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DNA mitocondrial: quais são as doenças relacionadas?

O DNA mitocondrial é o material genético presente nas mitocôndrias. Entenda como é herdado, quais doenças relacionadas e métodos de análise.
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O DNA mitocondrial é o material genético extranuclear contido nas mitocôndrias, as organelas responsáveis pela conversão de energia através da fosforilação oxidativa. Além de ser herdado de maneira uniparental, o DNA mitocondrial possui uma taxa de mutação cerca de dez vezes maior do que aquela existente no núcleo celular, o que pode trazer implicações para a saúde humana.

Ficou interessado? Acompanhe para saber o que é o DNA mitocondrial, como ele é herdado, quais são algumas das doenças relacionadas e quais são seus métodos de análise!

O que é o DNA mitocondrial

O DNA mitocondrial (mtDNA) é o material genético presente nas mitocôndrias, as organelas celulares responsáveis por converter determinadas moléculas em ATP, a unidade de energia das células, através de uma das etapas da respiração celular.

Este processo de conversão é chamado de Fosforilação Oxidativa. Nela, um gradiente eletroquímico é gerado nas membranas internas da mitocôndria, por meio do transporte de elétrons através do conjunto de proteínas ali presentes, chamado de cadeia de transporte de elétrons.

Dos 37 genes presentes no DNA mitocondrial, 13 codificam algumas das mais de 3000 proteínas que compõem a cadeia de transporte da mitocôndria. Os genes codificantes de proteínas do DNA mitocondrial integram quatro complexos enzimáticos:

  • NADH desidrogenase;
  • Coenzima Q – citocromo C redutase;
  • Citocromo C oxidase;
  • ATP sintase.

O restante dos genes presentes neste DNA circular codificam RNAs ribossomais e RNAs transportadores. Estes RNAs formam um conjunto funcional de tradução, tornando a mitocôndria uma organela semi-autônoma.

DNA nuclear vs DNA mitocondrial
Exemplo de DNA nuclear e DNA mitocondrial em uma célula

A herança mitocondrial

O DNA mitocondrial em animais, ao contrário do DNA nuclear, possui um padrão de herança não-mendeliano. Isso significa que, em vez de herdarem uma cópia desse material genético da mãe e outra cópia do pai, os seres humanos herdam somente uma cópia advinda de suas mães. 

Por que a origem do DNA mitocondrial é materna?

Algumas características embrionárias são responsáveis por isso. A primeira delas é que os gametas femininos e masculinos contém quantidades extraordinariamente diferentes de DNA mitocondrial: os óvulos possuem dezenas de milhares de cópias de mtDNA, enquanto espermatozóides têm apenas algumas poucas.

Além disso, durante a maturação do espermatozóide, boa parte destas cópias acabam sendo degradadas por processos bioquímicos.

Por fim, as poucas mitocôndrias paternas remanescentes são seletivamente eliminadas do zigoto recém-formado, através da autofagia, que envolve a ubiquitinação e a digestão da organela por meio de lisossomos.

Sendo assim, estas características tornam a herança do DNA mitocondrial um processo uniparental, tanto em animais quanto em plantas. Isso é, nosso mtDNA advém somente da informação genética que recebemos de nossas mães.

Doenças relacionadas a alterações no DNA mitocondrial

Algumas mulheres possuem mais de um genoma mitocondrial (heteroplasmia). Em indivíduos saudáveis, as cópias normais estão presentes em maior quantidade, quando comparadas com as cópias que sofreram mutação.

Estas cópias com mutações podem ser herdadas por seus filhos ou, ainda, uma cópia normal herdada por seus descendentes pode sofrer mutações somáticas e, novamente, fazer com que mais de um genoma mitocondrial esteja presente em um mesmo organismo.

Doenças correlacionadas com o DNA mitocondrial surgem quando a segregação mitótica permite que mtDNAs com mutações patogênicas tornem-se predominantes frente aos mtDNAs normais.

É importante enfatizar que o correto funcionamento das mitocôndrias é essencial para que as células realizem a respiração celular, a fim de obter a energia necessária para a execução de suas funções. 

Sendo assim, mutações patogênicas no mtDNA são particularmente danosas aos sistemas nervoso e muscular, uma vez que suas necessidades de ATP são especialmente altas.

No entanto, nem todas as doenças mitocondriais são causadas por mutações no mtDNA, uma vez que a maior parte da informação genética desta organela está no núcleo. Apesar disso, o DNA mitocondrial possui uma taxa de mutação 10 vezes maior que aquele encontrado no DNA nuclear, aumentando as chances de ocorrências patogênicas.

Algumas destas doenças, entretanto, são de fato causadas por mutações patogênicas no mtDNA. Acompanhe, na tabela a seguir, exemplos de mutações no DNA mitocondrial responsáveis por gerar distúrbios genéticos.

distúrbios DNA mitocondrial
Extraído de: Thompson & Thompson – Genetics in Medicine, 2016

O sequenciamento genético para mutações no mtDNA

Como colocado anteriormente, o limiar de heteroplasmia é uma das chaves do entendimento da relação entre o DNA mitocondrial e doenças humanas. Ou seja, a predominância de variantes patogênicas do mtDNA ajuda a controlar o aparecimento (ou não) de determinadas doenças.

Com exceção da Síndrome de Kearns-Sayre, as principais doenças relacionadas com o DNA mitocondrial envolvem mutações pontuais, nas quais somente um nucleotídeo é trocado. Até recentemente, as análises de mtDNA eram realizadas pela metodologia de sequenciamento de Sanger.

Em função de sua baixa sensibilidade, o sequenciamento de Sanger não é capaz de detectar a heteroplasmia de forma precisa, especialmente quando somente diferenças sutis (como mutações pontuais) estão presentes.

Adicionalmente, o sequenciamento de Sanger apresenta obstáculos mesmo na investigação de grandes deleções do mtDNA. Para essa finalidade, são mais utilizados os métodos de Southern Blotting, PCR de longo alcance e a Amplificação Multiplex Dependente de Sonda (MLPA).

Ainda assim, nenhum dos métodos citados define o local exato em que o ponto de quebra da deleção está localizado, e também nenhum deles é capaz de quantificar o grau de heteroplasmia sem o auxílio de qPCR.

O Sequenciamento de Nova Geração na análise do DNA mitocondrial

As técnicas de NGS se constituíram, nos últimos anos, como ferramentas mais robustas na análise do DNA mitocondrial. Ao utilizar amplicons gerados por PCR, cientistas conseguem identificar mutações pontuais e também os pontos de quebra das deleções em uma mesma análise.

Uma das dificuldades desse método, entretanto, está no fato de que a Reação em Cadeia da Polimerase gera vieses na investigação de material genético com heteroplasmia.

Este problema foi solucionado recentemente por Legati e colaboradores. Neste estudo de validação de técnica, os cientistas empregaram um protocolo de análise por NGS sem a etapa de amplificação por PCR.

Estudos como este estão na ponta do desenvolvimento de metodologias cada vez mais precisas, onde pipelines de análise bem estruturados permitem a detecção acurada de pontos de quebra de deleções, mutações pontuais e também dos níveis de heteroplasmia, tornando as aplicações de NGS mais robustas para a pesquisa e também para a clínica.

Conclusão

As mitocôndrias são as organelas responsáveis pela respiração celular, convertendo a energia armazenada de diferentes moléculas em ATP, que pode ser utilizado pela célula para desempenhar funções vitais. 

Estas organelas possuem seu próprio material genético, chamado de DNA mitocondrial (mtDNA). Nele, alguns dos genes essenciais para o funcionamento da mitocôndria estão presentes, como as proteínas que compõem os complexos enzimáticos empregados na fosforilação oxidativa.

Muitas doenças mitocondriais são conhecidas, embora nem todas elas sejam geradas por mutações no mtDNA. A Síndrome de Leigh e a Síndrome de Kearns-Sayre podem ser citadas como exemplos de doenças geradas por mutações pontuais e deleções, respectivamente, no DNA mitocondrial.

O Sequenciamento de Nova Geração é a metodologia capaz de oferecer os resultados mais precisos na análise do DNA mitocondrial, sendo que novos protocolos ainda estão sendo estabelecidos, como é o caso da análise de mtDNA livre de PCR.

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Referências

ALBERTS, B. et al. Biologia molecular da célula. 6. ed. Porto Alegre: Artmed, 2017.

WILLARD, H. et al. Thompson & Thompson genética médica. 8. Ed. Editora Guanabara, 2016.

Amorim, A.; Fernandes, T.; Taveira, N. Mitochondrial DNA in human identification: a review. PeerJ. 2019.

Russell; O.; Turnbull, D. Mitochondrial DNA disease-molecular insights and potential routes to a cure. Exp Cell Res. 2014.

Legati A et al. Current and New Next-Generation Sequencing Approaches to Study Mitochondrial DNA. J Mol Diagn. 2021.

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