Identificación y caracterización de nuevos genes implicados en la función OXPHOS y su posible asociación a patologías humanas

• Autores: Sara Palacios Zambrano
• Directores de la Tesis: Miguel Ángel Fernández Moreno (dir. tes.), Rafael Garesse (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2018
• Idioma: español
• Número de páginas: 154
• Tribunal Calificador de la Tesis: Plácido Navas (presid.), José Fernández Piqueras (secret.), Ricardo Escalante Hernández (voc.), Miguel Angel Martín Casanueva (voc.), Carmen Ayuso García (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Biociencias Moleculares por la Universidad Autónoma de Madrid
• Materias:
  • Química
    • Bioquímica
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen
  • español

    Resumen 2 La mitocondria es un orgánulo clave en la ejecución de numerosas funciones celulares, destacando entre ellas la síntesis de energía química en forma de ATP por el sistema de fosforilación oxidativa (OXPHOS). Alteraciones funcionales de este sistema provocan las denominadas patologías mitocondriales OXPHOS. La mitocondria posee su propio genoma (ADNmt), que en mamíferos codifica tan solo 13 proteínas de las aproximadamente 1500 que conforman el proteoma mitocondrial, el resto están codificadas en el ADNn. En la actualidad, existe un número importante tanto de proteínas mitocondriales no caracterizadas como de patologías mitocondriales en las que se desconoce el gen afectado. Ello dificulta enormemente el diagnóstico genético de pacientes y la comprensión del mecanismo molecular de muchas patologías mitocondriales.

    Estudios previos en nuestro laboratorio revelaron que genes esenciales para la función OXPHOS y altamente conservados (mt-Tfb1, GatC, Pol- y Coa3) están codificados sobre ARNm bicistrónicos en Drosophila, sugiriendo lo que podía ser una tendencia en la organización de genes mitocondriales de este organismo. Por tanto, su rastreo podría utilizarse como herramienta para identificar genes mitocondriales evolutivamente conservados no descritos. El trabajo de esta Tesis Doctoral refuerza la observación anterior identificando un nuevo gen implicado en la función OXPHOS no descrito previamente y describe una enfermedad humana provocada por una mutación en el ortólogo de un gen codificado en un bicistrón en Drosophila. Así, hemos caracterizado la primera mutación patogénica en la subunidad GatC de la enzima heterotrimérica glutamil-ARNtGln-mt amidotransferasa (GatCAB) en un paciente con cardiomiopatía y acidosis láctica. GatCAB participa en la síntesis del Gln-ARNtGln-mt como respuesta a la ausencia de una glutaminil-ARNt-mt sintetasa (QARS2). Los fibroblastos derivados del paciente mostraron que una reducción en los niveles de GATC provoca una caída del resto de proteínas que conforman la enzima, GATA y GATB. Además, confirmamos que la disminución de estas subunidades provoca un grave defecto en la traducción de las proteínas codificadas en el ADNmt, corroborando la funcionalidad de la vía de transamidación en la mitocondria humana. Por otro lado, el rastreo de genes candidatos a participar en la función OXPHOS mediante el análisis de los ARNm bicistrónicos de Drosophila nos ha permitido identificar y caracterizar parcialmente la proteína C6orf203, una proteína localizada en la matriz mitocondrial de 19 kDa. Su caracterización funcional mediante el uso del sistema de edición genómica CRISPR/Cas9 nos ha permitido concluir que participa en el proceso de traducción mitocondrial, formando parte de complejos macromoleculares de más de 1000 kDa.

    En conclusión, en este trabajo hemos avanzado tanto en la caracterización de un gen asociado por primera vez a patología mitocondrial humana como en la identificación y caracterización de una nueva proteína mitocondrial implicada en la función OXPHOS.

  • English

    Abstract 3 Mitochondria are essential organelles for numerous cellular processes, highlighting their role in the production of energy supply in the form of ATP in a process known as oxidative phosphorylation (OXPHOS). The OXPHOS system deficiencies lead to mitochondrial diseases. Mitochondria possess their own genome (mtDNA) which in mammals encodes only 13 proteins, the remaining ̴1500 proteins that comprise the mammalian proteome are encoded by nDNA. At present, there are both a significant number of uncharacterized mitochondrial proteins and mitochondrial diseases in which the affected gene is unknown, making it difficult to diagnose patients and to comprehend these disease mechanisms.

    Our previous studies revealed that highly conserved essential genes for the OXPHOS function (mt-Tfb1, GatC, Pol- and Coa3) are encoded by bicistronic mRNAs in Drosophila, suggesting a tendency for mitochondrial genes to be organized in these particular mRNAs in this organism. Thereby, it could be employed as a tool for identifying evolutionary conserved non-described genes.

    This thesis reinforces the previous observation, identifying a new and previously undescribed gene involved in OXPHOS function, as well as describes a novel mutation in a human orthologue of a gene encoded by a bicistronic mRNA in Drosophila. Thus, we characterized the first pathogenic mutation in the GatC subunit of the heterotrimeric enzyme glutamyl-tRNAGln amidotransferase (GatCAB) in a patient presented with severe cardiomyopathy and lactic acidosis. GatCAB participates in the synthesis of Gln-tRNAGln in response to the absence of a mitochondrial glutaminyl-tRNA synthetase (QARS2). Patient-derived fibroblasts showed that a reduction in the steady-state levels of GATC leads to a decrease in the rest of the subunits that constitute the enzyme, GATA and GATB. We also demonstrate that a reduction of these subunits causes a severe mitochondrial protein translation system defect, corroborating the functional role of the transamidation route in human mitochondria.

    On the other hand, the analysis of candidate genes to participate in the OXPHOS function encoded in biscitronic mRNAS in Drosophila, allowed us to identify and partially characterized C6orf203, a 19 kDa protein localized in the mitochondrial matrix. Its functional characterization using the genomic editing CRISPR/Cas9 system allowed us to conclude that C6orf203 participates in the mitochondrial translation system and forms high-molecular-weight complexes above 1000 kDa.

    In conclusion, during this study we have made progress both in the characterization of a gene linked, for the first time, to human mitochondrial pathology and in the identification and characterization of a novel protein involved in the mitochondrial OXPHOS function.