Consecuencias moleculares y fisiopatológicas de la deficiencia en coenzima q. Evaluación de estrategias terapéuticas alternativas al suplemento exógeno de ubiquinona

Resumen

La coenzima Q (CoQ) es un lípido natural endógeno sintetizado en la mitocondria. Su biosíntesis, comienza con la formación del ácido hidroxibenzoico al que se le une una cola lipofílica poliisoprenoide. El precursor aromático del anillo de benzoquinona es el 4-hidroxibenzoato (4-HB) derivado de la tirosina o fenilalanina. Por otro lado, la cadena poliisoprenoide se forma por la adición de moléculas de isopentenil difosfato, procedentes de la ruta del mevalonato, al farnesil o geranil-geranil difosfato en múltiples pasos catalizados por la poliprenil difosfato sintasa o Coq1. A continuación, Coq2 cataliza la unión del anillo hidroxibenzoico a la cola isoprenoide y a partir de este punto, otras 5 enzimas, nombradas de Coq3 a Coq7, llevan a cabo una serie de reacciones de metilación, carboxilación e hidroxilación del anillo aromático, en un orden especulativo, para originar finalmente las moléculas de CoQ. Algunas proteínas, como, COQ9, ADCK3, ADCK4 y PTC7, parecen tener una función regulatoria en la biosíntesis de CoQ. Los estudios en levaduras muestran que estas enzimas parecen actuar de forma conjunta asociándose en un complejo multiproteico de biosíntesis de CoQ. Esta organización, permitiría, entre otras cosas, incrementar la eficiencia catalítica. Sin embargo, en mamíferos, no se ha demostrado la existencia de este complejo multiproteico de biosíntesis de CoQ. Una vez que las moléculas de CoQ son sintetizadas, se localizan en la membrana interna mitocondrial, donde ejercen su función central en la cadena respiratoria mitocondrial, transportando electrones desde el complejo respiratorio I y II al III. Además de esta función principal, la CoQ también participa en otras funciones celulares, donde cabe destacar su papel en el metabolismo mitocondrial del sulfuro de hidrógeno (H2S) como cofactor de la reacción catalizada por la Sulfuro:Quinona Oxidoreductasa (SQR). La deficiencia primaria en CoQ, es un síndrome autosómico recesivo causada por mutaciones en genes involucrados directamente en su biosíntesis. Esta enfermedad, se manifiesta con un cuadro clínico heterogéneo que se pueden agrupar en cinco grandes fenotipos: 1) encefalomiopatía caracterizada por afectación cerebral y mioglobinuria recurrente; 2) desorden multisistémico infantil; 3) ataxia cerebelosa con atrofia del cerebelo; 4) miopatía aislada; y 5) síndrome nefrótico resistente a esteroides. Las causas de esta variabilidad clínica se desconocen y resulta difícil explicar por qué mutaciones en un mismo gen pueden manifestarse clínicamente en diferentes fenotipos; por ejemplo, mutaciones en COQ2 y COQ6 se han asociado indistintamente con nefropatía o con la variante multisistémica infantil. El tratamiento de la deficiencia primaria en CoQ consiste en el suplemento exógeno con ubiquinona-10. No obstante, la respuesta al tratamiento es muy variable entre pacientes, siendo en ciertos casos inefectiva, especialmente en aquellos pacientes con síntomas neurológicos (encefalopatía, ataxia cerebelosa o desorden multisistémico). El motivo por el que el tratamiento fracasa podría deberse a la baja absorción y biodisponibilidad de la CoQ10 cuando se administra exógenamente vía oral. Estudios recientes en levaduras muestran que es posible saltar el defecto enzimático mediante la administración de análogos del 4-HB (como el ácido 2,4-dihidroxibenzoico (2,4- diHB), el ácido 3,4-dihidroxibenzoico (3,4- diHB), y el ácido vanílico (VA)) que serviría como precursores de la CoQ y producirían un efecto ¿bypass¿ en virtud del cual se conseguirían aumentar los niveles endógenos de CoQ. Así, para una mejor comprensión de los mecanismos moleculares asociados a la disparidad genotípica-fenotípica de la deficiencia primaria en CoQ, en el presente estudio, comparamos desde un punto de vista bioquímico, molecular, genético, histopatológico y fenotípico, dos modelos de ratón deficientes en CoQ con dos mutaciones diferentes en el mismo gen, Coq9 (Coq9Q95X and Coq9R239X). Además también se estudia si la deficiencia primaria en CoQ podría afectar al metabolismo mitocondrial del H2S y si esta alteración podría estar involucrada en las consecuencias fisiopatológicas de la enfermedad. Los resultados de esta tesis muestran que la existencia de dos codones prematuros de parada diferentes en la proteína COQ9 afecta de forma diferente a los niveles de otras proteínas COQ , lo que sugiere que la presencia de una proteína truncada COQ9 en el modelo de ratón Coq9R239X produce un efecto dominante negativo sobre el complejo multiproteico de biosíntesis de CoQ. Como consecuencia, el ratón Coq9R239X presenta una reducción global de las proteínas COQ, lo que causa una deficiencia severa de los niveles de CoQ y un fenotipo clínico severo. No obstante, en el modelo de ratón Coq9Q95X descrito en este estudio, la ausencia de la proteína COQ9 provoca sólo una disminución de las proteínas COQ7 y COQ5 que hace que la deficiencia en CoQ en este caso sea moderada, manifestándose con un fenotipo de miopatía mitocondrial leve más evidente en hembras. Por tanto, la estabilidad de este complejo multiproteico es un factor clave para la regulación de la biosíntesis de CoQ, lo cual determinará el grado de deficiencia de la misma y en consecuencia, el desarrollo de un fenotipo clínico en concreto. Nuestros resultados muestran además, que la deficiencia primaria en CoQ da lugar a una disminución de los niveles y la actividad de la SQR, lo que provoca una alteración en la ruta de oxidación mitocondrial del H2S. Finalmente, como prueba de concepto, también estudiamos si la estabilidad del complejo multiproteico podría afectar la eficacia de una posible terapia bypass. Con este propósito, tratamos a los ratones deficientes en CoQ con una formulación oral hidrosoluble de 2,4-ácido dihidroxibenzoico (2,4-diHB), el cual había sido previamente probado como tratamiento bypass en levaduras (S.cerevisae) mutantes ¿coq7. Tras un mes de tratamiento, el ratón Coq9R239X respondió favorablemente al tratamiento con 2,4-diHB, el cual incrementó los niveles de CoQ, mientras que, el ratón Coq9Q95X no respondió al tratamiento con 2,4-diHB. El hecho de que ambos modelos de ratón respondieran de forma diferente al tratamiento con 2,4-diHB sugiere que el ratón Coq9Q95X presenta un complejo multiproteico estable, el cual es capaz de regular la biosíntesis de CoQ y proporcionar mecanismos de inhibición competitiva y/o por sustratos.