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ADN mitocondrial

El ADN mitocondrial es el pequeño cromosoma circular que se encuentra dentro de las mitocondrias. Estos orgánulos , presentes en todas las células eucariotas , son el motor de la célula. [1] Las mitocondrias, y por lo tanto el ADN mitocondrial, se transmiten exclusivamente de la madre a la descendencia a través del óvulo .
Ilustración de la ubicación del ADN mitocondrial en las células humanas
La microscopía electrónica revela ADN mitocondrial en focos discretos. Barras: 200 nm. (A) Sección citoplasmática después del marcaje inmuno-oro con anti-ADN; las partículas de oro que marcan el ADNmt se encuentran cerca de la membrana mitocondrial (puntos negros en la parte superior derecha). (B) Vista de montaje completo del citoplasma después de la extracción con tampón CSK y marcaje inmuno-oro con anti-ADN; el ADNmt (marcado con partículas de oro) resiste la extracción. De Iborra et al., 2004. [ jerga ] [2]

El ADN mitocondrial ( ADNmt y ADNm ) es el ADN que se encuentra en los orgánulos mitocondriales de una célula eucariota y que convierte la energía química de los alimentos en trifosfato de adenosina (ATP). El ADN mitocondrial es una pequeña porción del ADN contenido en una célula eucariota; la mayor parte del ADN se encuentra en el núcleo celular y, en las plantas y las algas, el ADN también se encuentra en los plástidos , como los cloroplastos . [3]

El ADN mitocondrial humano fue la primera parte significativa del genoma humano que se secuenció. [4] Esta secuenciación reveló que el ADNmt humano tiene 16.569 pares de bases y codifica 13 proteínas . Al igual que en otros vertebrados, el código genético mitocondrial humano difiere ligeramente del ADN nuclear. [5]

Dado que el ADNmt animal evoluciona más rápido que los marcadores genéticos nucleares , [6] [7] [8] representa un pilar de la filogenética y la biología evolutiva . También permite rastrear las relaciones entre poblaciones, por lo que ha adquirido importancia en la antropología y la biogeografía .

Origen

Se cree que el ADN nuclear y mitocondrial tienen orígenes evolutivos separados , y que el ADNmt deriva de los genomas circulares de bacterias engullidas por los ancestros de las células eucariotas modernas. Esta teoría se denomina teoría endosimbiótica . En las células de los organismos actuales, la gran mayoría de las proteínas de las mitocondrias (que suman aproximadamente 1500 tipos diferentes en los mamíferos ) están codificadas por el ADN nuclear , pero se cree que los genes de algunas de ellas, si no la mayoría, son de origen bacteriano, habiendo sido transferidos al núcleo eucariota durante la evolución . [9]

Las razones por las que las mitocondrias han retenido algunos genes son motivo de debate. La existencia en algunas especies de orgánulos derivados de mitocondrias que carecen de genoma [10] sugiere que es posible la pérdida completa de genes, y la transferencia de genes mitocondriales al núcleo tiene varias ventajas [11] . La dificultad de dirigir productos proteicos hidrófobos producidos a distancia a la mitocondria es una hipótesis de por qué algunos genes se retienen en el ADNmt; [12] la colocalización para la regulación redox es otra, citando la conveniencia del control localizado sobre la maquinaria mitocondrial [13] . Un análisis reciente de una amplia gama de genomas de ADNmt sugiere que ambas características pueden determinar la retención de genes mitocondriales [9] .

Estructura y diversidad del genoma

En todos los organismos, hay seis tipos principales de genomas mitocondriales, clasificados por estructura (es decir, circular versus lineal), tamaño, presencia de intrones o estructuras similares a plásmidos y si el material genético es una molécula singular o una colección de moléculas homogéneas o heterogéneas . [14]

En muchos organismos unicelulares (p. ej., el ciliado Tetrahymena y el alga verde Chlamydomonas reinhardtii ), y en casos raros también en organismos multicelulares (p. ej. en algunas especies de Cnidaria ), el ADNmt es ADN lineal . La mayoría de estos ADNmt lineales poseen telómeros independientes de la telomerasa (es decir, los extremos del ADN lineal ) con diferentes modos de replicación, lo que los ha convertido en objetos de investigación interesantes porque muchos de estos organismos unicelulares con ADNmt lineal son patógenos conocidos . [15]

Animales

La mayoría de los animales ( bilaterales ) tienen un genoma mitocondrial circular. Sin embargo, los clados Medusozoa y Calcarea incluyen especies con cromosomas mitocondriales lineales. [16] Con algunas excepciones, los animales tienen 37 genes en su ADN mitocondrial: 13 para proteínas , 22 para ARNt y 2 para ARNr . [17]

Los genomas mitocondriales de los animales tienen una longitud media de unos 16.000 pares de bases. [17] La ​​anémona Isarachnanthus nocturnus tiene el genoma mitocondrial más grande de todos los animales, con 80.923 pb. [18] El genoma mitocondrial más pequeño conocido en animales pertenece a la medusa peine Vallicula multiformis , que consta de 9.961 pb. [19]

En febrero de 2020, se descubrió un parásito relacionado con las medusas, Henneguya salminicola , que carece de genoma mitocondrial pero conserva estructuras consideradas orgánulos relacionados con las mitocondrias. Además, los genes del ADN nuclear involucrados en la respiración aeróbica y en la replicación y transcripción del ADN mitocondrial estaban ausentes o presentes solo como pseudogenes . Este es el primer organismo multicelular conocido que tiene esta ausencia de respiración aeróbica y vive completamente libre de dependencia del oxígeno. [20] [21]

Plantas y hongos

Existen tres tipos diferentes de genomas mitocondriales en plantas y hongos. El primer tipo es un genoma circular que tiene intrones (tipo 2) y puede tener una longitud de entre 19 y 1000 kbp. El segundo tipo de genoma es un genoma circular (de unos 20 a 1000 kbp) que también tiene una estructura similar a la de un plásmido (1 kb) (tipo 3). El último tipo de genoma que se encuentra en plantas y hongos es un genoma lineal formado por moléculas de ADN homogéneas (tipo 5). [22] [23] [24]

Existe una gran variación en el contenido y tamaño de los genes del ADNmt entre hongos y plantas, aunque parece haber un subconjunto central de genes presente en todos los eucariotas (excepto en los pocos que no tienen mitocondrias en absoluto). [9] En los hongos, sin embargo, no hay un único gen compartido entre todos los mitogenomas. [25] Algunas especies de plantas tienen genomas mitocondriales enormes, y el ADNmt de Silene conica contiene hasta 11.300.000 pares de bases. [26] Sorprendentemente, incluso esos enormes ADNmt contienen la misma cantidad y tipos de genes que las plantas relacionadas con ADNmt mucho más pequeños. [27] El genoma de la mitocondria del pepino ( Cucumis sativus ) consta de tres cromosomas circulares (longitudes de 1556, 84 y 45 kilobases), que son total o en gran medida autónomos con respecto a su replicación . [28]

Protistas

Los protistas contienen los genomas mitocondriales más diversos, con cinco tipos diferentes encontrados en este reino. Los tipos 2, 3 y 5 de los genomas de plantas y hongos también existen en algunos protistas, al igual que dos tipos únicos de genoma. Uno de estos tipos únicos es una colección heterogénea de moléculas de ADN circulares (tipo 4), mientras que el otro es una colección heterogénea de moléculas lineales (tipo 6). Los tipos de genoma 4 y 6 varían cada uno de 1 a 200 kbp en tamaño. [ cita requerida ]

El genoma mitocondrial más pequeño secuenciado hasta la fecha es el ADNmt de 5.967 pb del parásito Plasmodium falciparum . [29] [30]

La transferencia genética endosimbiótica , el proceso por el cual los genes que fueron codificados en el genoma mitocondrial se transfieren al genoma principal de la célula, probablemente explica por qué organismos más complejos como los humanos tienen genomas mitocondriales más pequeños que organismos más simples como los protistas.

Replicación

El ADN mitocondrial es replicado por el complejo de la ADN polimerasa gamma, que está compuesto por una ADN polimerasa catalítica de 140 kDa codificada por el gen POLG y dos subunidades accesorias de 55 kDa codificadas por el gen POLG2 . [31] La maquinaria del replisoma está formada por la ADN polimerasa, TWINKLE y las proteínas SSB mitocondriales . TWINKLE es una helicasa , que desenrolla tramos cortos de dsADN en la dirección 5' a 3'. [32] Todos estos polipéptidos están codificados en el genoma nuclear.

Durante la embriogénesis , la replicación del ADNmt está estrictamente regulada a la baja desde el ovocito fertilizado hasta el embrión preimplantacional. [33] La reducción resultante en el número de copias por célula del ADNmt desempeña un papel en el cuello de botella mitocondrial, explotando la variabilidad de célula a célula para mejorar la herencia de mutaciones dañinas. [34] Según Justin St. John y colegas, "En la etapa de blastocisto , el inicio de la replicación del ADNmt es específico de las células del trofectodermo . [33] Por el contrario, las células de la masa celular interna restringen la replicación del ADNmt hasta que reciben las señales para diferenciarse en tipos de células específicos". [33]

ADN mitocondrial humano con los 37 genes en sus respectivas cadenas H y L

Genes del mtADN humano y su transcripción

Cariograma esquemático que muestra el genoma humano , con 23 pares de cromosomas, así como el genoma mitocondrial (a escala en la parte inferior izquierda, anotado como "MT"). Su genoma es relativamente pequeño en comparación con el resto, y su número de copias por célula humana varía de 0 ( eritrocitos ) [35] hasta 1.500.000 ( ovocitos ). [36]

Las dos hebras del ADN mitocondrial humano se distinguen como la hebra pesada y la hebra ligera. La hebra pesada es rica en guanina y codifica 12 subunidades del sistema de fosforilación oxidativa , dos ARN ribosómicos (12S y 16S) y 14 ARN de transferencia (ARNt). La hebra ligera codifica una subunidad y 8 ARNt. Por lo tanto, en total, el ADNmt codifica dos ARNr, 22 ARNt y 13 subunidades proteicas , todas ellas implicadas en el proceso de fosforilación oxidativa. [37] [38]

Entre la mayoría de las regiones codificantes de proteínas (pero no todas) se encuentran ARNt (véase el mapa del genoma mitocondrial humano). Durante la transcripción, los ARNt adquieren su forma característica de L, que es reconocida y escindida por enzimas específicas. Con el procesamiento del ARN mitocondrial, se liberan secuencias individuales de ARNm, ARNr y ARNt de la transcripción primaria. [40] Por lo tanto, los ARNt plegados actúan como puntuaciones de estructura secundaria. [41]

Regulación de la transcripción

Los promotores para la iniciación de la transcripción de las cadenas pesadas y ligeras se encuentran en la principal región no codificante del ADNmt llamada bucle de desplazamiento, el D-loop . [37] Existe evidencia de que la transcripción de los ARNr mitocondriales está regulada por el promotor de la cadena pesada 1 (HSP1), y la transcripción de las transcripciones policistrónicas que codifican las subunidades de la proteína está regulada por HSP2. [37]

La medición de los niveles de ARN codificados por ADNmt en tejidos bovinos ha demostrado que existen diferencias importantes en la expresión de los ARN mitocondriales en relación con el ARN tisular total. [42] Entre los 12 tejidos examinados, el nivel más alto de expresión se observó en el corazón, seguido del cerebro y las muestras de tejido esteroidogénico. [42]

Como lo demuestra el efecto de la hormona trófica ACTH sobre las células de la corteza suprarrenal, la expresión de los genes mitocondriales puede estar fuertemente regulada por factores externos, aparentemente para mejorar la síntesis de proteínas mitocondriales necesarias para la producción de energía. [42] Curiosamente, mientras que la expresión de genes codificadores de proteínas fue estimulada por ACTH, los niveles del ARNr 16S mitocondrial no mostraron cambios significativos. [42]

Herencia mitocondrial

En la mayoría de los organismos multicelulares , el ADNmt se hereda de la madre (herencia materna). Los mecanismos para esto incluyen la dilución simple (un óvulo contiene en promedio 200.000 moléculas de ADNmt, mientras que se ha informado que un espermatozoide humano sano contiene en promedio 5 moléculas), [43] [44] la degradación del ADNmt del esperma en el tracto genital masculino y en el óvulo fertilizado; y, al menos en algunos organismos, el fracaso del ADNmt del esperma para entrar en el óvulo. Cualquiera que sea el mecanismo, este patrón de herencia monoparental ( herencia uniparental ) de ADNmt se encuentra en la mayoría de los animales, la mayoría de las plantas y también en los hongos. [45]

En un estudio publicado en 2018, se informó que los bebés humanos heredan el ADNmt tanto de sus padres como de sus madres, lo que resulta en heteroplasmia del ADNmt , [46] un hallazgo que ha sido rechazado por otros científicos. [47] [48] [49]

Herencia femenina

En la reproducción sexual , las mitocondrias normalmente se heredan exclusivamente de la madre; las mitocondrias en los espermatozoides de los mamíferos suelen ser destruidas por el óvulo después de la fertilización. Además, las mitocondrias están presentes únicamente en la pieza intermedia, que se utiliza para propulsar los espermatozoides, y a veces la pieza intermedia, junto con la cola, se pierde durante la fertilización. En 1999 se informó que las mitocondrias del esperma paterno (que contienen ADNmt) están marcadas con ubiquitina para seleccionarlas para su posterior destrucción dentro del embrión . [50] Algunas técnicas de fertilización in vitro , en particular la inyección de un espermatozoide en un ovocito , pueden interferir con esto.

El hecho de que el ADN mitocondrial se herede principalmente por vía materna permite a los investigadores genealógicos rastrear el linaje materno muy atrás en el tiempo. ( El ADN del cromosoma Y , heredado por vía paterna, se utiliza de forma análoga para determinar la historia patrilineal ). Esto generalmente se logra en el ADN mitocondrial humano mediante la secuenciación de las regiones de control hipervariables (HVR1 o HVR2), y a veces la molécula completa del ADN mitocondrial, como una prueba de ADN genealógico . [51] HVR1, por ejemplo, consta de unos 440 pares de bases. Estos 440 pares de bases se comparan con las mismas regiones de otros individuos (ya sea personas específicas o sujetos en una base de datos) para determinar el linaje materno. La mayoría de las veces, la comparación se realiza con la secuencia de referencia de Cambridge revisada . Vilà et al. han publicado estudios que rastrean la descendencia matrilineal de los perros domésticos a partir de los lobos. [52] El concepto de Eva Mitocondrial se basa en el mismo tipo de análisis, intentando descubrir el origen de la humanidad rastreando el linaje en el tiempo.

El cuello de botella mitocondrial

Se puede esperar que las entidades sujetas a herencia uniparental y con poca o ninguna recombinación estén sujetas al trinquete de Muller , la acumulación de mutaciones deletéreas hasta que se pierde la funcionalidad. Las poblaciones animales de mitocondrias evitan esto a través de un proceso de desarrollo conocido como el cuello de botella del ADNmt . El cuello de botella explota procesos aleatorios en la célula para aumentar la variabilidad de célula a célula en la carga mutante a medida que un organismo se desarrolla: un solo óvulo con cierta proporción de ADNmt mutante produce un embrión en el que diferentes células tienen diferentes cargas mutantes. La selección a nivel celular puede entonces actuar para eliminar aquellas células con más ADNmt mutante, lo que lleva a una estabilización o reducción en la carga mutante entre generaciones. El mecanismo subyacente al cuello de botella es debatido, [53] [54] [55] [56] con un metaestudio matemático y experimental reciente que proporciona evidencia de una combinación de la partición aleatoria de ADNmt en las divisiones celulares y la renovación aleatoria de moléculas de ADNmt dentro de la célula. [34]

Herencia masculina

Se ha descubierto la herencia del ADN mitocondrial masculino en los pollos Plymouth Rock . [57] La ​​evidencia también respalda casos raros de herencia mitocondrial masculina en algunos mamíferos. Específicamente, existen casos documentados en ratones, [58] [59] donde las mitocondrias heredadas del macho fueron posteriormente rechazadas. También se ha encontrado en ovejas, [60] y en ganado clonado. [61] Se han documentado casos raros de herencia mitocondrial masculina en humanos. [62] [63] [64] [46] Aunque muchos de estos casos involucran embriones clonados o rechazo posterior de las mitocondrias paternas, otros documentan herencia in vivo y persistencia en condiciones de laboratorio.

En los moluscos bivalvos se observa una herencia uniparental doble del ADNmt. En esas especies, las hembras tienen solo un tipo de ADNmt (F), mientras que los machos tienen ADNmt de tipo F en sus células somáticas, pero ADNmt de tipo M (que puede ser hasta un 30% divergente) en las células de la línea germinal . [65] También se han descrito mitocondrias heredadas por vía paterna en algunos insectos como las moscas de la fruta , [66] [67] las abejas melíferas , [68] y las cigarras periódicas . [69]

Donación de mitocondrias

Una técnica de FIV conocida como donación mitocondrial o terapia de reemplazo mitocondrial (TRM) da como resultado una descendencia que contiene ADNmt de una donante femenina y ADN nuclear de la madre y el padre. En el procedimiento de transferencia de huso, el núcleo de un óvulo se inserta en el citoplasma de un óvulo de una donante femenina al que se le ha extraído el núcleo, pero que aún contiene el ADNmt de la donante femenina. Luego, el óvulo compuesto se fertiliza con el esperma del macho. El procedimiento se utiliza cuando una mujer con mitocondrias genéticamente defectuosas desea procrear y producir descendencia con mitocondrias sanas. [70] El primer niño conocido que nació como resultado de la donación mitocondrial fue un niño nacido de una pareja jordana en México el 6 de abril de 2016. [71]

Mutaciones y enfermedades

ADN mitocondrial humano con grupos de genes que codifican proteínas, ARNr y ARNt
La implicación del ADN mitocondrial en varias enfermedades humanas

Susceptibilidad

El concepto de que el ADNmt es particularmente susceptible a las especies reactivas de oxígeno generadas por la cadena respiratoria debido a su proximidad sigue siendo controvertido. [72] El ADNmt no acumula más daño oxidativo de bases que el ADN nuclear. [73] Se ha informado de que al menos algunos tipos de daño oxidativo del ADN se reparan de forma más eficiente en las mitocondrias que en el núcleo. [74] El ADNmt está empaquetado con proteínas que parecen ser tan protectoras como las proteínas de la cromatina nuclear. [75] Además, las mitocondrias desarrollaron un mecanismo único que mantiene la integridad del ADNmt a través de la degradación de genomas excesivamente dañados seguida de la replicación del ADNmt intacto/reparado. Este mecanismo no está presente en el núcleo y es posible gracias a las múltiples copias de ADNmt presentes en las mitocondrias. [76] El resultado de la mutación en el ADNmt puede ser una alteración en las instrucciones de codificación de algunas proteínas, [77] lo que puede tener un efecto en el metabolismo y/o la aptitud del organismo.

Enfermedad genética

Las mutaciones del ADN mitocondrial pueden provocar una serie de enfermedades, entre ellas la intolerancia al ejercicio y el síndrome de Kearns-Sayre (KSS), que hace que una persona pierda la función completa del corazón, los ojos y los movimientos musculares. Algunas pruebas sugieren que podrían ser importantes contribuyentes al proceso de envejecimiento y las patologías asociadas a la edad . [78] Particularmente en el contexto de la enfermedad, la proporción de moléculas de ADNmt mutantes en una célula se denomina heteroplasmia . Las distribuciones intracelulares e intercelulares de la heteroplasmia dictan el inicio y la gravedad de la enfermedad [79] y están influenciadas por procesos estocásticos complicados dentro de la célula y durante el desarrollo. [34] [80]

Las mutaciones en los ARNt mitocondriales pueden ser responsables de enfermedades graves como los síndromes MELAS y MERRF . [81]

Las mutaciones en los genes nucleares que codifican proteínas que utilizan las mitocondrias también pueden contribuir a las enfermedades mitocondriales. Estas enfermedades no siguen patrones de herencia mitocondrial, sino patrones de herencia mendeliana. [82]

Uso en el diagnóstico de enfermedades

Recientemente, se ha utilizado una mutación en el ADNmt para ayudar a diagnosticar el cáncer de próstata en pacientes con biopsia de próstata negativa . [83] [84] Se pueden detectar alteraciones del ADNmt en los biofluidos de pacientes con cáncer. [85] El ADNmt se caracteriza por la alta tasa de polimorfismos y mutaciones. Algunos de los cuales se reconocen cada vez más como una causa importante de patología humana, como los trastornos de la fosforilación oxidativa (OXPHOS), la diabetes y sordera hereditarias maternas (MIDD), la diabetes mellitus tipo 2, las enfermedades neurodegenerativas , la insuficiencia cardíaca y el cáncer.

Relación con el envejecimiento

Aunque la idea es controvertida, algunas evidencias sugieren un vínculo entre el envejecimiento y la disfunción del genoma mitocondrial. [86] En esencia, las mutaciones en el ADNmt alteran un equilibrio cuidadoso de la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS) y la eliminación enzimática de ROS (por enzimas como la superóxido dismutasa , la catalasa , la glutatión peroxidasa y otras). Sin embargo, algunas mutaciones que aumentan la producción de ROS (por ejemplo, al reducir las defensas antioxidantes) en los gusanos aumentan, en lugar de disminuir, su longevidad. [72] Además, las ratas topo desnudas , roedores del tamaño de los ratones , viven aproximadamente ocho veces más que los ratones a pesar de haber reducido, en comparación con los ratones, las defensas antioxidantes y aumentado el daño oxidativo a las biomoléculas. [87] Una vez, se pensó que había un bucle de retroalimentación positiva en funcionamiento (un "círculo vicioso"); a medida que el ADN mitocondrial acumula daño genético causado por radicales libres, las mitocondrias pierden su función y filtran radicales libres al citosol . Una disminución en la función mitocondrial reduce la eficiencia metabólica general. [88] Sin embargo, este concepto fue refutado concluyentemente cuando se demostró que los ratones, que fueron alterados genéticamente para acumular mutaciones de mtADN a un ritmo acelerado, envejecen prematuramente, pero sus tejidos no producen más ROS como predijo la hipótesis del "círculo vicioso". [89] Apoyando un vínculo entre la longevidad y el ADN mitocondrial, algunos estudios han encontrado correlaciones entre las propiedades bioquímicas del ADN mitocondrial y la longevidad de las especies. [90] La aplicación de un eliminador de ROS específico mitocondrial, que condujo a una longevidad significativa de los ratones estudiados, [91] sugiere que las mitocondrias aún pueden estar bien implicadas en el envejecimiento. Se están realizando investigaciones exhaustivas para investigar más a fondo este vínculo y los métodos para combatir el envejecimiento. Actualmente, la terapia génica y la suplementación nutracéutica son áreas populares de investigación en curso. [92] [93] Bjelakovic et al. analizaron los resultados de 78 estudios realizados entre 1977 y 2012, con un total de 296.707 participantes, y concluyeron que los suplementos antioxidantes no reducen la mortalidad por todas las causas ni prolongan la esperanza de vida, mientras que algunos de ellos, como el betacaroteno, la vitamina E y dosis más altas de vitamina A, pueden en realidad aumentar la mortalidad. [94]En un estudio reciente se demostró que la restricción dietética puede revertir las alteraciones del envejecimiento al afectar la acumulación de daño en el mtADN en varios órganos de ratas. Por ejemplo, la restricción dietética impidió la acumulación de daño en el mtADN relacionada con la edad en la corteza y la disminuyó en los pulmones y los testículos. [95]

Enfermedades neurodegenerativas

El aumento del daño del ADNmt es una característica de varias enfermedades neurodegenerativas .

Los cerebros de las personas con enfermedad de Alzheimer presentan niveles elevados de daño oxidativo del ADN tanto en el ADN nuclear como en el ADNmt, pero el ADNmt tiene niveles aproximadamente 10 veces más altos que el ADN nuclear. [96] Se ha propuesto que las mitocondrias envejecidas son el factor crítico en el origen de la neurodegeneración en la enfermedad de Alzheimer. [97] El análisis de los cerebros de pacientes con EA sugirió una función deteriorada de la vía de reparación del ADN , lo que causaría una reducción de la calidad general del ADNmt. [98]

En la enfermedad de Huntington , la proteína huntingtina mutante causa disfunción mitocondrial que implica la inhibición del transporte de electrones mitocondriales , niveles más altos de especies reactivas de oxígeno y un mayor estrés oxidativo . [99] La proteína huntingtina mutante promueve el daño oxidativo al ADNmt, así como al ADN nuclear, que puede contribuir a la patología de la enfermedad de Huntington . [100]

El producto de oxidación del ADN, 8-oxoguanina (8-oxoG), es un marcador bien establecido de daño oxidativo del ADN. En personas con esclerosis lateral amiotrófica (ELA), las enzimas que normalmente reparan los daños del ADN causados ​​por 8-oxoG en el ADNmt de las neuronas motoras espinales están alteradas. [101] Por lo tanto, el daño oxidativo al ADNmt de las neuronas motoras puede ser un factor significativo en la etiología de la ELA.

Correlación de la composición de bases del ADNmt con la esperanza de vida de los animales

La composición de bases de ADNmt de especies animales se recuperó de la base de datos MitoAge y se comparó con su esperanza de vida máxima de la base de datos AnAge.

Durante la última década, un grupo de investigación israelí dirigido por el profesor Vadim Fraifeld ha demostrado que existen correlaciones fuertes y significativas entre la composición de la base del ADNmt y las esperanzas de vida máximas específicas de las especies animales. [102] [103] [104] Como se demostró en su trabajo, un mayor contenido de guanina + citosina ( GC% ) del ADNmt se asocia fuertemente con esperanzas de vida máximas más largas en las especies animales. Una observación adicional es que la correlación del GC% del ADNmt con las esperanzas de vida máximas es independiente de la correlación bien conocida entre la tasa metabólica de las especies animales y las esperanzas de vida máximas. El GC% del ADNmt y la tasa metabólica en reposo explican las diferencias en las esperanzas de vida máximas de las especies animales de manera multiplicativa (es decir, esperanza de vida máxima de las especies = su GC% de ADNmt * tasa metabólica). [103] Para apoyar a la comunidad científica en la realización de análisis comparativos entre las características del ADNmt y la longevidad en los animales, se creó una base de datos dedicada llamada MitoAge. [105]

El espectro mutacional del ADNmt es sensible a los rasgos del ciclo de vida específicos de cada especie

Las mutaciones de novo surgen debido a errores durante la replicación del ADN o debido a daños no reparados causados ​​a su vez por mutágenos endógenos y exógenos. Durante mucho tiempo se ha creído que el ADNmt puede ser particularmente sensible al daño causado por especies reactivas de oxígeno (ROS), sin embargo, las sustituciones G>T, el sello distintivo del daño oxidativo en el genoma nuclear, son muy raras en el ADNmt y no aumentan con la edad. Al comparar los espectros mutacionales del ADNmt de cientos de especies de mamíferos, se ha demostrado recientemente que las especies con vidas prolongadas tienen una mayor tasa de sustituciones A>G en la cadena pesada monocatenaria. [106] Este descubrimiento condujo a la hipótesis de que A>G es un marcador específico de las mitocondrias del daño oxidativo asociado con la edad. Este hallazgo proporciona una explicación mutacional (contraria a la selectiva) para la observación de que las especies de larga vida tienen ADNmt rico en GC: las especies de larga vida se vuelven ricas en GC simplemente debido a su proceso sesgado de mutagénesis. Una asociación entre el espectro mutacional del ADNmt y los rasgos del ciclo de vida específicos de las especies de mamíferos abre la posibilidad de vincular estos factores y descubrir nuevos mutágenos específicos del ciclo de vida en diferentes grupos de organismos.

Relación con estructuras de ADN no B (no canónicas)

Los puntos de corte por deleción se producen frecuentemente dentro o cerca de regiones que muestran conformaciones no canónicas (no B), a saber, horquillas, cruciformes y elementos similares a hojas de trébol. [107] Además, hay datos que respaldan la participación de regiones intrínsecamente curvadas que distorsionan la hélice y tétradas G largas en la generación de eventos de inestabilidad. Además, se observaron consistentemente mayores densidades de puntos de corte dentro de regiones sesgadas por GC y en las proximidades del motivo de secuencia degenerada YMMYMNNMMHM. [108]

Uso en la ciencia forense

A diferencia del ADN nuclear, que se hereda de ambos padres y en el que los genes se reorganizan en el proceso de recombinación , normalmente no hay cambios en el ADNmt de los padres a los hijos. Aunque el ADNmt también se recombina, lo hace con copias de sí mismo dentro de la misma mitocondria. Debido a esto y a que la tasa de mutación del ADNmt animal es mayor que la del ADN nuclear, [109] el ADNmt es una herramienta poderosa para rastrear la ascendencia a través de las hembras ( matrilinaje ) y se ha utilizado en esta función para rastrear la ascendencia de muchas especies a lo largo de cientos de generaciones.

Los científicos forenses pueden utilizar la prueba de ADNmt en casos en los que el ADN nuclear está gravemente degradado. Las células autosómicas solo tienen dos copias de ADN nuclear, pero pueden tener cientos de copias de ADNmt debido a las múltiples mitocondrias presentes en cada célula. Esto significa que la evidencia altamente degradada que no sería beneficiosa para el análisis de STR podría usarse en el análisis de ADNmt. El ADNmt puede estar presente en huesos, dientes o cabello, que podrían ser los únicos restos que queden en el caso de una degradación grave. A diferencia del análisis de STR, la secuenciación de ADNmt utiliza la secuenciación de Sanger . La secuencia conocida y la secuencia cuestionada se comparan con la secuencia de referencia revisada de Cambridge para generar sus respectivos haplotipos. Si la secuencia de muestra conocida y la secuencia cuestionada se originaron a partir de la misma matrilina, uno esperaría ver secuencias idénticas y diferencias idénticas del rCRS. [110] Surgen casos en los que no hay muestras conocidas para recolectar y la secuencia desconocida se puede buscar en una base de datos como EMPOP. El Grupo de Trabajo Científico sobre Métodos de Análisis de ADN recomienda tres conclusiones para describir las diferencias entre una secuencia de ADNmt conocida y una secuencia de ADNmt cuestionada: exclusión para dos o más diferencias entre las secuencias, no concluyente si hay una diferencia de nucleótidos, o no se puede excluir si no hay diferencias de nucleótidos entre las dos secuencias. [111]

La rápida tasa de mutación (en animales) hace que el ADNmt sea útil para evaluar las relaciones genéticas de individuos o grupos dentro de una especie y también para identificar y cuantificar la filogenia (relaciones evolutivas; ver filogenética ) entre diferentes especies. Para ello, los biólogos determinan y luego comparan las secuencias de ADNmt de diferentes individuos o especies. Los datos de las comparaciones se utilizan para construir una red de relaciones entre las secuencias, que proporciona una estimación de las relaciones entre los individuos o especies de los que se tomaron los ADNmt. El ADNmt se puede utilizar para estimar la relación entre especies estrechamente relacionadas y distantemente relacionadas. Debido a la alta tasa de mutación del ADNmt en animales, las 3.ª posiciones de los codones cambian con relativa rapidez y, por lo tanto, proporcionan información sobre las distancias genéticas entre individuos o especies estrechamente relacionados. Por otra parte, la tasa de sustitución de las proteínas mt es muy baja, por lo que los cambios de aminoácidos se acumulan lentamente (con los correspondientes cambios lentos en las posiciones del 1.º y 2.º codón) y, por lo tanto, proporcionan información sobre las distancias genéticas de las especies distantes. Los modelos estadísticos que tratan las tasas de sustitución entre las posiciones de los codones por separado pueden utilizarse para estimar simultáneamente filogenias que contienen especies cercanas y distantes [81].

El ADN mitocondrial fue admitido como prueba por primera vez en un tribunal de los Estados Unidos en 1996 durante el caso Estado de Tennessee contra Paul Ware . [112]

En el caso de 1998 de la Commonwealth of Pennsylvania v. Patricia Lynne Rorrer en los Estados Unidos, [113] el ADN mitocondrial fue admitido como prueba en el estado de Pensilvania por primera vez. [114] [115] El caso apareció en el episodio 55 de la quinta temporada de la serie dramática sobre crímenes reales Forensic Files (temporada 5) . [116]

El ADN mitocondrial fue admitido por primera vez como prueba en California , Estados Unidos, en el exitoso procesamiento de David Westerfield por el secuestro y asesinato en 2002 de Danielle van Dam , de 7 años, en San Diego : se utilizó para la identificación tanto de humanos como de perros. [117] Este fue el primer juicio en los EE. UU. en admitir ADN canino. [118]

Los restos del rey Ricardo III , que murió en 1485, fueron identificados comparando su ADNmt con el de dos descendientes matrilineales de su hermana que estaban vivos en 2013, 527 años después de su muerte. [119]

Uso en biología evolutiva y biología sistemática.

El ADNmt se conserva en todos los organismos eucariotas debido al papel fundamental de las mitocondrias en la respiración celular . Sin embargo, debido a que la reparación del ADN es menos eficiente (en comparación con el ADN nuclear), tiene una tasa de mutación relativamente alta (pero lenta en comparación con otras regiones del ADN, como los microsatélites ), lo que lo hace útil para estudiar las relaciones evolutivas ( filogenia ) de los organismos. Los biólogos pueden determinar y luego comparar secuencias de ADNmt entre diferentes especies y usar las comparaciones para construir un árbol evolutivo para las especies examinadas.

Por ejemplo, mientras que la mayoría de los genes nucleares son casi idénticos entre los humanos y los chimpancés , sus genomas mitocondriales son un 9,8% diferentes. Los genomas mitocondriales de los humanos y los gorilas son un 11,8% diferentes, lo que sugiere que los humanos pueden estar más estrechamente relacionados con los chimpancés que con los gorilas. [120]

ADNmt en el ADN nuclear

Las secuencias completas del genoma de más de 66.000 personas revelaron que la mayoría de ellas tenían ADN mitocondrial insertado en sus genomas nucleares . Más del 90% de estos segmentos mitocondriales nucleares ( NUMT ) se insertaron después de que los humanos divergieran de los otros simios . Los resultados indican que dichas transferencias ocurren actualmente con una frecuencia de una vez cada aproximadamente 4.000 nacimientos humanos. [121]

Parece que el ADN organelar se transfiere al ADN nuclear con mucha más frecuencia de lo que se creía anteriormente. Esta observación también respalda la idea de la teoría endosimbionte de que los eucariotas han evolucionado a partir de endosimbiontes que se convirtieron en organelos mientras transferían la mayor parte de su ADN al núcleo, de modo que el genoma organelar se encogió en el proceso. [122]

Historia

El ADN mitocondrial fue descubierto en la década de 1960 por Margit MK Nass y Sylvan Nass mediante microscopía electrónica como hilos sensibles a la DNasa dentro de las mitocondrias, [123] y por Ellen Haslbrunner, Hans Tuppy y Gottfried Schatz mediante ensayos bioquímicos en fracciones mitocondriales altamente purificadas. [124]

Bases de datos de secuencias mitocondriales

Se han creado varias bases de datos especializadas para recopilar secuencias del genoma mitocondrial y otra información. Aunque la mayoría de ellas se centran en datos de secuencias, algunas de ellas incluyen información filogenética o funcional.

Bases de datos de asociación entre ADNmt y fenotipo

Los estudios de asociación de todo el genoma pueden revelar asociaciones de genes de ADNmt y sus mutaciones con fenotipos que incluyen la esperanza de vida y los riesgos de enfermedades. En 2021, el estudio de asociación de todo el genoma del ADN mitocondrial más grande, basado en el Biobanco del Reino Unido , reveló 260 nuevas asociaciones con fenotipos que incluyen la esperanza de vida y los riesgos de enfermedades, por ejemplo, la diabetes tipo 2. [134] [135]

Bases de datos de mutaciones mitocondriales

Existen varias bases de datos especializadas que reportan polimorfismos y mutaciones en el ADN mitocondrial humano, junto con la evaluación de su patogenicidad.

Véase también

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