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Un gen nuclear es un gen cuya secuencia de nucleótidos de ADN se encuentra físicamente dentro del núcleo celular de un organismo eucariota. Este término se emplea para diferenciar los genes nucleares, que se encuentran en el núcleo celular , de los genes que se encuentran en las mitocondrias o los cloroplastos . La gran mayoría de los genes en eucariotas son nucleares.
Las mitocondrias y los plástidos evolucionaron a partir de procariotas de vida libre hasta convertirse en los orgánulos citoplasmáticos actuales a través de la evolución endosimbiótica . [1] Se cree que las mitocondrias son necesarias para que exista la vida eucariota. Se las conoce como las centrales energéticas de la célula porque proporcionan la mayor parte de la energía o ATP que necesita la célula. El genoma mitocondrial ( ADNmt ) se replica por separado del genoma del huésped. El ADNmt humano codifica 13 proteínas, la mayoría de las cuales están involucradas en la fosforilación oxidativa (OXPHOS). El genoma nuclear codifica las proteínas mitocondriales restantes, que luego se transportan a las mitocondrias. [2] Los genomas de estos orgánulos se han vuelto mucho más pequeños que los de sus predecesores de vida libre. Esto se debe principalmente a la transferencia generalizada de genes de los progenitores procariotas al genoma nuclear, seguida de su eliminación de los genomas de los orgánulos. En escalas de tiempo evolutivas , la entrada continua de ADN de orgánulos en el núcleo ha proporcionado nuevos genes nucleares. [1] Además, las mitocondrias dependen de los genes nucleares para la producción de proteínas esenciales, ya que no pueden generar todas las proteínas necesarias de forma independiente. [3]
Aunque están separados entre sí dentro de la célula , los genes nucleares y los de las mitocondrias y los cloroplastos pueden afectarse entre sí de varias maneras. Los genes nucleares desempeñan papeles importantes en la expresión de los genes de los cloroplastos y los genes mitocondriales. [4] Además, los productos genéticos de las mitocondrias pueden afectar por sí mismos la expresión de genes dentro del núcleo celular. [5] Esto puede hacerse a través de metabolitos , así como a través de ciertos péptidos que se translocan desde las mitocondrias al núcleo, donde luego pueden afectar la expresión genética. [6] [7] [8]
Los genomas eucariotas tienen estructuras de cromatina de orden superior distintivas que están estrechamente empaquetadas y se relacionan funcionalmente con la expresión génica. La cromatina comprime el genoma para que encaje en el núcleo celular, al mismo tiempo que garantiza que se pueda acceder al gen cuando sea necesario, como durante la transcripción , la replicación y la reparación del ADN . [9] La totalidad de la función del genoma se basa en la relación subyacente entre la organización nuclear y los mecanismos involucrados en la organización del genoma, en la que hay una serie de mecanismos complejos y vías bioquímicas que pueden afectar la expresión de genes individuales dentro del genoma. [9] Las proteínas mitocondriales restantes, las enzimas metabólicas, las polimerasas de ADN y ARN , las proteínas ribosómicas y los factores reguladores del ADNmt están todos codificados por genes nucleares. Debido a que los genes nucleares constituyen la base genética de todos los organismos eucariotas, cualquier cosa que pueda cambiar su expresión genética tiene un impacto directo en los genotipos y fenotipos celulares del organismo . [2] El núcleo también contiene una serie de focos subnucleares distintos, conocidos como cuerpos nucleares , que son estructuras controladas dinámicamente que ayudan a que numerosos procesos nucleares se ejecuten de manera más eficiente. [9] Los genes activos, por ejemplo, podrían migrar desde regiones cromosómicas y concentrarse en focos subnucleares conocidos como fábricas de transcripción . [9]
La mayoría de las proteínas de una célula son el producto del ARN mensajero transcrito a partir de genes nucleares, incluidas la mayoría de las proteínas de los orgánulos, que se producen en el citoplasma como todos los productos génicos nucleares y luego se transportan al orgánulo. Los genes en el núcleo están dispuestos de forma lineal sobre los cromosomas, que sirven como andamiaje para la replicación y la regulación de la expresión génica. Como tal, generalmente están bajo un estricto control del número de copias y se replican una sola vez por ciclo celular. [10] Las células nucleares, como las plaquetas, no poseen ADN nuclear y, por lo tanto, deben tener fuentes alternativas para el ARN que necesitan para generar proteínas. Con los 3.3 mil millones de pares de bases de ADN del genoma nuclear en los humanos, un buen ejemplo de un gen nuclear es MDH1 o el gen de la malato deshidrogenasa 1. En varias vías metabólicas, incluido el ciclo del ácido cítrico, MDH1 es un gen codificador de proteínas que codifica una enzima que cataliza la oxidación reversible dependiente de NAD/ NADH del malato a oxaloacetato. Este gen codifica la isoenzima citosólica, que participa en la lanzadera malato-aspartato , que permite que el malato atraviese la membrana mitocondrial y se convierta en oxaloacetato para realizar otras funciones celulares. [11] Este gen, entre muchos otros, exhibe su enorme papel en la totalidad de la función fisiológica de un organismo. Aunque pueden existir genes no nucleares en su naturaleza funcional, el papel de los genes nucleares en respuesta y en coordinación con los genes no nucleares es fundamental.
Muchos factores de transcripción de origen nuclear han desempeñado un papel en la expresión de la cadena respiratoria. Estos factores también pueden haber contribuido a la regulación de las funciones mitocondriales. El factor respiratorio nuclear (NRF-1) se fusiona con las proteínas de los genes codificantes respiratorios, con la enzima limitante de la velocidad en la biosíntesis y con elementos de replicación y transcripción del ADN mitocondrial o ADNmt . El segundo factor respiratorio nuclear (NRF-2) es necesario para maximizar la producción de la subunidad IV (COXIV) y Vb (COXVb) de la citocromo c oxidasa. [4]
El estudio de secuencias genéticas con el propósito de determinar la especiación y la similitud genética es sólo uno de los muchos usos de la genética moderna, y el papel que ambos tipos de genes tienen en ese proceso es importante. Aunque tanto los genes nucleares como los que se encuentran dentro de los orgánulos endosimbióticos proporcionan la composición genética de un organismo, hay características distintivas que se pueden observar mejor al observar uno en comparación con el otro. El ADN mitocondrial es útil en el estudio de la especiación, ya que tiende a ser el primero en evolucionar en el desarrollo de una nueva especie, lo cual es diferente de los cromosomas de los genes nucleares que se pueden examinar y analizar individualmente, cada uno de los cuales brinda su propia respuesta potencial en cuanto a la especiación de un organismo que ha evolucionado relativamente recientemente. [12]
Los genes nucleares de bajo número de copias en las plantas son valiosos para mejorar las reconstrucciones filogenéticas, especialmente cuando los marcadores universales como el ADN de cloroplasto o cpDNA y el ADN ribosómico nuclear o nrDNA no son suficientes. Los desafíos en el uso de estos genes incluyen marcadores universales limitados y la complejidad de las familias de genes. No obstante, son esenciales para resolver relaciones cercanas entre especies y comprender los estudios filogenéticos de las plantas. Si bien el uso de genes nucleares de bajo número de copias requiere trabajo de laboratorio adicional, los avances en las técnicas de secuenciación y clonación lo han hecho más accesible. Los intrones de rápida evolución en estos genes pueden ofrecer información filogenética crucial cerca de los límites de las especies. Este enfoque, junto con el análisis de genes importantes para el desarrollo, mejora el estudio de la diversidad y la evolución de las plantas. [13]
Como los genes nucleares son la base genética de todos los organismos eucariotas, cualquier cosa que pueda afectar a su expresión afecta directamente a las características de ese organismo a nivel celular. Las interacciones entre los genes de los orgánulos endosimbióticos, como las mitocondrias y los cloroplastos, son solo algunos de los muchos factores que pueden actuar sobre el genoma nuclear.