir” o eliminar por completo el mtDNA mutante, lo cual se aplica sólo en el estado embrionario más temprano y que representa una forma de tratamiento preventivo de línea germinativa (fig. 85e-9). Se ha explorado esta posibilidad con el uso de técnicas alternativas de reproducción asistida como la transferencia ovoplásmica, la transferencia de cromosomas en metafase (CT), transferencia pronuclear y transferencia de vesículas germinativas (GVT) en modelos en animales y, en cierta medida, en seres humanos. La transferencia ovoplásmica consiste en que cierto volumen de citoplasma de ovocito donante sano (5 a 15%) con mitocondrias normales se inyecta en el ovocito que contiene las mitocondrias mutadas. El razonamiento detrás de la transferencia ovoplásmica es complementar los ovocitos de la paciente con factores citoplásmicos no afectados como mtDNA, mRNA, proteínas y otras moléculas al inyectar citoplasma de ovocitos sanos. En la transferencia pronuclear, después de la fertilización, el pronúcleo del cigoto de una paciente se retira junto con el citoplasma (“carioplasto”). El carioplasto se transfiere al espacio perivitelino del cigoto donado, que ya ha sido enucleado. El carioplasto se fusiona con el cigoto enucleado por pulsos eléctricos o por virus Sendai inactivo (HVJ). El cigoto reconstruido contiene el núcleo de la paciente (DNA nuclear del paciente) y citoplasma del donante. Así, la mayor parte del mtDNA de la paciente se sustituye con mtDNA del ovocito donante. En la transferencia cromosómica, la meiosis en la etapa II de maduración del ovocito proporciona una oportunidad para la reconstrucción de los ovocitos con componentes nucleares y citoplásmicos diferentes antes de que tenga lugar la fertilización. Los ovocitos reconstruidos con transferencia cromosómica en la metafase son fertilizados para producir embriones con los haplotipos de mtDNA deseado. En la transferencia de vesículas germinativas, se lleva a cabo la sustitución del citoplasma afectado con citoplasma sano a través de transferencia de vesículas germinativas antes de iniciar la segregación cromosómica.

Estos métodos no han reportado éxito clínico pero aún hay optimismo. Como se mencionó, el análisis de heteroplasmia y de patrones de herencia indica que incluso copias muy pequeñas de mtDNA no mutante pueden exceder el umbral necesario para aminorar la enfermedad clínica grave. Todos los métodos descritos antes son promisorios para lograr este objetivo y por tanto, reducir la carga de las enfermedades clínicas por mtDNA en el futuro.