Genoma mitocondrial, mitocondriopatías y cáncer

Tesis doctoral inédita, leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Medicina, Departamento de Bioquímica. Fecha de lectura: 11 de marzo de 2016La mitocondria resulta clave para numerosas funciones celulares como la obtención de energía y la señalización celular. Este orgánulo alberga su propio genoma que contiene la información únicamente para 37 genes cuya función es esencial para el sistema OXPHOS. Cambios en la secuencia del ADNmt pueden producir desde enfermedades severas (mutaciones) a no tener manifestación alguna (polimorfismos silentes). El sistema de cíbridos transmitocondriales representa un modelo de estudio ampliamente utilizado ya que permite aislar el efecto producido por diferentes variantes de ADNmt. La neuropatía óptica hereditaria de Leber (LHON) está considerada como la patología mitocondrial más común. En ella, 3 mutaciones (m.3460G>A, m.11778G>A y m.14484T>C), todas ellas afectando al Complejo I, explican el 95% de los casos. A pesar de ser una enfermedad considerablemente estudiada existen preguntas sin resolver. En esta tesis describimos el primer caso de un paciente portador de 3 mutaciones LHON en su molecula de ADNmt (m.11778G>A, m.14484T>C y m.11253T>C). El estudio molecular sobre cíbridos demostró la ausencia de sinergia entre estas mutaciones, presentando todos los cíbridos de pacientes LHON una afectación moderada y sugiriendo un mecanismo de acción común. La función mitocondrial, además de ser clave en las patologías mitocondriales clásicas, ha sido implicada en otras como el cáncer. En este sentido, el efecto Warburg (glucolisis aerobia) ha sido descrito como uno de los sellos característicos de las células tumorales. Por otro lado, se han encontrado mutaciones en el ADNmt en la mayoría de tumores, aunque su papel es aún controvertido. Para estudiar el proceso de reprogramación metabólica se estudió la función mitocondrial en una serie de 4 líneas celulares epiteliales, MCA3D, PB, A5 y CarC con un potencial tumorigénico creciente. Los resultados mostraron un aumento de la tasa glucolítica a medida que aumenta la tumorigenicidad de las líneas celulares, pero sin una afectación de la función mitocondrial. Estos resultados apoyan la teoría de que la mitocondria no tiene por qué estar afectada necesariamente en las células tumorales, pero sí el metabolismo energético. Por otro lado, sumándose a esta tendencia natural de acumulación de mutaciones en tumores, la línea parental 143B de osteosarcoma humano (sobre la que se realizaron los cíbridos LHON) posee una mutación en MT-COI en el ADNmt. Curiosamente, la eliminación del ADNmt o la sustitución de este ADNmt por una molécula sin mutaciones o con la mutación severa m.8363G>A eliminaban su tumorigenicidad, sugiriendo que la presencia de mutaciones moderadas eran necesarias para mantener el fenotipo tumoral. Esta hipótesis que fue confirmada mediante la utilización de cíbridos portadores de las 3 mutaciones primarias LHON y sus controles de haplogrupo. Los principales mecanismos alterados que explica estas diferencias en función de ADNmt fueron una mayor producción de ROS y un aumento de resistencia a apoptosis.Mitochondria play a key role in many cellular functions such as energy production and cell signaling. This organelle has its own genome containing exclusively the information for 37 genes whose function is essential for the OXPHOS system. Changes in mtDNA sequence produce from severe diseases to silent polymorphisms. The transmitochondrial cybrid system represents a widely used study-model to isolate the effect of different variants of mtDNA. The Leber's hereditary optic neuropathy is considered the most common mitochondrial pathology in which three mutations (m.3460G> A, m.11778G> A and m.14484T> C), all of them affecting complex I, account for 95% of the cases. Despite being a significantly studied disease some questions remain unresolved. In this thesis we describe the first case of a patient with 3 LHON mutations (m.11778G> A, m.14484T> C and m.11253T> C). The molecular study on cybrids demonstrated the absence of synergy for these mutations. All cybrids harboring LHON mutations showed a similar moderate impairment, suggesting a common mechanism of action. Mitochondrial function, besides being a key factor in classical mitochondrial pathologies, has been implicated in other pathologies like cancer. In this aspect, the Warburg effect has been described as one of the hallmarks of tumor cells. Furthermore, mutations in mtDNA for most tumors have been found, although its role is still controversial. To study the metabolic reprogramming process we studied the mitochondrial function in a series of 4 epithelial cell lines, MCA3D, PB, A5 and CarC with increasing tumorigenic potential. The results showed an increase in glycolytic function with increasing tumorigenicity of the cell lines, but no affectation of mitochondrial function was detected. These results support the theory that mitochondria are not necessarily affected in tumor cells, but the energy metabolism is. Furthermore, adding to this natural tendency of accumulation of mutations in tumors, the osteosarcoma 143B parental line (on which the LHON cybrids were performed) possesses a mutation in MT-COI on mtDNA. Interestingly, mtDNA removal or replacement by a wild type mtDNA or with the severe mutation m.8363G>A hampered the tumorigenicity, suggesting that the presence of moderate mutations were necessary to maintain the tumorigenic phenotype. This hypothesis was confirmed using cybrids carrying the 3 primary LHON mutations and haplogroup controls. The main altered mechanism explaining these differences depending on mtDNA were a higher ROS production and an increased apoptosis resistance