Identificación del circuito de amplificación entre mutaciones mitocondriales y estrés oxidativo: búsqueda de soluciones para enfermedades metabólicas incurables mediante modelos celulares y edición genética
Antecedentes
Las mitocondrias, orgánulos intracelulares, producen la mayor parte del adenosín trifosfato (ATP) necesario para las actividades vitales mediante el proceso de fosforilación oxidativa (OXPHOS). Al mismo tiempo, son la principal fuente de especies reactivas de oxígeno (ROS), que se generan inevitablemente debido a la fuga de electrones durante la respiración celular y provocan daño celular. El genoma mitocondrial (ADN mitocondrial, mtDNA) forma una estructura circular independiente y sigue un patrón de herencia materna; a diferencia del genoma nuclear, carece de la protección de las proteínas histonas y tiene mecanismos de reparación vulnerables, lo que resulta en una frecuencia de mutación mucho más alta.
El principal obstáculo que ha impedido el desarrollo de tratamientos para las enfermedades mitocondriales es la complejidad genética. El estado en el que coexisten ADNmt normal y ADNmt mutado dentro de la célula se denomina heteroplasma (heteroplasmy). La proporción del gen mutante varía según el tejido y presenta la característica de que los síntomas patológicos solo se manifiestan una vez superado un umbral clínico específico. Incluso entre pacientes con la misma alteración genética, el alcance y la gravedad de los síntomas varían drásticamente según el órgano que consume mucha energía afectado, como el sistema nervioso central, el músculo esquelético o el corazón. Las investigaciones anteriores han dependido de biopsias tisulares aleatorias o análisis post mortem, lo que ha dificultado establecer con precisión la relación causal en la progresión de la enfermedad, y el desarrollo de terapias específicas para cada patología también se ha estancado.
Hallazgos clave
Este estudio esclareció claramente el ciclo vicioso en el que interactúan las deficiencias estructurales de los complejos de la cadena de transporte de electrones (ETC) y el estrés oxidativo. Cuando la mutación de los componentes del complejo provoca una interrupción del flujo de electrones, se produce un aumento drástico de fugas anómalas de electrones y una liberación masiva de especies reactivas de oxígeno (ROS). De esta manera, el acúmulo de especies reactivas de oxígeno no solo induce mutaciones adicionales en el ADN mitocondrial (ADNmt) adyacente, sino que también provoca un efecto bola de nieve (snowballing effect) que destruye en cascada la cardiolipina y los lípidos de la membrana interna, así como las proteínas reguladoras del metabolismo. Los investigadores compararon y analizaron a nivel molecular los patrones de deficiencia energética observados en la mutación m.3243A>G del síndrome de encefalomiopatía mitocondrial, acidosis láctica y ataques similares al accidente cerebrovascular (MELAS) y en la mutación m.8344A>G del síndrome de epilepsia mioclónica con fibras rojas rasgadas (MERRF).
La base que ha hecho posible este análisis patológico es la sofisticación de los sistemas de modelos celulares personalizados para pacientes. El equipo de investigación diferenció células madre pluripotentes inducidas (iPSC) derivadas del paciente en neuronas y cardiomiocitos, reproduciendo fenotipos metabólicos específicos del tejido diana. Además, se aplicó en paralelo la técnica de células híbridas citoplasmáticas (cybrids) transmitochondriales para excluir completamente las variables del genoma nuclear y evaluar únicamente el impacto independiente de las variantes del ADNmt. Como resultado, se cuantificaron la reducción de la actividad de la cadena de transporte de electrones y la disminución del potencial de membrana mitocondrial en función de la proporción de variantes dentro de un fondo nuclear estandarizado. Además, se verificó la eficacia de una estrategia de control genético que reduce la proporción de mutaciones por debajo del umbral clínico mediante el uso de un editor de bases de citosina (DdCBE) que fusiona efectores nucleasas similares al factor de transcripción activador mitocondrial (mitoTALEN) con una enzima bacteriana de desaminación de citosina.
Significado y perspectivas
Los resultados que, basándose en modelos celulares, esclarecieron los mecanismos moleculares de la enfermedad y confirmaron la posibilidad de aplicar técnicas de edición genética de precisión, sentaron las bases para un cambio de paradigma en el tratamiento de las enfermedades mitocondriales hereditarias, pasando del alivio de los síntomas a la corrección de la causa. Se considera que el enfoque para inducir la proporción de heterocigosis a niveles normales representa un avance terapéutico capaz de prevenir de antemano la neurodegeneración irreversible y el daño muscular. El uso de modelos derivados de iPSC de pacientes durante el proceso de descubrimiento de candidatos a nuevos fármacos permite predecir con alta precisión la eficacia farmacológica y la toxicidad metabólica antes del ingreso clínico.
Aún quedan desafíos por superar para lograr una comercialización realista. Debe establecerse una tecnología de sistemas de administración de fármacos in vivo (DDS) que permita el paso eficiente a través de la doble membrana mitocondrial y la entrega de enzimas correctoras a los tejidos diana del organismo. También se considera la diversidad del sistema de intercambio de señales entre el genoma nuclear y el genoma mitocondrial dentro del cuerpo del paciente. Deberán seguir estudios de validación con modelos animales a gran escala para minimizar los efectos fuera del objetivo que inducen mutaciones no deseadas en secuencias de ADNmt no diana, así como para garantizar la seguridad a largo plazo.
Mitochondria are essential structures that produce energy in cells through mitochondrial oxidative phosphorylation and are one of the primary sources of reactive oxygen species (ROS). Mutations in mitochondrial DNA (mtDNA) cause a wide range of hereditary illnesses with multisystem clinical symptoms, poor cellular bioenergetics, and decreased mitochondrial oxidative phosphorylation. Effective treatment approaches have been hampered by the genetic complexity associated with mtDNA disorders, including heteroplasmy and tissue-specific diversity. La relación entre las mutaciones en el ADN mitocondrial y el estrés oxidativo es multidimensional y se retroalimenta, donde el fallo estructural de la cadena de transporte de electrones favorece la generación de especies reactivas de oxígeno (ROS) que causan más daño al ADN mitocondrial, los lípidos y las proteínas. Under carefully regulated experimental conditions, cell-based disease models, in particular induced pluripotent stem cells (iPSCs) and standard transmitochondrial cybrids, have become useful tools for studying disease mechanisms, simulating mutation-specific phenotypes, and assessing possible therapeutic interventions. This review provides the key roles of mutations and oxidative stress in the pathogenesis of the disease in the context of the primary role of the mitochondrial genome, its maternal inheritance, and the most common disorders, i.e., mitochondrial encephalomyopathy, lactic acidosis, and stroke-like episodes (MELAS) and myoclonic epilepsy with ragged red fibers (MERRF). We outline the use of cell-based models to study mitochondrial pathologies, including patient-derived primary cells and iPSCs, which could be differentiated into cell types of interest to the disease, and cybrid systems, which could isolate the contribution of single mutations in the mitochondrial DNA to an underlying background of controlled nuclear genetic backgrounds. Besides, the review focuses on innovative technologies to mend mutations in mitochondrial DNA, such as
La plataforma de modelos de enfermedades celulares presentada en este estudio puede utilizarse de inmediato para establecer entornos de cribado personalizados para pacientes con enfermedades mitocondriales. Sin necesidad de biopsias musculares invasivas, es posible generar iPSC a partir de fibroblastos cutáneos o células sanguíneas de pacientes y diferenciarlas en neuronas para probar preventivamente terapias combinadas con antioxidantes o agentes que activen el metabolismo, optimizados según la proporción de mutación de cada paciente. Desde la perspectiva de la industria farmacéutica, esto puede expandirse hacia un sistema de cribado de alto rendimiento para detectar tempranamente la toxicidad mitocondrial, común en las etapas iniciales del desarrollo de fármacos. A medida que mejore la precisión de las técnicas de edición genética, se prevé que se acelere el desarrollo de pipelines de terapias génicas y celulares de nueva generación para reducir la heteroplasmia tisular en pacientes con enfermedades metabólicas genéticas graves por debajo del umbral de manifestación de la enfermedad.