L’impacte en mortalitat de les mutacions mitocondrials heteroplàsmiques deletèries

Més enllà del genoma contingut en el nucli cel·lular hi ha el genoma dels orgànuls citoplasmàtics coneguts com a mitocondris. El genoma mitocondrial conté alguns gens importants que, en cas de mutació deletèria, poden conduir a malalties relacionades amb l’envelliment cel·lular. Hi ha una diferència substancial amb les mutacions de gens nuclears: en una cèl·lula poden haver-hi de milers a desenes de milers de còpies d’ADN mitocondrial. Així, sovint les mutacions mitocondrials poden existir en estat d’heteroplàsmia, és a dir que siguin presents únicament en una fracció de les còpies. Dan Eytan Arking, co-director de mecanismes biològics del Johns Hopkins University Older Americans Independence Center, ha coordinat una recerca sobre mutacions mitocondrials heteroplàsmiques deletèries en 194.871 participants del UK Biobank. En un article publicat ahir a Nature Communications, amb Yun Soo Hong i Stephanie L. Battle com a primeres autores, mostren com aquest tipus de mutacions s’associen amb un 50% d’augment de risc de mortalitat. A través de la caracterització funcional de variants mononucleotídiques (SNVs), han construït un índex MSSm que s’associa amb mortalitat general, prevalència i incidència de càncer i mortalitat per càncer. L’associació és especialment robusta amb la leucèmia. Hong et al. pensen que les SNVs mitocondrials heteroplàsmiques podrien ésser un marcador de pronòstic en la leucèmia.

El cercle exterior registra totes les posicions heteroplàsmiques sinònimes o que afecten regions no-codificants del genoma circular mitocondrial. El segon cercle registra totes les SNVs heteroplàsmiques no-sinònimes. El tercer cercle registra les posicions sense heteroplàsmia. El cercle interior conté anotacions gèniques.

El genoma mitocondrial

Els mitocondris no són tan sols els orgànuls cel·lulars responsables de la major part de la producció energètica sinó que participen en l’homeostasi del calci, l’apoptosi (mort cel·lular programada), l’oxidació d’àcids grassos o la generació de metabòlits intermedis. Cada cèl·lula conté milers de mitocondris, cadascun dels quals conté una o més còpies d’un cromosoma circular. El cromosoma mitocondrial no té histones que el pleguin protectivament com els cromosomes nuclears; el sistema de reparació d’ADN és més limitat; i es troba més exposat a espècies reactives d’oxigen (els mitocondris són els principals responsables de la respiració oxigènica cèl·lular): tot plegat afavoreix l’adquisició de mutacions. Com que cada cèl·lula conté milers o desenes de milers de còpies d’ADN mitocondrial, el més habitual és que aquestes mutacions n’afectin tan sols una fracció: es diu llavors que són mutacions en heteroplàsmia.

Històricament, les mutacions en ADN mitocondrials només podien detectar-se en homoplàsmia o en una alta freqüència heteroplàsmica, però les noves tècniques permeten també observar-les en molt baixa freqüència heteroplàsmica. Estudis de seqüenciació genòmica indiquen baixos nivells d’heteroplàsmia en un 40-50% de les mostres. El 30% de les heteroplàsmies observades són heretades (d’herència materna, ja que l’embrió rep exclusivament mitocondris de l’òvul). La manifestació d’aquestes mutacions heteroplàsmiques es concentra en teixits amb alts requeriments energètics. Alhora, la disfunció mitocondrial té un impacte en la disminució de la longevitat, augment de la incidència de càncer i de malalties degeneratives.

Hong et al. han desenvolupat MitoHPC, un conjunt d’eines bioinformàtiques que mesuren variants mononucleotídiques (SNVs) d’ADN mitocondrial en grans bases de dades de seqüenciació genòmica, com l’UK Biobank. MitoHPC construeix una seqüència mitocondrial consens per a cada individu de la base de dades. En una primera ronda identifica al·lels principals, que definiran la seqüència consens; i en la segona els al·lels minoritaris.

UK Biobank és una gran cohort d’homes i dones recrutats entre el 2006 i el 2010 quan tenien entre 40 i 69 anys, de la qual hom disposa d’informació clínica i material biològic. Hong et al. treballen sobre 194.781 individus de UK Biobank.

Un total de 74.639 SNVs heteroplàsmics

Hong et al. han identificat en aquests 194.781 individus, un total de 74.369 SNVs heteroplàsmiques amb una fracció al·lèlica igual o superior al 5%. De fet, el 30,5% dels individus analitzats tenen almenys una heteroplàsmia. Les 74.369 SNVs es corresponen a 11.602 al·lels, que afecten 10.161 posicions mitocondrials (el 61,8% del genoma mitocondrial, excloent-hi les regions homopolimèriques poliC). Dels 11.602 al·lels heteroplàsmics, n’hi ha 4.257 que es detecten únicament en un individu; tan sols 1.305 al·lels es troben en 10 o més individus.

Hong et al. consideren homoplàsmics els al·lels amb una freqüència superior al 95% en les seqüències d’un individu. En total identifiquen 4.540.598 SNVs homoplàsmiques, corresponents a 7.929 posicions úniques (de les quals 6.586 poden presentar un al·lel heteroplàsmic). Hi ha 385 individus sense cap variant homoplàsmica. De les 14.285 variants úniques trobades, el 49,3% poden ésser heteroplàsmiques o homoplàsmiques; el 31,9% únicament heteroplàsmiques; i el 18,8% únicament homoplàsmiques.

Entre les mutacions mitocondrials heteroplàsmiques detectades la ratio entre transicions i transversions és de 28,7 a 1.

Entre els individus analitzats hi ha 28 parelles de bessons homozigòtics, 760 parelles mare-fill i 3.657 parelles de germans de pare i mare. Això fa que Hong et al. puguin deduir que el 30% de les heteroplàsmies observades siguin heretades; la resta han estat adquirides individualment és a dir que són producte de mutacions somàtiques.

Amb l’edat augmenta el nombre de SNVs mitocondrials heteroplàsmiques. L’estatus de fumador també l’augmenta. En canvi, no hi ha diferències entre sexes.

L’impacte d’heteroplàsmies mitocondrials en mortalitat i morbiditat

Els individus que presenten 4 o més heteroplàsmies tenen un 50% (amb un interval de confiança del 95% que va de 14% a 98%) més de risc de mortalitat que els individus sense cap heteroplàsmia.

No totes les heteroplàsmies tenen el mateix impacte sobre el risc de mortalitat. Les heteroplàsmies sinònimes (que no alteren el proteoma mitocondrial) no hi tenen un impacte significatiu. Les heteroplàsmies no-sinònimes sí que el tenen, i bo i més aquelles que introdueixen un codó stop que atura la síntesi proteica.

Quan l’heteroplàsmia afecta una posició conservadora de l’ADN mitocondrial l’associació amb el risc de mortalitat es fa més alt.

Hong et al. han construït una escala MSS per avaluar l’heteroplàsmia mitocondrial que han validat amb cohorts del TOPMed consortium: ARIC, MESA, FHS, WHI. L’escala MSS no recull però l’associació amb la mortalitat quan s’aplica a la població negra del UK Biobank.

L’escala MSS s’associa especialment amb el risc de mortalitat per neoplàsies, per malalties digestives i per causes externes. L’associació és especialment elevada amb la mortalitat per càncer de pulmó, càncer de mama, limfoma i leucèmia. L’escala MSS s’associa amb una major incidència de càncer de pulmó, limfoma i leucèmia, explicable pel fet que la disfunció mitocondrial és força rellevant en aquestes neoplàsies. És significatiu que l’escala MSS s’associï amb la bronquitis, la neutropènia, la trombocitopènia o l’anèmia aplàstica.

Lligams:

- Deleterious heteroplasmic mitochondrial mutations are associated with an increased risk of overall and cancer-specific mortality. Yun Soo Hong, Stephanie L. Battle, Wen Shi, Daniela Puiu, Vamsee Pillalamarri, Jiaqi Xie, Nathan Pankratz, Nicole J. Lake, Monkol Lek, Jerome I. Rotter, Stephen S. Rich, Charles Kooperberg, Alex P. Reiner, Paul L. Auer, Nancy Heard-Costa, Chunyu Liu, Meng Lai, Joanne M. Murabito, Daniel Levy, Megan L. Grove, Alvaro Alonso, Richard Gibbs, Shannon Dugan-Perez, Lukasz P. Gondek, Eliseo Guallar, Dan E. Arking. Nature Communications 14: 6113 (2023)