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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.
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VISIÓN GENERAL DE LAS CARACTERÍSTICAS CLÍNICAS Y PATOLÓGICAS DE LAS ENFERMEDADES DEL mtDNA HUMANO
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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.
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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.
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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.
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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.
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PRESENTACIONES INICIALES DEL DNA MITOCONDRIAL
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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).
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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.
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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.
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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 tRNAleu. 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.
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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 tRNAlys 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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INVESTIGACIÓN DE LA SOSPECHA DE ENFERMEDAD DEL mtDNA
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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.
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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.
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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.
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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).
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