Estudios genéticos y fisiopatológicos para la búsqueda de nuevos biomarcadores y terapias en acidemia propiónica

• Autores: Ana Rivera Barahona
• Directores de la Tesis: Lourdes Ruiz Desviat (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2019
• Idioma: español
• Número de páginas: 147
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Biociencias Moleculares por la Universidad Autónoma de Madrid
• Materias:
  • Ciencias de la vida
    • Biología molecular
  • Ciencias médicas
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen
  • español

    La acidemia propiónica (AP), una de las acidemias orgánicas más frecuentes, resulta de mutaciones en los genes PCCA y PCCB que provocan la deficiencia en el enzima mitocondrial propionil-CoA carboxilasa (PCC). La AP es una enfermedad heterogénea a nivel genético que se presenta comúnmente de manera neonatal con una sintomatología diversa, siendo frecuentes las complicaciones neurológicas y cardiacas. Este amplio espectro mutacional y clínico refleja la necesidad de caracterizar las variantes causantes de AP, así como de profundizar en los mecanismos moleculares que subyacen la fisiopatología de la enfermedad.

    El punto de partida de este trabajo ha sido el análisis estructural y funcional de 22 variantes de significado clínico incierto identificadas en pacientes con diagnóstico de AP. El mapeo de los cambios en el modelo de homología de la PCC humana reveló que la mayor parte desestabilizan la estructura de la proteína. Los resultados del estudio funcional en un sistema eucariota permitieron confirmar el efecto patogénico de los cambios, identificándose variantes catalíticas y estructurales. Además, se pudo recuperar ligeramente la actividad de la PCC y los niveles de proteína al crecer a 28°C fibroblastos portadores de alguno de estos cambios. Finalmente, el análisis de los datos clínicos disponibles permitió en algunos casos establecer la correlación entre el genotipo y el fenotipo de los pacientes, fundamental para predecir la progresión de la enfermedad.

    Con el fin de profundizar en la fisiopatología de la AP dirigimos nuestra investigación hacia el estudio de la función mitocondrial y de la homeostasis redox. Utilizando el modelo murino de la enfermedad hemos detectado niveles alterados de proteínas asociadas al metabolismo mitocondrial, así como defectos en la actividad de los complejos OXPHOS y depleción de mtDNA en tejidos relevantes para la AP. Se ha encontrado también un incremento de ROS y de daño oxidativo, concomitante con variaciones de enzimas antioxidantes. Nuestros estudios indican que la disfunción mitocondrial y el estrés oxidativo juegan un papel importante en la fisiopatología de la AP. El tratamiento del modelo murino de la enfermedad con los compuestos antioxidantes MitoQ y resveratrol resultó en un efecto beneficioso, contrarrestando el daño oxidativo y los niveles del marcador de daño cardiaco BNP. Estos estudios abren la puerta a investigar en profundidad el tratamiento con compuestos antioxidantes como terapia adyuvante en AP.

    Asimismo, hemos detectado miRNAs específicamente alterados en el cerebro, el corazón y el hígado del modelo murino de AP. El incremento de miR-34a-5p en estos tejidos se pudo correlacionar en algunos casos con la reducción de sus dianas BCL2 y MEK1, observación que se comprobó mediante un análisis funcional en modelos celulares. Además, se han identificado perfiles diferentes de miRNAs circulantes en el plasma de individuos control y de pacientes con AP, varios de los cuales coinciden con los que se encontraron desregulados en el modelo murino de la enfermedad. Estos resultados reflejan la utilidad de los perfiles de miRNAs para caracterizar vías alteradas que puedan contribuir a la fisiopatología de la AP, así como para identificar nuevas dianas terapéuticas y establecer nuevos biomarcadores de enfermedad.

  • English

    Propionic acidemia (PA), one of the most frequent life-threating organic acidemias, results from mutations in either PCCA or PCCB genes, thus leading to the deficiency of the mitochondrial enzyme propionyl-CoA carboxylase (PCC). PA is a heterogenous genetic disorder usually presented as a neonatal form with a diverse symptomatology, with frequent neurological and cardiac complications. The broad mutational and clinical spectrum reflects the need of characterizing variants causing PA and to further investigate the molecular mechanisms underlying PA pathophysiology.

    As a starting point in this work, we have performed a structural and functional analysis of 22 variants of uncertain clinical significance identified in patients diagnosed with PA. Mapping the changes in the homology model of the human PCC revealed most potentially disease-causing variants disturb protein structure. Functional analysis in a eukaryotic system confirmed the pathogenic effect of the missense changes, identifying catalytic and structural variants. Furthermore, we could detect a slight increase in PCC activity and protein levels in patient-derived fibroblasts carrying some of these mutations. Finally, examination of available clinical data allowed to establish genotype-phenotype correlations in some cases, which is essential for disease prognosis.

    To gain deeper insight into PA pathophysiology we focused our research in the study of mitochondrial function and redox homeostasis. Using the mouse model of the disease we have detected altered levels of proteins related to mitochondrial metabolism, together with activity defects of OXPHOS complexes and mtDNA depletion in relevant tissues for PA. We have also found an increase of ROS and oxidative damage, concomitant with variations in antioxidant enzymes. Our studies point to the role of mitochondrial dysfunction and oxidative stress as key players in PA pathophysiology. Treatment of the mouse model of the disease with the antioxidant compounds MitoQ and resveratrol resulted in a beneficial effect, mainly by counteracting oxidative damage and BNP levels, a marker of cardiac damage. These studies pave the way to deeply investigate the treatment with antioxidant compounds as an adjuvant therapy for PA.

    Additionally, we have detected specifically altered miRNAs in brain, heart and liver of the PA mouse model. The increase in miR-34a-5p in these tissues correlated in some cases with the reduction of its targets BCL2 and MEK1, which was further confirmed by functional analysis in different cellular models. Moreover, we have identified different signatures of circulating miRNAs in plasma samples from control and PA patients, some of which were also found deregulated in the murine model of the disease. These results reflect the potential utility of miRNA profiles to characterize altered pathways contributing to PA pathophysiology, as well as to identify new therapeutic targets and to stablish new biomarkers of the disease.