Pathophysiology of primary COQ10 deficiencies. Molecular characterisation of COQ4 gene

Resumen

Las deficiencias primarias de coenzima Q10 (CoQ10) son un grupo de enfermedades raras genéticas causadas por mutaciones bialélicas recesivas en uno de los genes COQ requeridos en la ruta de biosíntesis de CoQ10, a nivel enzimático o regulador. Las manifestaciones clínicas asociadas son muy heterogéneas y afectan principalmente al sistema nervioso central y periférico, a los riñones, al músculo esquelético y al corazón. La primera parte de esta tesis se centra en el estudio del síndrome de la deficiencia primaria en CoQ10. En primer lugar, hemos realizado una revisión actualizada y exhaustiva de todas las manifestaciones clínicas asociadas a cada una de las variantes patogénicas en los genes COQ descritas en la literatura. En ella, describimos patrones de síntomas relacionados con la edad de aparición de la enfermedad para cada gen COQ e incluso, para cada mutación, cuando es posible. Con estos patrones, hemos intentado establecer correlaciones genotipo-fenotipo para la deficiencia primaria en CoQ10. En segundo lugar, hemos descrito nuevos casos de deficiencia primaria de CoQ10 debido a mutaciones en los genes COQ4 y COQ7, ampliando los fenotipos y genotipos asociados a estos trastornos. Hemos trabajado con diferentes modelos celulares in vitro con mutaciones en COQ4, COQ6 y COQ7, que acumulan intermediarios diagnósticos, específicos para cada defecto COQ. Además, demostramos que el tratamiento con análogos del 4-hidroxibenzoato (4-HB) es eficaz para mejorar la deficiencia de CoQ10 y el defecto respiratorio en nuestros modelos celulares humanos: el ácido 2,4-dihidroxibenzoico (2,4-dHB) para la deficiencia en COQ7 y el ácido vainillínico (VA) para los defectos en COQ6. En la segunda parte de la tesis, nos hemos centrado en la proteína COQ4 humana, que tiene un papel esencial en la biosíntesis de CoQ10. En nuestro trabajo, demostramos que la proteína COQ4 humana es esencial para la biosíntesis de CoQ10 en las células. Hemos generado una línea celular humana KO en COQ4, que tiene una gran deficiencia en CoQ10 y en la respiración mitocondrial. Estos defectos son rescatados con un tratamiento con CoQ10 o con la expresión del gen COQ4 WT. Además, la falta de proteína COQ4 produce la acumulación de un intermediario específico de la ruta de síntesis. También encontramos que la mayoría de las mutaciones descritas en pacientes son hipomórficas, capaces de recuperar completamente la biosíntesis de CoQ10 en las células COQ4 KO cuando son sobreexpresadas. Con estudios de proteómica, hemos podido identificar todas las proteínas COQ (excepto COQ8A) copurificando con COQ4, lo que es una evidencia más de la existencia del complejo de síntesis de CoQ en mamíferos. Además, observamos que la falta de proteínas COQ4 o COQ6 altera los niveles de otras proteínas COQs, probablemente modificando la estabilidad del complejo biosintético. Se ha descrito que las enzimas modificadoras de la cabeza de CoQ en levadura resuelven en loci discretos, denominados dominios CoQ, que se encuentran adyacentes a los sitios de contacto entre el retículo endoplásmico (ER) y las mitocondrias 1,2. Además, el mantenimiento y la distribución del ADN mitocondrial (mtDNA) depende de estos contactos ER-mitocondria 3, y los niveles de colesterol en estos sitios parecen ser clave para ello 4. En la última parte de la tesis, hemos explorado estas relaciones en nuestro modelo COQ4 KO. La falta de COQ4 produce una ligera disminución del número de copias de mtDNA, sin efecto sobre la transcripción de mtDNA y un efecto muy sutil sobre la traducción de proteínas codificadas por el mtDNA. Con respecto a la replicación del mtDNA, la falta de COQ4 o COQ6 induce una tasa de recuperación más rápida del mtDNA después de una depleción inducida. Para encontrar el mecanismo molecular de este sorprendente fenotipo, hemos estudiado el contenido de colesterol y la distribución de proteínas de los nucleoides en gradientes de densidad. Los niveles de colesterol total parecen no estar alterados en las mitocondrias de las células COQ4 KO. Sin embargo, hemos encontrado diferencias sutiles entre COQ4 KO y las células control en la distribución de proteínas de los nucleoides (TFAM y ATAD3) en estos gradientes. Este hecho podría estar detrás de la rápida recuperación del mtDNA después de la depleción inducida. Sin embargo, todavía queda mucho trabajo por hacer para comprender mejor la relación entre la biosíntesis de CoQ y el metabolismo del mtDNA.