ADN mitocondrial

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El ADN mitocondrial ( ADNmt ) es ADN que se encuentra (a diferencia del ADN nuclear ) en las mitocondrias , los orgánulos de las células eucariotas .

Los genes codificados en el ADN mitocondrial pertenecen al grupo de los plasmógenos situados fuera del núcleo (fuera del cromosoma ). La totalidad de estos factores de herencia, concentrados en el citoplasma de la célula , constituye el plasmón de un determinado tipo de organismo (en oposición al genoma) [1] .

Historial de descubrimientos

El ADN mitocondrial fue descubierto por Margit Nass y Sylvain Nass en 1963 en la Universidad de Estocolmo usando microscopía electrónica [2] e independientemente por los científicos Ellen Harlsbrunner , Hans Tuppi y Gottfried Schatz en el análisis bioquímico de fracciones mitocondriales de levadura en la Universidad de Viena en 1964 . [3]

Teorías del origen del ADN mitocondrial

Según la teoría endosimbiótica , el ADN mitocondrial se originó a partir de moléculas circulares de ADN de bacterias y, por lo tanto, tiene un origen diferente al del genoma nuclear . Ahora prevalece el punto de vista según el cual las mitocondrias son de origen monofilético , es decir, fueron adquiridas por los ancestros de los eucariotas una sola vez.

Según la similitud en las secuencias de nucleótidos del ADN, los parientes más cercanos de las mitocondrias entre los procariotas vivos son las alfa-proteobacterias (en particular, se planteó la hipótesis de que las rickettsias están cerca de las mitocondrias ). Un análisis comparativo de los genomas mitocondriales muestra que, en el curso de la evolución, los genes de los ancestros de las mitocondrias modernas se trasladaron gradualmente al núcleo celular. Algunas características del ADN mitocondrial permanecen sin explicación desde un punto de vista evolutivo (por ejemplo, una cantidad bastante grande de intrones , uso no convencional de tripletes y otros). Debido al tamaño limitado del genoma mitocondrial, la mayoría de las proteínas mitocondriales se codifican en el núcleo. Al mismo tiempo, la mayoría de los ARNt mitocondriales están codificados por el genoma mitocondrial.

Formas y números de moléculas de ADN mitocondrial

En la mayoría de los organismos estudiados, las mitocondrias contienen solo moléculas circulares de ADN, en algunas plantas hay moléculas circulares y lineales al mismo tiempo, y en varios protistas (por ejemplo, ciliados ) solo hay moléculas lineales. [5]

Las mitocondrias de los mamíferos suelen contener de dos a diez copias idénticas de moléculas circulares de ADN. [6]

En las plantas, cada mitocondria contiene varias moléculas de ADN de diferentes tamaños que son capaces de recombinarse.

En los protistas del orden de los cinetoplastos (por ejemplo, en los tripanosomas ), una sección especial de la mitocondria ( cinetoplasto ) contiene dos tipos de moléculas de ADN: maxi-anillos idénticos (20-50 piezas) de aproximadamente 21 kb de largo. y minianillos (20 000-55 000 piezas, alrededor de 300 variedades, longitud promedio de alrededor de 1000 pb). Todos los anillos están conectados en una sola red ( catenanes ), que se destruye y restaura con cada ciclo de replicación. Los maxi-anillos son homólogos al ADN mitocondrial de otros organismos. Cada mini-anillo contiene cuatro regiones conservadas similares y cuatro regiones hipervariables únicas. [7] Las moléculas de ARN de guía corta ( guideRNA ) se codifican en los minicírculos, que editan el ARN transcrito de los genes de los maxicírculos.

Estabilidad del ADN mitocondrial

El ADN mitocondrial es particularmente sensible a las especies reactivas de oxígeno generadas por la cadena respiratoria debido a su proximidad. Aunque el ADN mitocondrial está asociado con proteínas, su papel protector es menos pronunciado que en el caso del ADN nuclear. Las mutaciones en el ADN mitocondrial pueden causar enfermedades hereditarias de transmisión materna . También hay datos que indican una posible contribución de las mutaciones del ADN mitocondrial al proceso de envejecimiento y al desarrollo de patologías relacionadas con la edad. [8] En los seres humanos, el ADN mitocondrial suele estar presente en 100-10 000 copias por célula (los espermatozoides y los óvulos son excepciones). La multiplicidad de genomas mitocondriales está asociada con las características de manifestación de las enfermedades mitocondriales  , generalmente su aparición tardía y síntomas muy variables.

Herencia mitocondrial

Herencia materna

En la mayoría de los organismos multicelulares, el ADN mitocondrial se hereda por vía materna. El óvulo contiene varios órdenes de magnitud más copias de ADN mitocondrial que el esperma. En un espermatozoide, generalmente no hay más de una docena de mitocondrias (en humanos, una mitocondria torcida en espiral), en pequeños huevos de erizo de mar, varios cientos de miles, y en ovocitos de rana grandes, decenas de millones. Además, las mitocondrias de los espermatozoides generalmente se degradan después de la fertilización [9] .

Durante la reproducción sexual, las mitocondrias generalmente se heredan exclusivamente a través de la línea materna, las mitocondrias de los espermatozoides generalmente se destruyen después de la fertilización. Además, la mayor parte de las mitocondrias del espermatozoide se encuentran en la base del flagelo , que en ocasiones se pierde durante la fecundación. En 1999, se descubrió que las mitocondrias de los espermatozoides estaban marcadas con ubiquitina (una proteína marcadora que conduce a la destrucción de las mitocondrias paternas en el cigoto) [10] .

Dado que el ADN mitocondrial no está muy conservado y tiene una alta tasa de mutación , es un buen objeto para estudiar la filogenia (relación evolutiva) de los organismos vivos. Para ello, se determinan y comparan las secuencias de ADN mitocondrial en diferentes especies mediante programas informáticos especiales y se obtiene un árbol evolutivo de la especie estudiada. El estudio del ADN mitocondrial de los perros ha permitido rastrear el origen de los perros a partir de los lobos salvajes [11] . El estudio del ADN mitocondrial en poblaciones humanas ha permitido calcular la " Eva mitocondrial ", la hipotética progenitora de todas las personas que viven actualmente.

Herencia paterna

Para algunas especies, se ha demostrado la transmisión del ADN mitocondrial a través de la línea masculina , por ejemplo, en mejillones [12] [13] . La herencia mitocondrial paterna también se ha descrito para algunos insectos, como Drosophila , [14] abejas melíferas [15] y cigarras . [dieciséis]

También hay evidencia de herencia masculina mitocondrial en mamíferos. Se han descrito casos de este tipo de herencia en ratones [17] [18] , y posteriormente se rechazaron las mitocondrias obtenidas del macho. Este fenómeno se ha demostrado en ovejas [19] y ganado clonado. [veinte]

Herencia paterna en humanos

Hasta hace poco, se creía que las mitocondrias humanas se heredaban únicamente a través de la línea materna. Solo hubo un caso conocido de un paciente en el que se descubrió de manera confiable que tenía ADN mitocondrial paterno en 2002 [21] .

Solo un estudio reciente de 2018 mostró que el ADN mitocondrial humano a veces aún puede transmitirse a través de la línea paterna. Una pequeña cantidad de mitocondrias paternas puede ingresar al óvulo de la madre junto con el citoplasma del espermatozoide, pero, por regla general, las mitocondrias paternas desaparecen del cigoto. Sin embargo, se ha encontrado que algunas personas tienen "una mutación que ayuda a las mitocondrias del padre a sobrevivir" [22] .

Genoma mitocondrial

En los mamíferos, cada molécula de mtDNA contiene 15000-17000 pares de bases (en humanos, 16565 pares de bases; el estudio se completó en 1981 [23] , según otra fuente, 16569 pares de bases [24] ) y contiene 37 genes, 13 codifican proteínas [ 25] , 22 - genes de tRNA , 2 - rRNA (un gen para 12S y 16S rRNA). Otros animales multicelulares tienen un conjunto similar de genes mitocondriales, aunque a veces pueden faltar algunos genes. La composición del gen mtDNA de diferentes especies de plantas, hongos y especialmente protistas [26] difiere más significativamente. Así, el más completo de los genomas mitocondriales conocidos se encontró en el flagelado jacobido Reclinomonas americana : contiene 97 genes , incluidos 62 genes que codifican proteínas (27 proteínas ribosómicas , 23 proteínas involucradas en el funcionamiento de la cadena de transporte de electrones y en la fosforilación oxidativa , y también subunidades de ARN polimerasa ).

Uno de los genomas mitocondriales más pequeños tiene el plasmodio de la malaria (alrededor de 6000 pb, contiene dos genes de ARNr y tres genes que codifican proteínas).

Las mitocondrias vestigiales recientemente descubiertas ( mitosomas ) de algunos protistas ( disentería por amebas , microsporidios y giardia ) no contienen ADN.

Los genomas mitocondriales de varias especies fúngicas contienen desde 19431 (levadura de fisión Schizosaccharomyces pombe ) hasta 100314 ( sordariomycete Podospora anserina ) pares de bases [27] .

Algunas plantas tienen enormes moléculas de ADN mitocondrial (hasta 25 millones de pares de bases) que contienen aproximadamente los mismos genes y en la misma cantidad que el ADN mitocondrial más pequeño. La longitud del ADN mitocondrial puede variar ampliamente incluso en plantas de la misma familia. El ADN mitocondrial vegetal contiene secuencias repetitivas no codificantes.

El genoma humano contiene sólo un promotor para cada hebra de ADN complementaria [23] .

El genoma mitocondrial humano codifica las siguientes proteínas y ARN:

Proteínas o ARN genes
NADH deshidrogenasa
(complejo I)		 MT-ND1 , MT-ND2 , MT-ND3 , MT-ND4 , MT-ND4L , MT-ND5 , MT-ND6
Coenzima Q - citocromo c reductasa/Citocromo b
(complejo III)		 MT-CYB
citocromo c oxidasa
(complejo IV)		 MT-CO1 , MT-CO2 , MT-CO3
ATP sintasa MT-ATP6 , MT-ATP8
ARNr MT-RNR1 (12S), MT-RNR2 (16S)
ARNt MT-TA , MT-TC , MT-TD , MT-TE , MT-TF , MT-TG , MT-TH , MT-TI , MT-TK , MT-TL1 , MT-TL2 , MT-TM , MT- TN , MT-TP , MT-TQ , MT-TR , MT-TS1 , MT-TS2 , MT-TT , MT-TV , MT-TW , MT-TY , MT1X

Características del ADN mitocondrial

Las secuencias de codificación ( codones ) del genoma mitocondrial tienen algunas diferencias con las secuencias de codificación del ADN nuclear universal.

Así, el codón AUA en el genoma mitocondrial codifica metionina (en lugar de isoleucina en el ADN nuclear), los codones AGA y AGG son codones terminadores (en el ADN nuclear codifican arginina ), y el codón UGA en el genoma mitocondrial codifica triptófano [23] .

Para ser más precisos, no estamos hablando de ADN mitocondrial, sino de ARNm , que se elimina (transcribe) de este ADN antes de que comience la síntesis de proteínas. La U en la designación del codón significa uracilo , que reemplaza a la timina cuando el gen se transcribe en ARN .

El número de genes de ARNt (22 genes) es menor que en el genoma nuclear con sus 32 genes de ARNt [23] .

En el genoma mitocondrial humano, la información está tan concentrada que, por regla general, los nucleótidos correspondientes a los codones del terminador 3'-terminal se eliminan parcialmente en las secuencias de codificación de ARNm [23] .

Aplicación

Además de ser utilizado en la construcción de diversas teorías filogenéticas, el estudio del genoma mitocondrial es la principal herramienta para la identificación . La posibilidad de identificación está asociada a las diferencias grupales e incluso individuales existentes en el genoma mitocondrial humano.

La secuencia de la región del gen de la subunidad I de la citocromo c oxidasa, codificada en el ADN mitocondrial, es ampliamente utilizada en proyectos relacionados con el código de barras del ADN de animales, es decir, determinar si un organismo pertenece a un taxón particular en función de marcadores cortos en su ADN [28] [29] . Para el código de barras de plantas, se utiliza principalmente una combinación de dos marcadores en el ADN de plástidos [30] .

El grupo de Shukhrat Mitalipov en el Centro de Células Embrionarias y Terapia Génica de la Universidad de Oregón ha desarrollado un método de reemplazo de ADN mitocondrial para tratar enfermedades mitocondriales hereditarias. Ahora en el Reino Unido, han comenzado los ensayos clínicos de este método, que recibió el nombre no oficial de "técnica de bebé de 3 padres": "un niño de tres padres". También se sabe del nacimiento de un niño en México producto de este procedimiento [31] .

Notas

  1. ↑ Jinks, D., Herencia no cromosómica, trad. del inglés, M., 1966; Sadger R., Genes outside of cromosomas, en: Molecules and Cells, trans. de Inglés, M., 1966.
  2. ↑ Nass, MM & Nass, S. (1963 en el Instituto Wenner-Gren de Biología Experimental, Universidad de Estocolmo , Estocolmo , Suecia ): Fibras intramitocondriales con características de ADN Archivado el 10 de septiembre de 2008 en Wayback Machine (PDF). En: J. Cell. Biol. bd. 19, S. 593-629. PMID 14086138
  3. ↑ Ellen Haslbrunner, Hans Tuppy y Gottfried Schatz (1964 en el Instituto de Bioquímica de la Facultad de Medicina de la Universidad de Viena en Viena , Austria ): "Ácido desoxirribonucleico asociado con mitocondrias de levadura" (PDF) Biochem. Biografía. Res. común 15, 127-132.
  4. ↑ Iborra FJ, Kimura H., Cook PR La organización funcional de los genomas mitocondriales en células humanas  // BMC Biol  . : diario. - 2004. - vol. 2 . — Pág. 9 . -doi : 10.1186 / 1741-7007-2-9 . — PMID 15157274 .
  5. ↑ Dymshits G. M. Sorpresas del genoma mitocondrial. Priroda, 2002, N 6 . Consultado el 18 de mayo de 2014. Archivado desde el original el 28 de julio de 2012.
  6. ↑ Wiesner RJ, Ruegg JC, Morano I. Recuento de moléculas diana por reacción en cadena de polimerasa exponencial, número de copias de ADN mitocondrial en tejidos de rata  //  Biochim Biophys Acta. : diario. - 1992. - vol. 183 . - Pág. 553-559 . —PMID 1550563 .
  7. ↑ doi:10.1016/j.exppara.2006.04.005 (enlace descendente) . Consultado el 11 de mayo de 2009. Archivado desde el original el 31 de marzo de 2011. 
  8. ↑ Alexeyev, Mikhail F.; LeDoux, Susan P.; Wilson, Glenn L. ADN mitocondrial y envejecimiento (neopr.)  // Clinical Science. - 2004. - julio ( vol. 107 , n. 4 ). - S. 355-364 . -doi : 10.1042/ CS20040148 . —PMID 15279618 .  
  9. ↑ Chentsov Yu. S. Citología general. - 3ra ed. - Universidad Estatal de Moscú, 1995. - 384 p. — ISBN 5-211-03055-9 .
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Enlaces

Véase también

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