Mutaciones en genes implicados en la modificación de tRNAs mitocondriales causan una disfunción mitocondrial similar pero diferentes respuestas nucleares

Carmen Navarro-González1, Ismaïl Moukadiri1, Magda Villarroya1, Ernesto López-Pascual1, Simon Tuck2, M.-Eugenia Armengod1,3

1Modificación del RNA y Enfermedades Mitocondriales, Centro de Investigación Príncipe Felipe, Valencia, Spain

2Umeå Center for Molecular Medicine, Umeå University, Umeå, Sweden

3Centro de Investigación Biomédica en Red de Enfermedades Raras (CIBERER), node U721, Valencia, Spain

 

modificación de tRNAs

Los ARNs de transferencia o tRNAs intervienen en la traducción de la información del ADN a proteínas. Imagen: RCSB PDB 4tna.

Mutaciones en los genes TRMU (MIM*610230), GTPBP3 (MIM*608536) y MTO1 (MIM*614667) humanos se asocian con fallo hepático agudo (TRMU) y fallo cardiaco (GTPBP3 y MTO1). Mientras GTPBP3 y MTO1 están implicados conjuntamente en la adición de un grupo taurinometil en la posición 5 de la uridina situada en la posición de tambaleo (U34) de un grupo de tRNAs mitocondriales (mt-tRNAs), TRMU introduce un grupo tiol en la posición 2 de la U34 en un subgrupo de esos mt-tRNAs. Las tres proteínas están conservadas evolutivamente, desde bacterias a humanos y la mayoría de datos moleculares que se tienen sobre su actividad modificadora de tRNAs se han obtenido a partir de las proteínas de Escherichia coli y levadura.

En eucariotas, las tres proteínas son codificadas por el núcleo e importadas a mitocondrias, donde modifican los mt-tRNAs, optimizando la síntesis intramitocondrial del puñado de proteínas codificadas por el genoma mitocondrial (mtDNA). Estas proteínas son subunidades de los complejos I, III, IV y V del sistema OXPHOS (fosforilación oxidativa) y son claves para el funcionamiento del mismo y, por tanto, para la producción de ATP. El déficit en cada una de las tres proteínas humanas se ha asociado con alteraciones en la síntesis mitocondrial de proteínas, defectos OXPHOS y alteraciones de la proteostasis mitocondrial. Sin embargo, se desconoce por qué mutaciones en TRMU producen daño hepático mientras que mutaciones en GTPBP3 o MTO1 causan fallo cardíaco. Dado que la respuesta nuclear a la disfunción mitocondrial está mediada por la señalización retrógrada mitocondria-núcleo, es posible que (por razones que están por descubrir) las mutaciones en TRMU provoquen una señalización diferente a la que resulta del déficit en GTPBP3 y MTO1. Para analizar esta hipótesis, en el trabajo publicado recientemente en la revista PLoS Genetics, los investigadores han usado Caenorhabditis elegans como modelo experimental pues permite construir con relativa facilidad animales que, con igual fondo genético, carecen de cada una de las proteínas de interés y, además, permite estudiar los efectos a nivel del organismo completo.

En esta investigación se han utilizado mutantes para cada uno de los ortólogos de TRMU, GTPBP3 y MTO1, designados como mttu-1, mtcu-1 y mtcu-2, respectivamente. Se ha demostrado que las mutaciones provocan la hipomodificación de los mt-tRNAs y, por tanto, que las proteínas del nematodo conservan la actividad funcional de sus homólogas bacterianas y de levadura.

Se ha observado que los tres mutantes simples presentan una ligera disfunción mitocondrial a tenor de la reducción que se observa en el potencial de membrana y el consumo de oxígeno (solo a 25ºC) y la mayor sensibilidad a inhibidores OXPHOS, todo lo cual ocurre sin que haya una disminución en los niveles totales de ATP. Curiosamente, los mutantes mtcu-1 y mtcu-2 exhiben niveles de mt-tRNAs aumentados y activación de promotores de genes nucleares que se consideran indicadores de respuesta a estrés mitocondrial (conocida como UPRmt), mientras que el mutante mttu-1 presenta una disminución en los niveles de mt-tRNAs y la expresión de los indicadores UPRmt está reducida. Dado que la transcripción y estabilidad de los mt-tRNAs, así como la UPRmt dependen de genes nucleares, los datos obtenidos sugieren que la señalización promovida por el defecto en MTTU-1 es diferente a la de los defectos en MTCU-1 y MTCU-2, a pesar de compartir una similar disfunción mitocondrial.

Mutaciones en genes implicados en la modificación de tRNAs mitocondriales producen una alteración similar de la función de la mitocondrial con diferentes respuestas nucleares. Imagen: Mitocondrias. Lili Guo, Perelman School of Medicine, University of Pennsylvania.

La pérdida de función en estas enzimas modificadoras también provoca cambios apreciables en el patrón de expresión de genes involucrados en el metabolismo de C. elegans. Así, la expresión de ciertos genes requeridos en la glicólisis y en la oxidación de los ácidos grasos está reducida en los tres mutantes simples, mientras que la expresión de genes implicados en rutas anapléroticas destinadas a mantener el ciclo de los ácidos tricarboxílicos (TCA), como la glutaminolisis, está incrementada. Cabe destacar que en el mutante mttu-1, pero no en los mutantes mtcu-1 y mtcu-2, se observa activación en la expresión de genes implicados en el ciclo del glioxilato, mostrando de nuevo diferencias entre ambos grupos de mutantes.

Aunque los tres mutantes simples presentan problemas de fertilidad, el mutante mttu-1 es el más afectado ya que muestra una mayor longitud de su ciclo reproductivo y sensibilidad a un aumento de temperatura, observándose un número significativo de mutantes mttu-1 estériles. Además, el defecto mttu-1 aumenta ligera, pero significativamente, la longevidad.

La versatilidad de C. elegans ha permitido construir un mutante doble en el que se pueden observar los efectos de la inactivación simultánea de los genes mttu-1 y mtcu-2, con la finalidad de estudiar posibles sinergismos genéticos. De hecho, el fenotipo de este doble mutante mtcu-2;mttu-1 es mucho más grave que el de cualquiera de los simples mutantes, ya que tiene una respiración reducida a temperatura óptima (20ºC) y muestra problemas en el desarrollo embrionario y larvario, además de esterilidad completa. Curiosamente, también presenta un gran aumento en su longevidad, llegando incluso a duplicar la vida media del nemátodo C. elegans silvestre.

El trabajo publicado indica que la respuesta nuclear al defecto mttu-1 es diferente a la provocada por el déficit en mtcu-1 o mtcu-2, lo que probablemente se debe a que la señalización retrógrada es diferente. La causa primaria podría ser que la hipomodificación de la U34 en la posición 2 (dependiente de mttu-1) o en la posición 5 (dependiente de mtcu-1 y mtcu-2) afecte de forma diferencial la traducción mitocondrial. De hecho, los datos indican que la respuesta UPRmt difiere en los dos grupos de mutantes. Es importante señalar que en los mutantes simples no se observa un defecto OXPHOS importante, lo que apoya la idea de que los estados patológicos en humanos pueden inicialmente desarrollarse no como consecuencia directa de un defecto bioenergético sino de la respuesta mal-adaptativa de la célula a la hipomodificación de los mt-tRNAs. Este trabajo también resalta la importante asociación de la reprogramación metabólica con el fenotipo patológico, lo que debe tenerse en cuenta a la hora de explorar intervenciones terapéuticas.

Referencias

Navarro-González C, Moukadiri I, Villarroya M, López-Pascual E, Tuck S, Armengod M-E (2017) Mutations in the Caenorhabditis elegans orthologs of human genes required for mitochondrial tRNA modification cause similar electron transport chain defects but different nuclear responses. PLoS Genet 13(7): e1006921. https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1006921

Bibliografía

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Martínez-Zamora A, et al. Defective Expression of the Mitochondrial-tRNA Modifying Enzyme GTPBP3 Triggers AMPK-Mediated Adaptive Responses Involving Complex I Assembly Factors, Uncoupling Protein 2, and the Mitochondrial Pyruvate Carrier. PLoS One. 2015 Dec 7;10(12):e0144273. doi: 10.1371/journal.pone.0144273.

Armengod ME, et al. Modification of the wobble uridine in bacterial and mitochondrial tRNAs reading NNA/NNG triplets of 2-codon boxes. RNA Biol. 2014;11(12):1495-507. doi: 10.4161/15476286.2014.992269.

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