Análisis genético y funcional de la frataxina y otras proteínas mitocrondriales relacionadas con ataxias cerebelosas.

Abstract

El déficit de frataxina es la causa principal de la ataxia de Friedreich, una enfermedad hereditaria neurodegenerativa que afecta a las neuronas sensitivas del ganglio dorsal y del tracto espinocerebelar. Desde que se describi¨® el gen responsable de la enfermedad y sobre todo gracias a la generaci¨®n de organismos modelos para su estudio, se han postulado diferentes funciones para la frataxina: homeostasis del hierro mitocondrial, almacenamiento del hierro, respuesta al estr¨¦s oxidativo. Biog¨¦nesis de los clusters Fe-S, modulaci¨®n en la actividad de la aconitasa mitocondrial y un papel en la fosforilaci¨®n oxidativa. Nuestro planteamiento ha sido que la frataxina realiza su funci¨®n en la mitocondria mediante la interacci¨®n con otras prote¨ªnas y es posible que participe en diferentes procesos biol¨®gicos mitocondriales interactuando con distintas prote¨ªnas en cada uno de ellos. Por lo tanto, el objetivo del trabajo de tesis era la identificaci¨®n de prote¨ªnas capaces de interaccionar con Yfh1p, la frataxina de Sacchararomyces cerevisiae. En este trabajo mostramos que Yfh1p interacciona f¨ªsicamente con proteinas de la cadena de transporte de electrones mitocondrial. Hemos demostrado que Yfh1p coinmunoprecipita con succinato deshidrogenasa, concretamente con las subunidades Sdh1p y Sdh2p, de la cadena de transporte electr¨®nico mitocondrial de levadura, y tambi¨¦n con las subunidades ETFa y ETFb de la flavoprote¨ªna transferidora de electrones. Con el fin de confirmar la relaci¨®n funcional entre YFH1 y los genes SDH estudiamos si ambos genes manifestaban interacci¨®n sint¨¦tica. Nuestros resultados permiten afirmar que existe una relaci¨®n funcional entre el gen YFH1 y los genes de succinato deshidrogenasa SDH1 y SDH2, y seguramente su relaci¨®n sea a nivel de la misma ruta bioqu¨ªmica. Tambi¨¦n hemos demostrado una interacci¨®n f¨ªsica entre la frataxina humana y las subunidades SDHA y SDHB de la succinato deshidrogenasa humana. De estos hallazgos se infiere que la capacidad de interaccionar de frataxina con el complejo II de la cadena de transporte electr¨®nico est¨¢ conservada en humanos, sugiriendo que la frataxina tiene un papel en la cadena de transporte electr¨®nico mitocondrial en humanos. Nosotros planteamos que la frataxina puede intervenir en la entrada de electrones a la cadena de transporte electr¨®nico. Por lo tanto, proponemos una participaci¨®n directa de la cadena respiratoria en la patog¨¦nesis de la ataxia de Friedreich, la cual entendemos que se puede considerar como una enfermedad de la fosforilaci¨®n oxidativa (OXPHOS).<br/>Desde el descubrimiento de la frataxina y su localizaci¨®n como mol¨¦cula de la matriz mitocondrial, la ataxia de Friedreich se ha convertido en el prototipo de enfermedad mitocondrial causada por un gen nuclear. No obstante, no es la ¨²nica ataxia que se puede considerar como mitocondrial. Otro ejemplo es la anemia siderobl¨¢stica ligada al X asociada con ataxia cerebelosa (XLSA/A), causada por mutaciones en el gen del transportador mitocondrial ABC7. Esta enfermedad est¨¢ directamente relacionada con la homeostasis del hierro, al igual que la ataxia de Friedreich. Realizamos el aislamiento y caracterizaci¨®n del gen hom¨®logo del ABC7 en Caenorhabditis elegans y posteriormente la generaci¨®n de un knock-donw transitorio en C. elegans para el gen Y74C10AM.1 por RNAi. Los gusanos Y74C10AM.1(RNAi) presentan el siguiente fenotipo: letalidad embrionaria (Emb), retraso en el crecimiento (Gro), reducci¨®n en la puesta de huevos (Egl), defecaci¨®n alterada y aumento en la longevidad. Este fenotipo es similar a otros fenotipos asociados a mutantes transitorios de genes relacionados con la biog¨¦nesis de los clusters Fe-S en levadura.

Frataxin deficiency causes Friedreich ataxia, a neurodegenerative genetic disorder affecting sensory neurons of dorsal root ganglia and spinocerebellar tracts. Physiological function of frataxin in mitochondria has not been established yet, although several hypotheses have been postulated including mitochondrial iron homeostasis, iron storing, response to oxidative stress, iron-sulphur cluster biogenesis, modulation of mitochondrial aconitase activity and a role in oxidative phosphorylation. We showed that frataxin and its orthologue Saccharomyces cerevisiae, Yfh1p, interacts physically with proteins from the mitochondrial electron transfer chain. We demonstrated that Yfh1p co-immunoprecipitates with yeast succinate dehydrogenase complex subunits Sdh1p and Sdh2p, and with yeast orthologues of the electron transfer flavoprotein complex subunits ETFa and ETF¦Â. Genetic synthetic interaction experiments confirmed a functional relationship between YFH1 and succinate dehydrogenase genes SDH1 and SDH2. We postulate that Yfh1p might regulate the delivery of electrons via complex II and ETF systems towards ubiquinone in yeast. We also demonstrate a physical interaction between human frataxin and human succinate dehydrogenase complex subunits, suggesting also a key role of frataxin in the mitochondrial electron transport chain in humans. Consequently, we postulate a direct participation of the respiratory chain in the pathogenesis of the Friedreich ataxia, which we propose to be considered as an OXPHOS disease. <br/>Since the discovery of frataxin and its location within the mitocondrial matrix, Friedreich ataxia has become the prototype of mitocondrial disease caused by a nuclear gene. However, it is not the unique Mendelian ataxia that can be considered mitocondrial. Another example is the X-linked sideroblastic anemia with ataxia (XLSA/A), due to mutations in the gene encoding the mitocondrial transporter ABC7. This disease is directly related to the iron homeostasis, as Friedreich ataxia. We have characterized the genomic structure of Y74C10AM.1, the Caenorhabditis elegans ABC7 gene, and we have developed a transient knock-down model of C. elegans ABC7 deficiency by RNA interference. Y74C10AM.1(RNAi) worms show a phenotype that includes embryonic lethality (Emb), slow growth (Gro), egg laying defects (Egl), altered defecation and lifespan increase. This phenotype is similar to other phenotypes associated to transient knock-down models in C. elegans of genes related to the iron-sulphur cluster biogenesis in yeast.