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Un gen nuclear es un gen que tiene su secuencia de nucleótidos de ADN situada físicamente dentro del núcleo celular de un organismo eucariota. Este término se emplea para diferenciar genes nucleares, que se encuentran en el núcleo celular , de genes que se encuentran en las mitocondrias o los cloroplastos . La gran mayoría de los genes de los eucariotas son nucleares.
Las mitocondrias y los plastidios evolucionaron desde procariotas de vida libre hasta orgánulos citoplasmáticos actuales a través de una evolución endosimbiótica . [1] Se cree que las mitocondrias son necesarias para que exista vida eucariota. Se les conoce como las centrales eléctricas 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 participan 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 genes nucleares para la producción de proteínas esenciales, ya que no pueden generar todas las proteínas necesarias de forma independiente. [3]
Aunque separados unos de otros 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 funciones importantes en la expresión de genes de cloroplastos y genes mitocondriales. [4] Además, los productos genéticos de las mitocondrias pueden afectar la expresión de genes dentro del núcleo celular. [5] Esto se puede hacer 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 distintas estructuras de cromatina de orden superior que están estrechamente empaquetadas y se relacionan funcionalmente con la expresión génica. La cromatina comprime el genoma para que quepa en el núcleo de la célula, al mismo tiempo que garantiza que se pueda acceder al gen cuando sea necesario, como durante la transcripción , replicación y reparación del ADN . [9] La totalidad de la función del genoma se basa en la relación subyacente entre la organización nuclear y los mecanismos implicados en la organización del genoma, en los que existen 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 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 producto del ARN mensajero transcrito a partir de genes nucleares, incluida la mayoría de las proteínas de los orgánulos, que se producen en el citoplasma como todos los productos de genes nucleares y luego se transportan al orgánulo. Los genes en el núcleo están dispuestos de forma lineal sobre los cromosomas, que sirven como andamio para la replicación y la regulación de la expresión genética. Como tales, suelen estar 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 de ARN que necesitan para generar proteínas. Con los 3.300 millones de pares de bases del ADN del genoma nuclear en humanos, un buen ejemplo de gen nuclear es el 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 , de malato a oxaloacetato. Este gen codifica la isoenzima citosólica, que participa en la lanzadera malato-aspartato , que permite que el malato cruce la membrana mitocondrial y se convierta en oxalacetato para realizar más funciones celulares. [11] Este gen, entre muchos otros, exhibe su enorme papel útil en la totalidad de la función fisiológica de un organismo. Aunque los genes no nucleares pueden existir en su naturaleza funcional, el papel de los genes nucleares en respuesta y 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 proteínas que codifican genes 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) del citocromo c oxidasa. [4]
El estudio de secuencias de genes con el propósito de especiación y determinación de similitud genética es solo 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 de los orgánulos endosimbióticos proporcionan la composición genética de un organismo, existen características distintas que se pueden observar mejor cuando se compara uno 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 pueden examinarse y analizarse individualmente, dando cada uno su propia respuesta potencial en cuanto a la especiación de un organismo de evolución relativamente reciente. [12]
Los genes nucleares de baja copia en las plantas son valiosos para mejorar las reconstrucciones filogenéticas, especialmente cuando los marcadores universales como el ADN del cloroplasto , o cpDNA, y el ADN ribosómico nuclear, o nrDNA, se quedan cortos. 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 estrechas entre especies y comprender los estudios filogenéticos de plantas. Si bien el uso de genes nucleares de baja copia 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 conocimientos filogenéticos cruciales 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 evolución de las plantas. [13]
Como los genes nucleares son la base genética de todos los organismos eucariotas, cualquier cosa que pueda afectar su expresión afecta directamente las características de ese organismo a nivel celular. Las interacciones entre los genes de orgánulos endosimbióticos como las mitocondrias y los cloroplastos son sólo algunos de los muchos factores que pueden actuar sobre el genoma nuclear.