hogar / Vado/ Herencia mitocondrial. ADN mitocondrial ¿Cuántas proteínas están codificadas por los genomas mitocondriales modernos?

Herencia mitocondrial. ADN mitocondrial ¿Cuántas proteínas están codificadas por los genomas mitocondriales modernos?

¿Por qué las mitocondrias necesitan su propio ADN? Aunque, ¿por qué los simbiontes no deberían tener su propio ADN dentro de sí mismos, produciendo todo lo que necesitan en el acto? ¿Por qué entonces transferir parte del ADN mitocondrial al núcleo celular, creando la necesidad de transportar productos genéticos a la mitocondria? ¿Por qué las mitocondrias se transmiten sólo de uno de los padres? ¿Cómo coexisten las mitocondrias recibidas de la madre con el genoma de la célula, formado por el ADN de la madre y del padre? Cuanto más aprende la gente sobre las mitocondrias, más preguntas surgen.

Sin embargo, esto no se aplica sólo a las mitocondrias: en cualquier campo de cualquier ciencia, ampliar la esfera del conocimiento sólo conduce a un aumento de su superficie en contacto con lo desconocido, planteando cada vez más preguntas nuevas, cuyas respuestas ampliarán la misma. esfera con el mismo resultado predecible.

Entonces, el ADN de las mitocondrias modernas se distribuye de una manera muy extraña: una pequeña parte de los genes está contenida directamente en las mitocondrias en un cromosoma circular (más precisamente, en varias copias del mismo cromosoma en cada mitocondria), y la mayor parte de Los planos para la producción de los componentes de la mitocondria se almacenan en el núcleo celular. Por lo tanto, la copia de estos genes se produce simultáneamente con la copia del genoma de todo el organismo, y los productos producidos por ellos recorren un largo camino desde el citoplasma de la célula hasta las mitocondrias. Sin embargo, esto es conveniente en muchos sentidos: la mitocondria se libera de la necesidad de copiar todos estos genes durante la reproducción, leerlos y construir proteínas y otros componentes, centrándose en su función principal de producir energía. ¿Por qué, entonces, en las mitocondrias todavía hay poco ADN, cuyo mantenimiento requiere todos estos mecanismos, sin los cuales las mitocondrias podrían dedicar aún más recursos al objetivo principal de su existencia?

Al principio se supuso que el ADN que quedaba en las mitocondrias era un atavismo, un legado de una promitocondria absorbida por el metanógeno, que tiene un genoma bacteriano completo. Al inicio de su simbiosis, a pesar de la existencia en el núcleo de esos genes mitocondriales ( genes m), que eran necesarios para mantener un ambiente confortable para las promitocondrias dentro del metanógeno (esto se describe en detalle en Acerca de las mitocondrias), los mismos genes se almacenaron en cada una de las mitocondrias. La promitocondria, al comienzo de su vida como simbionte, tenía aproximadamente el mismo aspecto que la bacteria moderna en el diagrama a la izquierda de este párrafo.

Y muy lentamente, por falta de demanda, estos genes desaparecieron del cromosoma mitocondrial como resultado de diversas mutaciones. Pero el núcleo celular acumuló cada vez más genes m, que ingresaron al citoplasma desde los simbiontes-mitocondrias destruidos y se integraron en el genoma de la quimera eucariota. Tan pronto como se empezó a leer el gen m recién insertado, los mecanismos celulares produjeron los productos necesarios para las mitocondrias, liberando a los simbiontes de crearlos de forma independiente. Esto significa que el análogo mitocondrial del gen que había pasado al núcleo ya no se mantuvo en funcionamiento mediante selección natural y fue borrado por mutaciones de la misma manera que todos los anteriores. Por lo tanto, sería lógico suponer que pronto los genes que aún permanecen en las mitocondrias se trasladarán al núcleo, lo que supondrá grandes beneficios energéticos para los eucariotas: después de todo, es posible eliminar los engorrosos mecanismos de copia, lectura y corrección del ADN. cada mitocondria, y así todo lo necesario para crear proteínas.

Habiendo llegado a esta conclusión, los científicos calcularon cuánto tiempo tardarían todos los genes en migrar de la mitocondria al núcleo a través de la deriva natural. Y resultó que este plazo ya había pasado hace mucho tiempo. En el momento de la aparición de las células eucariotas, las mitocondrias tenían un genoma bacteriano regular de varios miles de genes (los científicos determinan cómo era este genoma estudiando los genes m transferidos al núcleo en diferentes organismos), pero ahora las mitocondrias de todos los tipos de eucariotas han perdido del 95 al 99,9% de sus genes. A nadie le quedaban más de cien genes en sus mitocondrias, pero tampoco a nadie le quedaban mitocondrias libres de genes. Si el azar desempeñara un papel clave en este proceso, entonces al menos varias especies ya habrían completado el camino de transferencia de genes al núcleo. Pero esto no sucedió, y las mitocondrias de diferentes especies estudiadas hasta ahora, que pierden sus genes independientemente unas de otras, conservaron el mismo conjunto de ellos, lo que indica directamente la necesidad de la presencia de estos genes en particular en las mitocondrias.

Además, otros orgánulos de las células productores de energía, los cloroplastos, también tienen su propio ADN, y de la misma manera, los cloroplastos de diferentes especies evolucionaron en paralelo e independientemente, quedando cada uno con el mismo conjunto de genes.

Esto significa que todos esos importantes inconvenientes de mantener el propio genoma en cada mitocondria celular (¡y en promedio una célula contiene varios cientos!) y el engorroso aparato para copiarlo, corregirlo y traducirlo (¡los principales, pero no todos! Ya ves su partes en la imagen de la izquierda) son superadas por algo.

Y actualmente existe una teoría consistente sobre este "algo": la capacidad de producir ciertas partes de las mitocondrias directamente en su interior es necesaria para regular la frecuencia de la respiración y adaptar los procesos que ocurren en las mitocondrias a las necesidades en constante cambio de la organismo completo.

Imagine que a una de los cientos de mitocondrias de una célula de repente le faltan elementos de la cadena respiratoria (para más detalles, consulte) o no tiene suficientes ATP sintasas. Resulta que está sobrecargado de comida y oxígeno y no puede procesarlos lo suficientemente rápido, o su espacio intermembrana está lleno de protones que no tienen adónde ir: un completo desastre en general. Por supuesto, todas estas desviaciones de la situación de vida ideal desencadenan múltiples señales destinadas a nivelar la lista del barco que se hunde.

Estas señales desencadenan la producción exactamente de aquellas partes de las que carecen las mitocondrias en este momento, activando la lectura de los genes mediante los cuales se construyen las proteínas. Tan pronto como la mitocondria tenga suficientes componentes de la cadena respiratoria o ATPasas, la "inclinación se nivelará", las señales de la necesidad de construir nuevas partes dejarán de llegar y los genes se desactivarán nuevamente. Este es uno de los mecanismos necesarios de autorregulación celular sorprendentemente elegantes por su simplicidad; su más mínima violación conduce a enfermedades graves o incluso a la inviabilidad del organismo.

Intentemos determinar lógicamente dónde deben ubicarse los genes necesarios para responder a esta señal de angustia. Imagine una situación en la que estos genes estén ubicados en el núcleo de una célula que contenga un par de cientos de mitocondrias. En una de las mitocondrias, por ejemplo, surgió una deficiencia NADH deshidrogenasas: la primera enzima de la cadena respiratoria, cuya función es eliminar dos electrones de la molécula de NADH, transferirlos a la siguiente enzima y bombear de 2 a 4 protones a través de la membrana.

De hecho, tales deficiencias de cualquier enzima ocurren con bastante frecuencia, porque fallan periódicamente, la cantidad de alimento consumido cambia constantemente y la necesidad de ATP de la célula también aumenta después de los saltos o revolcarse del organismo que contiene esta célula. Por tanto, la situación es muy típica. Y así la mitocondria emite una señal: “¡es necesario construir más NADH deshidrogenasa!”, que va más allá de sus límites, pasa a través del citoplasma hasta el núcleo, penetra en el núcleo y provoca la lectura de los genes necesarios. Según los estándares celulares, el tiempo de tránsito de esta señal es muy significativo, pero también es necesario extraer el ARN mensajero construido desde el núcleo al citoplasma, crear proteínas con él y enviarlas a la mitocondria...

Y aquí surge un problema que es mucho más importante que perder tiempo extra: al crear proteínas mitocondriales especializadas, se marcan con una señal de "entregar a la mitocondria", pero ¿cuál? Desconocido. Por lo tanto, cada una de un par de cientos de mitocondrias comienza a recibir proteínas que no necesitan. La célula gasta recursos en su producción y entrega, las mitocondrias están llenas de un exceso de cadenas respiratorias (lo que conduce a procesos respiratorios ineficaces) y la única mitocondria que necesita estas proteínas no las recibe en cantidades suficientes, porque en el mejor de los casos obtiene una centésima parte. de lo que se produce. Entonces ella sigue enviando señales de socorro y el caos continúa. Incluso a partir de esta descripción lírica y superficial de lo que está sucediendo, queda claro que una célula así no es viable. Y que hay genes que deben ser leídos y traducidos directamente a las mitocondrias para regular los procesos que ocurren en ellas, y no depender del plan de producción de clavos lanzado por el núcleo del partido... es decir, proteínas de la cadena respiratoria para todas las mitocondrias a la vez.

Después de comprobar qué se produce exactamente en las mitocondrias de diferentes organismos que permanecieron en las mitocondrias (y por lo tanto trasladaron los genes m al núcleo de forma independiente unos de otros), descubrimos que estos eran precisamente los elementos para la construcción de las cadenas respiratorias y la ATPasa, como así como ribosomas (es decir, la parte principal aparato de difusión).

Puede leer más sobre esto (y más) de Lane en "Energía, sexo, suicidio: las mitocondrias y el sentido de la vida". Bueno, simplemente puedes comparar el diagrama del ADN mitocondrial, donde se descifran los productos codificados (a la derecha de este párrafo), con el diagrama de la cadena respiratoria (arriba), para que quede claro qué se produce exactamente en las mitocondrias. . Por supuesto, no todas las proteínas insertadas en esta cadena se producen localmente; algunas de ellas se construyen en el citoplasma de la célula. Pero las principales “anclas” a las que se aferran otras partes se crean dentro de las mitocondrias. Esto le permite producir exactamente tantas enzimas como necesite y exactamente donde se necesitan.

Cómo se relacionan las mitocondrias con el sexo y cómo coexisten diferentes genomas en una célula, lo escribiré en uno de los próximos capítulos de esta línea.

Genoma humano [Enciclopedia escrita en cuatro letras] Tarántula Vyacheslav Zalmanovich

CROMOSOMA 25 - ADENDA IMPORTANTE (genoma mitocondrial)

Bobina pequeña pero preciosa.

proverbio ruso

Cuando ahora la gente anuncia en voz alta la secuenciación completa del genoma humano, normalmente se refieren al genoma nuclear. En este contexto, de alguna manera se olvida que las células contienen moléculas de ADN ubicadas no sólo en los cromosomas, sino también en las estructuras intracelulares específicas ya mencionadas, como las mitocondrias. Y este también es el genoma humano, pero se llama mitocondrial y el ADN se llama mitocondrial (abreviado mitDNA). MitDNA ahora a veces se llama cromosoma 25 o cromosoma M. Este ADN fue secuenciado en 1981 por el ya mencionado F. Sanger, lo que también causó sensación en su momento, pero que tenía una resonancia incomparablemente menor que la secuenciación del genoma nuclear. ¿Cuál es este cromosoma humano número 25?

En una célula humana hay de 100 a 1000 mitocondrias, cada una de las cuales contiene de 2 a 10 moléculas de mitDNA circular con una longitud de 16569 pb. Así, el tamaño del genoma mitocondrial es aproximadamente 200.000 veces más pequeño que el del genoma nuclear. Curiosamente, el tamaño del mitDNA en humanos es uno de los más pequeños entre los organismos superiores (eucariotas). Por ejemplo, en la levadura, el mitDNA consta de 78.520 pb. El mitDNA humano contiene 37 genes que codifican 13 cadenas de proteínas, 22 ARNt y 2 ARN ribosómicos (ARNr) (Fig. 30). Las cadenas de proteínas son parte de proteínas que participan principalmente en un proceso intracelular crítico llamado fosforilación oxidativa, que proporciona energía a la célula. Debido a la fosforilación oxidativa en las mitocondrias, se produce más del 90% de las moléculas especiales de ATP, que son la base de la energía celular.

Arroz. treinta. Estructura del genoma mitocondrial humano (ADNmit). El mitDNA contiene 22 genes que codifican ARNt, 2 genes ribosómicos ( 16S Y 12S ARNr) y 13 genes codificadores de proteínas. Las flechas indican la dirección de la transcripción genética. Abreviaturas: ND1-ND6, ND4L- genes de subunidades del complejo NAD-H-deshidrogenasa; COI-COIII- genes para las subunidades de la citocromo c oxidasa; ATP6, ATP8- genes para las subunidades de la ATP sintetasa; cito b- gen del citocromo b

En total, 87 genes están involucrados en el proceso de fosforilación oxidativa, pero los 74 que faltan no están codificados por el genoma mitocondrial, sino nuclear. Curiosamente, en el genoma nuclear se encuentran regiones similares al mitDNA. Se supone que en el proceso de evolución y en diversas patologías se produjo la migración de parte del mitDNA al genoma nuclear.

Es importante que la estructura del genoma mitocondrial difiera significativamente del nuclear. En primer lugar, el mitDNA se caracteriza por una disposición muy compacta de genes, como en el genoma bacteriano. A diferencia del genoma nuclear, los genes mitocondriales son adyacentes entre sí y prácticamente no existen espacios intergénicos entre ellos. En algunos casos, incluso se superponen en un nucleótido: el último nucleótido de un gen es el primero del siguiente. Es decir, los genes están empaquetados en el ADN mitocondrial, como arenque en un barril. Además, la mayoría de los genes mitocondriales no contienen estructuras como los intrones que son característicos de los genes nucleares. Pero esas no son todas las diferencias. En particular, resultó que el mitDNA no está sujeto a modificaciones como la metilación, que es característica del ADN nuclear.

Sin embargo, los investigadores quedaron especialmente sorprendidos por el código genético utilizado en el mitDNA. Aunque el código genético es universal (con muy pocas excepciones) en todo el mundo vivo, las mitocondrias utilizan una versión inusual del mismo. La mayoría de los codones de los genes mitocondriales son similares a los que se encuentran en el ADN nuclear, pero junto con esto también existen diferencias fundamentales. Cuatro codones del ADNmit humano han cambiado de significado. Los codones de terminación fueron AGA y AGG. El codón UGA, que es un codón de terminación en el ADN nuclear, no sólo no detiene la traducción en el ADNmit, sino que codifica el aminoácido triptófano. El aminoácido metionina no está codificado por un codón AUG, sino también por el codón AUA, que en el genoma nuclear codifica el aminoácido isoleucina.

MitDNA es responsable de la síntesis de unas pocas proteínas mitocondriales en la célula. Pero estas proteínas son muy importantes para la célula, ya que participan en uno de los procesos más importantes: proporcionar energía a la célula. Por tanto, mitDNA es una adición muy valiosa a la Enciclopedia del Hombre. Las proteínas codificadas directamente por genes mitDNA se sintetizan inmediatamente en las mitocondrias. Para ello utiliza su propia ARN polimerasa y su propio aparato de síntesis de proteínas. La razón es clara: el código genético de las mitocondrias es especial y se necesita un sistema de biosíntesis especial.

No todas las proteínas necesarias para la existencia autónoma de las mitocondrias están codificadas por el genoma mitocondrial y sintetizadas aquí. Su genoma es demasiado pequeño para ello. La mayoría de las proteínas mitocondriales y las subunidades individuales de estas proteínas están codificadas por el genoma principal, es decir, nuclear, y se sintetizan en el citoplasma de las células. Luego son transportados a las mitocondrias, donde interactúan con proteínas específicas codificadas por mitDNA. Así, existe una estrecha relación entre los genomas nuclear y mitocondrial;

¿Por qué sucedió en la evolución de la célula que una parte muy pequeña del ADN no está contenida en los cromosomas del núcleo, sino separadamente dentro de las mitocondrias? Aún no se sabe cuál es la necesidad o ventaja de esta distribución de material genético. Se han inventado muchas hipótesis para explicar este hecho sorprendente. Uno de los primeros fue expresado por R. Altman allá por 1890. Sin embargo, sigue siendo relevante hoy. Según este punto de vista, las mitocondrias aparecieron en las células de los organismos superiores no durante el desarrollo y la diferenciación intracelular, sino como resultado de la simbiosis natural de los organismos superiores con los organismos aeróbicos inferiores. Esta explicación sugiere que el código genético mitocondrial es más antiguo que el código utilizado en el ADN nuclear de los organismos modernos.

Pero al mismo tiempo se expresó otro punto de vista, que hasta ahora tiene igualmente derecho a existir. Según este último, después de la transición de la mayoría de los genes del ADNmit al ADN nuclear, se produjeron algunas mutaciones en el aparato que garantiza la síntesis de proteínas en las mitocondrias. Para que el proceso de traducción no se interrumpiera, se requirieron mutaciones especiales en los genes mitDNA, que "compensarían" las violaciones y permitirían que el aparato de síntesis de proteínas alterado llevara a cabo su trabajo. Partiendo de esta suposición, el código mitocondrial no debería considerarse más antiguo, sino, por el contrario, más joven.

En cualquier caso, el lenguaje mitDNA es, en cierto sentido, “jerga”. ¿Por qué las mitocondrias lo necesitan? Se puede establecer aquí un paralelo con la jerga de determinados grupos sociales o profesionales. Usan jerga para ocultar sus intenciones y acciones a los extraños y evitar la interferencia de otras personas en sus asuntos. Es posible que el mitDNA, gracias al uso de un código modificado (jerga), se aísle del aparato de síntesis de proteínas de la célula y se especialice en realizar una función, pero muy importante, para la célula: la producción de energía.

Se ha observado que el genoma mitocondrial es más vulnerable que el genoma nuclear. Como resultado, a menudo ocurren varios tipos de mutaciones (mutaciones puntuales, pequeñas pérdidas de ADN - eliminaciones y, por el contrario, inserciones - inserciones). Actualmente se han identificado numerosas enfermedades humanas asociadas con cambios en el ADNmit. Las mutaciones patológicas se encuentran en casi todos los genes mitocondriales. Al mismo tiempo, se observa una gran variedad de signos clínicos provocados por el mismo daño molecular. Se ha encontrado una relación entre algunas mutaciones y cambios en la expresión de genes de miADN y la aparición de cáncer. En particular, en el cáncer de mama y los linfomas se ha observado repetidamente un aumento de la transcripción del gen que codifica una de las cadenas del complejo proteico implicado en el suministro de energía a las células (subunidad II de la citocromo c oxidasa). Algunas enfermedades humanas hereditarias graves, afortunadamente raras y graves, también son causadas por mutaciones en genes individuales de miADN. En Rusia existe actualmente un programa especial para el diagnóstico y prevención de enfermedades mitocondriales.

Otro hecho sorprendente sobre el mitDNA tiene que ver con su herencia. Resultó que el mitDNA se transmite de generación en generación de una manera fundamentalmente diferente al ADN cromosómico. El cuerpo humano se desarrolla a partir de un óvulo fertilizado, que contiene los cromosomas de ambos padres. Durante la fertilización, un espermatozoide ingresa al óvulo con un conjunto de cromosomas paternos, pero prácticamente sin mitocondrias paternas y, por lo tanto, sin ningún ADNmit paterno. Sólo el óvulo proporciona su ADNmit al embrión. Esto lleva a una consecuencia importante: el mitDNA se transmite únicamente a través de la línea femenina. Todos recibimos mitDNA solo de nuestra madre, y ella incluso antes de la suya, y así sucesivamente en la serie de generaciones exclusivamente femeninas. Los hijos, a diferencia de las hijas, no transmiten su ADNmit: la cadena se romperá. De esta manera, el ADN se forma en clones: líneas hereditarias que solo pueden ramificarse (si una mujer tiene varias hijas), pero a diferencia del ADN cromosómico, no pueden unirse en un organismo y crear nuevas combinaciones genéticas. Por esta razón, fue interesante comparar el ADNmit en representantes de diferentes poblaciones étnicas humanas, es decir, razas y nacionalidades. Este tipo de comparación comenzó a finales de los años 80 del siglo pasado y continúa hasta el día de hoy. Hablaremos más sobre esto más adelante.

Por tanto, los procesos celulares básicos como la transcripción, la traducción, la replicación y la reparación del miADN dependen en gran medida del genoma nuclear, pero aún no está del todo claro cómo se integran estos dos genomas entre sí. El estudio de los mecanismos de interacción intergenómica puede resultar útil en muchos aspectos, en particular para comprender el panorama integral de diversas patologías humanas, incluida la degeneración de células malignas.

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¿Qué es el ADN mitocondrial?

El ADN mitocondrial (ADNmt) es ADN ubicado en las mitocondrias, orgánulos celulares dentro de las células eucariotas que convierten la energía química de los alimentos en una forma que las células pueden usar: trifosfato de adenosina (ATP). El ADN mitocondrial representa sólo una pequeña parte del ADN de una célula eucariota; La mayor parte del ADN se puede encontrar en el núcleo celular, en plantas y algas, y en plastidios como los cloroplastos.

En los seres humanos, los 16.569 pares de bases del ADN mitocondrial codifican sólo 37 genes. El ADN mitocondrial humano fue la primera porción significativa del genoma humano en ser secuenciada. En la mayoría de las especies, incluidos los humanos, el ADNmt se hereda únicamente de la madre.

Debido a que el ADNmt animal evoluciona más rápido que los marcadores genéticos nucleares, representa la base de la filogenética y la biología evolutiva. Este se ha convertido en un punto importante en antropología y biogeografía, ya que permite estudiar las interrelaciones de las poblaciones.

Hipótesis sobre el origen de las mitocondrias.

Se cree que el ADN nuclear y el mitocondrial tienen orígenes evolutivos diferentes, y el ADNmt deriva de los genomas circulares de bacterias que fueron absorbidos por los primeros ancestros de las células eucariotas modernas. Esta teoría se llama teoría endosimbiótica. Se estima que cada mitocondria contiene copias de 2 a 10 ADNmt. En las células de los organismos vivos, la gran mayoría de las proteínas presentes en las mitocondrias (que en los mamíferos suman alrededor de 1.500 tipos diferentes) están codificadas por el ADN nuclear, pero se cree que los genes de algunas, si no la mayoría, de ellas son originalmente bacterianos y desde entonces han sido transferidos al núcleo eucariota durante la evolución.

Se discuten las razones por las que las mitocondrias retienen ciertos genes. La existencia de orgánulos sin genoma en algunas especies de origen mitocondrial sugiere que es posible la pérdida completa de genes, y la transferencia de genes mitocondriales al núcleo tiene una serie de ventajas. La dificultad de orientar los productos proteicos hidrófobos producidos de forma remota en las mitocondrias es una hipótesis de por qué algunos genes se retienen en el ADNmt. La colocalización para la regulación redox es otra teoría, que cita la conveniencia de un control localizado de la maquinaria mitocondrial. Un análisis reciente de una amplia gama de genomas mitocondriales sugiere que ambas funciones pueden dictar la retención de genes mitocondriales.

Examen genético del ADNmt.

En la mayoría de los organismos multicelulares, el ADNmt se hereda de la madre (linaje materno). Los mecanismos para esto incluyen la simple dilución (un óvulo contiene un promedio de 200.000 moléculas de ADNmt, mientras que el espermatozoide humano sano contiene un promedio de 5 moléculas), la degradación del ADNmt del esperma en el tracto reproductivo masculino, en el óvulo fertilizado y, en al menos un pocos organismos, fallo El ADNmt del espermatozoide penetra en el óvulo. Cualquiera que sea el mecanismo, se trata de herencia unipolar: herencia del ADNmt, que se produce en la mayoría de los animales, plantas y hongos.

herencia materna

En la reproducción sexual, las mitocondrias suelen heredarse exclusivamente de la madre; Las mitocondrias del esperma de los mamíferos suelen ser destruidas por el óvulo después de la fertilización. Además, la mayoría de las mitocondrias están presentes en la base de la cola del espermatozoide, que se utiliza para el movimiento de los espermatozoides; a veces la cola se pierde durante la fertilización. En 1999, se informó que las mitocondrias del esperma paterno (que contienen ADNmt) están marcadas por ubiquitina para su posterior destrucción dentro del embrión. Algunos métodos de fertilización in vitro, en particular la inyección de esperma en el ovocito, pueden interferir con esto.

El hecho de que el ADN mitocondrial se herede a través de la línea materna permite a los investigadores genealógicos rastrear la línea materna mucho tiempo atrás. (El ADN del cromosoma Y se hereda por vía paterna y se usa de manera similar para determinar la historia patrilineal). Esto generalmente se hace en el ADN mitocondrial de una persona secuenciando la región de control hipervariable (HVR1 o HVR2) y, a veces, toda la molécula de ADN mitocondrial como una Prueba de genealogía de ADN. Por ejemplo, HVR1 consta de aproximadamente 440 pares de bases. Luego, estos 440 pares se comparan con áreas de control de otros individuos (o individuos o sujetos específicos en la base de datos) para determinar el linaje materno. La comparación más común es con la Secuencia de Referencia Revisada de Cambridge. Vilà et al. Estudios publicados sobre la similitud matrilineal de perros domésticos y lobos. El concepto de Eva mitocondrial se basa en el mismo tipo de análisis, intenta descubrir los orígenes de la humanidad, rastrea el origen en el tiempo.

El ADNmt está altamente conservado y sus tasas de mutación relativamente lentas (en comparación con otras regiones del ADN, como los microsatélites) lo hacen útil para estudiar las relaciones evolutivas: la filogenia de los organismos. Los biólogos pueden determinar y luego comparar secuencias de ADNmt entre especies y utilizar las comparaciones para construir un árbol evolutivo para las especies estudiadas. Sin embargo, debido a las lentas tasas de mutación que experimenta, a menudo es difícil distinguir especies estrechamente relacionadas, por lo que se deben utilizar otros métodos de análisis.

Mutaciones del ADN mitocondrial

Se puede esperar que los individuos que sufren herencia unidireccional y poca o ninguna recombinación sufran el trinquete mülleriano, la acumulación de mutaciones perjudiciales hasta que se pierde la funcionalidad. Las poblaciones mitocondriales animales evitan esta acumulación debido a un proceso de desarrollo conocido como cuello de botella del ADNmt. El cuello de botella utiliza procesos estocásticos en la célula para aumentar la variabilidad de la carga mutante entre células a medida que se desarrolla el organismo, de modo que un óvulo con cierta proporción de ADNmt mutante crea un embrión en el que diferentes células tienen diferentes cargas mutantes. Luego se puede apuntar al nivel celular para eliminar estas células con más ADNmt mutante, lo que da como resultado la estabilización o reducción de la carga mutante entre generaciones. El mecanismo subyacente al cuello de botella se analiza con metástasis matemáticas y experimentales recientes y proporciona evidencia de una combinación de partición aleatoria del ADNmt en divisiones celulares y recambio aleatorio de moléculas de ADNmt dentro de la célula.

herencia paterna

En los bivalvos se observa doble herencia unidireccional del ADNmt. En estas 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. También se han informado mitocondrias heredadas de la madre en algunos insectos como moscas de la fruta, abejas y cigarras periódicas.

La herencia mitocondrial masculina se descubrió recientemente en pollos de Plymouth Rock. La evidencia respalda casos raros de herencia mitocondrial masculina en algunos mamíferos. En particular, existen casos documentados de ratones en los que posteriormente se rechazaron las mitocondrias derivadas de machos. Además, se ha encontrado en ovejas y también en bovinos clonados. Una vez encontrado en el cuerpo de un hombre.

Aunque muchos de estos casos implican la clonación de embriones o el posterior rechazo de las mitocondrias paternas, otros documentan la herencia y la persistencia in vivo in vitro.

Donación mitocondrial

La FIV, conocida como donación mitocondrial o terapia de reemplazo mitocondrial (MRT), da como resultado una descendencia que contiene ADNmt de donantes femeninas y ADN nuclear de la madre y el padre. En el procedimiento de transferencia del huso, se introduce el núcleo de un óvulo en el citoplasma de un óvulo de una donante a la que se le ha extraído el núcleo pero que aún contiene el ADNmt de la donante. Luego, el óvulo compuesto es fertilizado por el espermatozoide del hombre. Este procedimiento se utiliza cuando una mujer con mitocondrias genéticamente defectuosas quiere tener descendencia con mitocondrias sanas. El primer niño conocido que nació como resultado de una donación mitocondrial fue un niño nacido de una pareja jordana en México el 6 de abril de 2016.

Estructura del ADN mitocondrial

En la mayoría de los organismos multicelulares, el ADNmt, o mitogenoma, está organizado como ADN bicatenario redondo, cerrado circularmente. Pero en muchos organismos unicelulares (por ejemplo, tetrahymena o el alga verde Chlamydomonas reinhardtii) y en casos raros en organismos multicelulares (por ejemplo, algunas especies de cnidarios), el ADNmt se encuentra como ADN organizado linealmente. La mayoría de estos ADNmt lineales poseen telómeros independientes de la telomerasa (es decir, los extremos del ADNmt lineal) con diferentes modos de replicación, lo que los ha convertido en temas de estudio interesantes, ya que muchos de estos organismos unicelulares con ADNmt lineal son patógenos conocidos.

Para el ADN mitocondrial humano (y probablemente para los metazoos), normalmente están presentes entre 100 y 10 000 copias individuales de ADNmt en una célula somática (los óvulos y los espermatozoides son excepciones). En los mamíferos, cada molécula de ADNmt circular de doble cadena consta de 15.000 a 17.000 pares de bases. Las dos cadenas de ADNmt difieren en su contenido de nucleótidos, la cadena rica en guanida se llama cadena pesada (o cadena H) y la cadena rica en cinosina se llama cadena ligera (o cadena L). La cadena pesada codifica 28 genes y la cadena ligera codifica 9 genes, para un total de 37 genes. De los 37 genes, 13 son para proteínas (polipéptidos), 22 son para la transferencia de ARN (ARNt) y dos son para subunidades pequeñas y grandes de ARN ribosómico (ARNr). El mitogenoma humano contiene genes superpuestos (ATP8 y ATP6, y ND4L y ND4: consulte el mapa de mitocondrias del genoma humano), lo cual es poco común en los genomas animales. El patrón de 37 genes también se encuentra entre la mayoría de los metazoos, aunque, en algunos casos, falta uno o más de estos genes y la variedad de tamaños de ADNmt es mayor. Existe una variación aún mayor en el contenido y tamaño de los genes del ADNmt entre hongos y plantas, aunque parece haber un subconjunto central de genes que está presente en todos los eucariotas (excepto en los pocos que no tienen mitocondrias). Algunas especies de plantas tienen un ADNmt enorme (hasta 2.500.000 pares de bases por molécula de ADNmt), pero, sorprendentemente, incluso estos enormes ADNmt contienen el mismo número y tipos de genes que plantas relacionadas con un ADNmt mucho más pequeño.

El genoma mitocondrial del pepino (Cucumis Sativus) consta de tres cromosomas circulares (longitud 1556, 84 y 45 kb), que son total o mayoritariamente autónomos con respecto a su replicación.

En los genomas mitocondriales se encuentran seis tipos principales de genomas. Estos tipos de genomas fueron clasificados por "Kolesnikov y Gerasimov (2012)" y difieren de varias maneras, como genoma circular versus lineal, tamaño del genoma, presencia de intrones o estructuras similares a plásmidos y si el material genético es una molécula distinta. Conjunto de moléculas homogéneas o heterogéneas.

Decodificando el genoma animal

En las células animales sólo existe un tipo de genoma mitocondrial. Este genoma contiene una molécula circular de entre 11 y 28 kpb de material genético (tipo 1).

Decodificando el genoma de la planta.

Hay tres tipos diferentes de genoma que se encuentran en plantas y hongos. El primer tipo es un genoma circular que tiene intrones (tipo 2) que varían de 19 a 1000 kpb de longitud. El segundo tipo de genoma es un genoma circular (alrededor de 20-1000 kbp), que también tiene una estructura plasmídica (1 kb) (tipo 3). El último tipo de genoma que se puede encontrar en plantas y hongos es el genoma lineal, que consta de moléculas de ADN homogéneas (tipo 5).

Decodificando el genoma protista

Los protistas contienen una amplia variedad de genomas mitocondriales, que incluyen cinco tipos diferentes. Los tipos 2, 3 y 5, mencionados en los genomas de plantas y hongos, también existen en algunos protozoos, así como en dos tipos de genomas únicos. El primero de ellos es una colección heterogénea de moléculas circulares de ADN (tipo 4), y el tipo de genoma final que se encuentra en los protistas es una colección heterogénea de moléculas lineales (tipo 6). Los tipos de genoma 4 y 6 varían de 1 a 200 kb.

La transferencia endosimbiótica de genes, el proceso por el cual los genes codificados en el genoma mitocondrial son transportados principalmente por el genoma de la célula, probablemente explica por qué los organismos más complejos, como los humanos, tienen genomas mitocondriales más pequeños que los organismos más simples, como los protozoos.

Replicación del ADN mitocondrial

El ADN mitocondrial se replica mediante el complejo ADN polimerasa gamma, que consta de una ADN polimerasa catalítica de 140 kDa codificada por el gen POLG y dos subunidades accesorias de 55 kDa codificadas por el gen POLG2. El aparato de replicación está formado por la ADN polimerasa, TWINKLE y las proteínas SSB mitocondriales. TWINKLE es una helicasa que desenrolla tramos cortos de ADNbc en la dirección de 5" a 3".

Durante la embriogénesis, la replicación del ADNmt está estrechamente regulada desde el ovocito fertilizado hasta el embrión previo a la implantación. Al reducir eficazmente el número de células en cada célula, el ADNmt desempeña un papel en el cuello de botella mitocondrial, que aprovecha la variabilidad entre células para mejorar la herencia de mutaciones dañinas. En la etapa de blastocitos, el inicio de la replicación del ADNmt es específico de las células trofocodificadoras. Por el contrario, las células de la masa celular interna restringen la replicación del ADNmt hasta que reciben señales para diferenciarse en tipos de células específicos.

Transcripción del ADN mitocondrial

En las mitocondrias animales, cada hebra de ADN se transcribe continuamente y produce una molécula de ARN policistrónico. Hay ARNt presentes entre la mayoría (pero no todas) las regiones codificantes de proteínas (consulte Mapa del genoma de las mitocondrias humanas). Durante la transcripción, el ARNt adquiere una forma L característica, que es reconocida y escindida por enzimas específicas. Cuando se procesa el ARN mitocondrial, se liberan fragmentos individuales de ARNm, ARNr y ARNt del transcrito primario. Por tanto, los ARNt plegados actúan como puntuaciones menores.

Enfermedades mitocondriales

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. El ADNmt no acumula más bases oxidativas que el ADN nuclear. Se ha informado que al menos algunos tipos de daño oxidativo del ADN se reparan más eficientemente en las mitocondrias que en el núcleo. El ADNmt está repleto de proteínas que parecen ser tan protectoras como las proteínas de la cromatina nuclear. Además, las mitocondrias han desarrollado un mecanismo único que mantiene la integridad del ADNmt mediante la degradación de genomas excesivamente dañados seguido de la replicación del ADNmt intacto/reparado. Este mecanismo está ausente en el núcleo y es activado por varias copias de ADNmt presentes en las mitocondrias. El resultado de una mutación en el ADNmt puede ser un cambio en las instrucciones de codificación de ciertas proteínas, lo que puede afectar el metabolismo y/o la aptitud del organismo.

Las mutaciones del ADN mitocondrial pueden provocar una serie de enfermedades, incluida la intolerancia al ejercicio y el síndrome de Kearns-Sayre (KSS), que hace que una persona pierda la función completa de los movimientos cardíacos, oculares y musculares. Alguna evidencia sugiere que pueden contribuir significativamente al proceso de envejecimiento y a las patologías relacionadas con la edad. Específicamente, en el contexto de una enfermedad, la proporción de moléculas de ADNmt mutantes en una célula se denomina heteroplasma. Las distribuciones del heteroplasma dentro y entre las células dictan el inicio y la gravedad de la enfermedad y están influenciadas por procesos estocásticos complejos dentro de la célula y durante el desarrollo.

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

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

Recientemente, se han utilizado mutaciones en el ADNmt para ayudar a diagnosticar el cáncer de próstata en pacientes con biopsia negativa.

Mecanismo de envejecimiento

Aunque la idea es controvertida, algunas pruebas sugieren un vínculo entre el envejecimiento y la disfunción mitocondrial en el genoma. Esencialmente, las mutaciones en el ADNmt alteran el cuidadoso equilibrio entre la producción reactiva de oxígeno (ROS) y la producción enzimática de ROS (mediante 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. Además, las ratas polilla desnudas, roedores del tamaño de ratones, viven aproximadamente ocho veces más que los ratones, a pesar de tener defensas antioxidantes disminuidas y un mayor daño oxidativo a las biomoléculas en comparación con los ratones.

En un momento se creyó que había un circuito de retroalimentación virtuoso en funcionamiento ("Círculo vicioso"); A medida que el ADN mitocondrial acumula daño genético causado por los radicales libres, las mitocondrias pierden función y liberan radicales libres en el citosol. La función mitocondrial disminuida reduce la eficiencia metabólica general. Sin embargo, este concepto fue finalmente refutado cuando se demostró que los ratones modificados genéticamente para acumular mutaciones en el ADNmt a un ritmo mayor envejecen prematuramente, pero sus tejidos no producen más ROS, como predice la hipótesis del "círculo vicioso". Respaldando el 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. Se están realizando extensas investigaciones para explorar más a fondo esta conexión y los tratamientos antienvejecimiento. Actualmente, la terapia génica y los suplementos nutracéuticos son áreas populares de investigación en curso. Bjelakovic et al. analizó los resultados de 78 estudios entre 1977 y 2012, con un total de 296.707 participantes, y concluyó que los suplementos antioxidantes no redujeron la mortalidad por cualquier causa ni prolongaron la esperanza de vida, mientras que algunos de ellos, como el betacaroteno, la vitamina E y superiores dosis de vitamina A, en realidad pueden aumentar la mortalidad.

Los puntos de interrupción de eliminación a menudo ocurren dentro o adyacentes a regiones que exhiben conformaciones no canónicas (no B), a saber, elementos en forma de horquilla, cruz y trébol. Además, existe evidencia de que las regiones curvilíneas de distorsión helicoidal y las tétradas G largas participan en la detección de eventos de inestabilidad. Además, se observaron consistentemente puntos de mayor densidad en regiones con sesgo de GC y muy cerca del fragmento de secuencia degenerada YMMYMNNMMHM.

¿En qué se diferencia el ADN mitocondrial del ADN nuclear?

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

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 para identificar y cuantificar filogenias (relaciones evolutivas) entre diferentes especies. Para ello, los biólogos determinan y luego comparan la secuencia de ADNmt de diferentes individuos o especies. Los datos de las comparaciones se utilizan para construir una red de relaciones entre secuencias que proporciona una estimación de las relaciones entre los individuos o especies de las que se tomó el ADNmt. El ADNmt se puede utilizar para evaluar las relaciones entre especies distantes y estrechamente relacionadas. Debido a la alta frecuencia de mutaciones del ADNmt en animales, los codones de tercera posición cambian relativamente rápido y, por tanto, proporcionan información sobre las distancias genéticas entre individuos o especies estrechamente relacionados. Por otro lado, 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 primer y segundo codón) y, por tanto, proporcionan información sobre las distancias genéticas de los parientes lejanos. Por lo tanto, los modelos estadísticos que consideran las tasas de sustitución entre las posiciones de los codones por separado pueden usarse para estimar simultáneamente filogenias que contienen especies distantes y estrechamente relacionadas.

Historia del descubrimiento del ADNmt.

El ADN mitocondrial fue descubierto en la década de 1960 por Margit M. K. Nas y Silvan Nas utilizando microscopía electrónica como hebras sensibles a la ADNasa dentro de las mitocondrias, y por Ellen Hasbrunner, Hans Tappi y Gottfried Schatz a partir de análisis bioquímicos de fracciones mitocondriales altamente purificadas.

El ADN mitocondrial se reconoció por primera vez en 1996 durante Tennessee v. Paul Ware. En 1998, en el caso judicial Commonwealth of Pennsylvania contra Patricia Lynn Rorrer, el ADN mitocondrial fue admitido como prueba por primera vez en el estado de Pennsylvania. El caso apareció en el episodio 55 de la temporada 5 de la serie True Drama Forensic Court Case (temporada 5).

El ADN mitocondrial se reconoció por primera vez en California durante el exitoso procesamiento de David Westerfield por el secuestro y asesinato en 2002 de Danielle van Dam, de 7 años, en San Diego, y se ha utilizado para identificar tanto a humanos como a perros. Esta fue la primera prueba en los EE. UU. para resolver el ADN canino.

bases de datos de ADNmt

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

MitoSatPlant: base de datos de microsatélites de viridiplantas mitocondriales.

MitoBreak: base de datos de puntos de interrupción del ADN mitocondrial.

MitoFish y MitoAnnotator: base de datos del genoma mitocondrial de peces. Véase también Cawthorn et al.

MitoZoa 2.0: base de datos para análisis comparativo y evolutivo de genomas mitocondriales (ya no está disponible)

InterMitoBase: una base de datos anotada y una plataforma de análisis de interacción proteína-proteína para mitocondrias humanas (actualizada por última vez en 2010, pero aún no disponible)

Mitome: base de datos para la genómica mitocondrial comparada en metazoos (ya no está disponible)

MitoRes: un recurso para genes mitocondriales codificados nuclearmente y sus productos en metazoos (ya no se actualiza)

Existen varias bases de datos especializadas que informan sobre polimorfismos y mutaciones en el ADN mitocondrial humano junto con evaluaciones de su patogenicidad.

MITOMAP: un compendio de polimorfismos y mutaciones en el ADN mitocondrial humano.

MitImpact: Colección de predicciones de patogenicidad previstas para todos los cambios de nucleótidos que causan sustituciones no sinónimas en genes codificadores de proteínas mitocondriales humanas.

05.05.2015 13.10.2015

Toda la información sobre la estructura del cuerpo humano y su predisposición a las enfermedades está cifrada en forma de moléculas de ADN. La información principal se encuentra en los núcleos celulares. Sin embargo, el 5% del ADN se localiza en las mitocondrias.

¿Cómo se llaman las mitocondrias?

Las mitocondrias son orgánulos celulares de los eucariotas que son necesarios para convertir la energía contenida en los nutrientes en compuestos que puedan ser absorbidos por las células. Por eso a menudo se les llama “estaciones de energía”, porque sin ellas la existencia del cuerpo es imposible.
Estos orgánulos adquirieron su propia información genética debido a que anteriormente eran bacterias. Después de ingresar a las células del organismo huésped, no pudieron retener su genoma, mientras transfirieron parte de su propio genoma al núcleo celular del organismo huésped. Por lo tanto, ahora su ADN (ADNmt) contiene sólo una parte, concretamente 37 genes, de la cantidad original. Básicamente, cifran el mecanismo de transformación de la glucosa en compuestos: dióxido de carbono y agua con la producción de energía (ATP y NADP), sin los cuales la existencia del organismo huésped es imposible.

¿Qué tiene de especial el ADNmt?

La principal propiedad inherente al ADN mitocondrial es que sólo puede heredarse a través de la línea materna. En este caso, todos los niños (hombres o mujeres) pueden recibir mitocondrias del óvulo. Esto sucede debido al hecho de que los óvulos femeninos contienen una mayor cantidad de estos orgánulos (hasta 1000 veces) que los espermatozoides masculinos. Como resultado, el organismo hijo los recibe únicamente de su madre. Por tanto, su herencia de la célula paterna es completamente imposible.
Se sabe que los genes mitocondriales nos fueron transmitidos desde un pasado lejano, de nuestra madre, la "Eva mitocondrial", que es el ancestro común de todas las personas del planeta por el lado materno. Por lo tanto, estas moléculas se consideran el objeto más ideal para que los exámenes genéticos establezcan el parentesco materno.

¿Cómo se determina el parentesco?

Los genes mitocondriales tienen muchas mutaciones puntuales, lo que los hace muy variables. Esto nos permite establecer parentesco. Durante el examen genético, utilizando analizadores genéticos especiales: secuenciadores, se determinan los cambios de nucleótidos puntuales individuales en el genotipo, su similitud o diferencia. En personas que no están emparentadas por parte de madre, los genomas mitocondriales difieren significativamente.
Determinar el parentesco es posible gracias a las sorprendentes características del genotipo mitocondrial:
no están sujetos a recombinación, por lo que las moléculas cambian sólo mediante el proceso de mutación, que puede ocurrir a lo largo de un milenio;
posibilidad de aislamiento de cualquier material biológico;
en caso de falta de biomaterial o degradación del genoma nuclear, el ADNmt puede convertirse en la única fuente de análisis debido a la gran cantidad de copias del mismo;
Debido a la gran cantidad de mutaciones en comparación con los genes nucleares de las células, se logra una alta precisión al analizar el material genético.

¿Qué se puede determinar mediante pruebas genéticas?

Las pruebas genéticas de ADNmt ayudarán a diagnosticar los siguientes casos.
1. Establecer parentesco entre personas por línea materna: entre un abuelo (o abuela) y un nieto, un hermano y una hermana, un tío (o tía) y un sobrino.
2. Al analizar una pequeña cantidad de biomaterial. Después de todo, cada célula contiene ADNmt en cantidades significativas (100 - 10.000), mientras que el ADN nuclear contiene sólo 2 copias por cada uno de los 23 cromosomas presentes.
3. Al identificar biomateriales antiguos: una vida útil de más de mil años. Es gracias a esta propiedad que los científicos pudieron identificar material genético de los restos de miembros de la familia Romanov.
4. En ausencia de otro material, incluso un cabello contiene una cantidad significativa de ADNmt.
5. Al determinar la pertenencia de genes a ramas genealógicas de la humanidad (haplogrupo africano, americano, de Oriente Medio, europeo y otros), gracias a lo cual es posible determinar el origen de una persona.

Enfermedades mitocondriales y su diagnóstico.

Las enfermedades mitocondriales se manifiestan principalmente por defectos en el ADNmt de las células asociados con una importante susceptibilidad de estos orgánulos a las mutaciones. Hoy en día ya existen unas 400 enfermedades asociadas a sus defectos.
Normalmente, cada célula puede incluir tanto mitocondrias normales como aquellas con ciertos trastornos. A menudo, los signos de la enfermedad no se manifiestan en absoluto. Sin embargo, cuando el proceso de síntesis de energía se debilita, se observa en ellos la manifestación de tales enfermedades. Estas enfermedades se asocian principalmente con trastornos del sistema muscular o nervioso. Como regla general, en tales enfermedades hay una aparición tardía de manifestaciones clínicas. La incidencia de estas enfermedades es de 1:200 personas. Se sabe que la presencia de mutaciones mitocondriales puede provocar síndrome nefrótico durante el embarazo e incluso muerte súbita del lactante. Por ello, los investigadores están intentando activamente solucionar estos problemas asociados al tratamiento y transmisión de enfermedades genéticas de este tipo de madres a hijos.

¿Cómo se relaciona el envejecimiento con las mitocondrias?

La reorganización del genoma de estos orgánulos también se descubrió al analizar el mecanismo de envejecimiento del cuerpo. Investigadores de la Universidad Hopkins publicaron los resultados del seguimiento de los niveles sanguíneos de 16.000 estadounidenses ancianos, demostrando que la disminución en la cantidad de ADNmt estaba directamente relacionada con la edad de los pacientes.

La mayoría de los temas considerados hoy se han convertido en la base de una nueva ciencia: la "medicina mitocondrial", que se formó como una dirección separada en el siglo XX. La predicción y el tratamiento de enfermedades asociadas con trastornos del genoma mitocondrial y el diagnóstico genético son sus tareas principales.

Sorpresas del genoma mitocondrial

GM idiotas

Grigory Moiseevich Dymshits, Doctor en Ciencias Biológicas, Profesor del Departamento de Biología Molecular de la Universidad Estatal de Novosibirsk, Jefe del Laboratorio de Estructura del Genoma del Instituto de Citología y Genética de la Rama Siberiana de la Academia de Ciencias de Rusia. Coautor y editor de cuatro libros de texto escolares sobre biología general.

Ha pasado un cuarto de siglo desde el descubrimiento de las moléculas de ADN en las mitocondrias antes de que no sólo los biólogos moleculares y los citólogos se interesaran por ellas, sino también los genetistas, los evolucionistas, así como los paleontólogos y criminólogos, los historiadores y los lingüistas. Un interés tan generalizado fue provocado por el trabajo de A. Wilson de la Universidad de California. En 1987 publicó los resultados de un análisis comparativo del ADN mitocondrial tomado de 147 representantes de diferentes grupos étnicos de todas las razas humanas que habitan los cinco continentes. Basándose en el tipo, la ubicación y el número de mutaciones individuales, se estableció que todo el ADN mitocondrial surgió de una secuencia de nucleótidos ancestral mediante divergencia. En la prensa pseudocientífica, esta conclusión se interpretó de una manera extremadamente simplificada: toda la humanidad descendió de una mujer llamada Eva mitocondrial (tanto las hijas como los hijos reciben mitocondrias solo de su madre), que vivió en el noreste de África hace unos 200 años. hace mil años. Diez años más tarde, fue posible descifrar un fragmento de ADN mitocondrial aislado de los restos de un neandertal y estimar la existencia del último ancestro común de humanos y neandertales hace 500 mil años.

Hoy en día, la genética mitocondrial humana se está desarrollando intensamente tanto en el aspecto poblacional como en el médico. Se ha establecido una conexión entre varias enfermedades hereditarias graves y defectos en el ADN mitocondrial. Los cambios genéticos asociados con el envejecimiento son más pronunciados en las mitocondrias. ¿Cuál es el genoma mitocondrial que se diferencia en humanos y otros animales del de plantas, hongos y protozoos en tamaño, forma y capacidad genética? ¿Cómo funciona el genoma mitocondrial y cómo surgió en diferentes taxones? Esto se discutirá en nuestro artículo.

Las mitocondrias se denominan estaciones de energía de la célula. Además de la membrana lisa exterior, tienen una membrana interior que forma numerosos pliegues: las crestas. Contienen componentes proteicos incorporados de la cadena respiratoria: enzimas involucradas en la conversión de la energía de los enlaces químicos de los nutrientes oxidados en la energía de las moléculas de ácido adenosín trifosfórico (ATP). Con esta “moneda convertible” la célula paga todas sus necesidades energéticas. En las células de las plantas verdes, además de las mitocondrias, también hay otras centrales energéticas: los cloroplastos. Funcionan con “baterías solares”, pero también forman ATP a partir de ADP y fosfato. Al igual que las mitocondrias, los cloroplastos (orgánulos que se reproducen de forma autónoma) también tienen dos membranas y contienen ADN.

Además del ADN, la matriz mitocondrial también contiene sus propios ribosomas, que se diferencian en muchas características de los ribosomas eucariotas ubicados en las membranas del retículo endoplásmico. Sin embargo, no más del 5% de todas las proteínas incluidas en su composición se forman en los ribosomas de las mitocondrias. La mayoría de las proteínas que forman parte de los componentes estructurales y funcionales de las mitocondrias están codificadas por el genoma nuclear, se sintetizan en los ribosomas del retículo endoplásmico y se transportan a través de sus canales hasta el lugar de ensamblaje. Así, las mitocondrias son el resultado de los esfuerzos combinados de dos genomas y dos aparatos de transcripción y traducción. Algunas subunidades de enzimas de la cadena respiratoria mitocondrial constan de diferentes polipéptidos, algunos de los cuales están codificados por el genoma nuclear y otros por el genoma mitocondrial. Por ejemplo, la enzima clave de la fosforilación oxidativa, la citocromo c oxidasa en la levadura, consta de tres subunidades codificadas y sintetizadas en las mitocondrias, y cuatro subunidades codificadas en el núcleo celular y sintetizadas en el citoplasma. La expresión de la mayoría de los genes mitocondriales está controlada por genes nucleares específicos.

Tamaños y formas de los genomas mitocondriales.

Hasta la fecha se han leído más de 100 genomas mitocondriales diferentes. El conjunto y número de sus genes en el ADN mitocondrial, cuya secuencia de nucleótidos está completamente determinada, varía mucho entre las diferentes especies de animales, plantas, hongos y protozoos. La mayor cantidad de genes se encontró en el genoma mitocondrial de los protozoos flagelados. Rectinomonas americana- 97 genes, incluidos todos los genes codificadores de proteínas que se encuentran en el ADNmt de otros organismos. En la mayoría de los animales superiores, el genoma mitocondrial contiene 37 genes: 13 para proteínas de la cadena respiratoria, 22 para ARNt y dos para ARNr (para la subunidad ribosomal grande 16S rRNA y para la pequeña 12S rRNA). En las plantas y los protozoos, a diferencia de los animales y la mayoría de los hongos, el genoma mitocondrial también codifica algunas proteínas que forman los ribosomas de estos orgánulos. Las enzimas clave de la síntesis de polinucleótidos molde, como la ADN polimerasa (que replica el ADN mitocondrial) y la ARN polimerasa (que transcribe el genoma mitocondrial), se cifran en el núcleo y se sintetizan en los ribosomas del citoplasma. Este hecho indica la relatividad de la autonomía mitocondrial en la compleja jerarquía de la célula eucariota.

Los genomas mitocondriales de diferentes especies difieren no sólo en el conjunto de genes, el orden de su disposición y expresión, sino también en el tamaño y la forma del ADN. La gran mayoría de los genomas mitocondriales descritos hoy en día son moléculas de ADN bicatenario superenrolladas circulares. En algunas plantas, además de las formas circulares, también las hay lineales, y en algunos protozoos, como los ciliados, solo se encuentra ADN lineal en las mitocondrias.

Normalmente, cada mitocondria contiene varias copias de su genoma. Así, en las células del hígado humano hay alrededor de 2 mil mitocondrias y cada una de ellas contiene 10 genomas idénticos. En los fibroblastos de ratón hay 500 mitocondrias que contienen dos genomas y en las células de levadura S. cerevisiae- hasta 22 mitocondrias, cada una con cuatro genomas.

El genoma mitocondrial de las plantas suele estar formado por varias moléculas de distintos tamaños. Uno de ellos, el "cromosoma principal", contiene la mayoría de los genes, y las formas circulares más pequeñas, que están en equilibrio dinámico entre sí y con el cromosoma principal, se forman como resultado de la recombinación intra e intermolecular debido a la presencia de secuencias repetidas (Fig. 1).

Figura 1. Esquema de formación de moléculas circulares de ADN de diferentes tamaños en las mitocondrias de las plantas.
La recombinación ocurre a lo largo de regiones repetidas (indicadas en azul).

Figura 2. Esquema de formación de oligómeros de ADNmt lineal (A), circular (B) y de cadena (C).
ori es la región donde comienza la replicación del ADN.

El tamaño del genoma mitocondrial de diferentes organismos varía desde menos de 6 mil pares de bases en el plasmodium falciparum (además de dos genes de ARNr, contiene solo tres genes codificadores de proteínas) hasta cientos de miles de pares de bases en las plantas terrestres (por ejemplo, ejemplo, Arabidopsis thaliana de la familia de las crucíferas 366924 pares de nucleótidos). Además, incluso dentro de la misma familia se encuentran diferencias de 7 a 8 veces en el tamaño del ADNmt de las plantas superiores. La longitud del ADNmt de los vertebrados difiere ligeramente: en humanos - 16569 pares de nucleótidos, en cerdos - 16350, en delfines - 16330, en ranas con garras Xenopus laevis- 17533, en carpa - 16400. Estos genomas también son similares en la localización de genes, la mayoría de los cuales están ubicados de un extremo a otro; en algunos casos incluso se superponen, generalmente por un nucleótido, de modo que el último nucleótido de un gen es el primero del siguiente. A diferencia de los vertebrados, en plantas, hongos y protozoos, el ADNmt contiene hasta un 80% de secuencias no codificantes. El orden de los genes en los genomas mitocondriales difiere entre especies.

La alta concentración de especies reactivas de oxígeno en las mitocondrias y un sistema de reparación débil aumentan la frecuencia de mutaciones del ADNmt en un orden de magnitud en comparación con el ADN nuclear. Los radicales de oxígeno provocan sustituciones específicas C®T (desaminación de citosina) y G®T (daño oxidativo a la guanina), por lo que el ADNmt posiblemente sea rico en pares AT. Además, todo el ADNmt tiene una propiedad interesante: no está metilado, a diferencia del ADN nuclear y procariótico. Se sabe que la metilación (modificación química temporal de la secuencia de nucleótidos sin alterar la función codificante del ADN) es uno de los mecanismos de inactivación genética programada.

Replicación y transcripción del ADN mitocondrial de mamíferos.

En la mayoría de los animales, las cadenas complementarias del ADNmt varían significativamente en densidad específica, ya que contienen cantidades desiguales de nucleótidos de purina "pesados" y de pirimidina "ligeros". Por eso se llaman cadena H (pesada - pesada) y L (ligera - ligera). Al comienzo de la replicación de la molécula de ADNmt, se forma el llamado bucle D (del inglés bucle de desplazamiento - bucle de desplazamiento). Esta estructura, visible al microscopio electrónico, consta de una región bicatenaria y una monocatenaria (parte extendida de la cadena H). La región bicatenaria está formada por parte de la cadena L y un fragmento de ADN recién sintetizado complementario a ella, de 450-650 nucleótidos de longitud (dependiendo del tipo de organismo), que tiene un cebador ribonucleótido en el extremo 5", que corresponde hasta el punto de partida de la síntesis de la cadena H (ori H). Síntesis La cadena L comienza solo cuando la cadena H hija alcanza el punto ori L. Esto se debe al hecho de que la región de inicio de replicación de la L-. La cadena es accesible a las enzimas de síntesis de ADN solo en un estado monocatenario y, por lo tanto, solo en una doble hélice sin torcer durante la síntesis de H -cadenas Por lo tanto, las cadenas hijas de ADNmt se sintetizan de forma continua y asincrónica (Fig. 3).

Fig. 3. Esquema de replicación del ADNmt de mamíferos.
Primero, se forma el bucle D, luego se sintetiza la cadena hija H,
luego comienza la síntesis de la cadena L hija.

En las mitocondrias, el número total de moléculas con un bucle D supera significativamente el número de moléculas que se replican completamente. Esto se debe al hecho de que el bucle D tiene funciones adicionales: unión del ADNmt a la membrana interna e inicio de la transcripción, ya que los promotores de la transcripción de ambas cadenas de ADN se localizan en esta región.

A diferencia de la mayoría de los genes eucariotas, que se transcriben de forma independiente entre sí, cada una de las cadenas de ADNmt de los mamíferos se transcribe para formar una única molécula de ARN, comenzando en la región ori H, además de estas dos largas moléculas de ARN, complementarias de las H- y. Cadenas L, se forman más secciones cortas de la cadena H que comienzan en el mismo punto y terminan en el extremo de 3" del gen 16S rRNA (Fig. 4). Hay 10 veces más transcripciones cortas de este tipo que largas. Como resultado de la maduración (procesamiento), a partir de ellos se forma el ARNr 12S y el ARNr 16S, involucrado en la formación de ribosomas mitocondriales, así como el ARNt de fenilalanina y valina, los ARNt restantes se escinden de transcripciones largas y se forman ARNm traducidos, para cuyos extremos de 3" están unidos a secuencias de poliadenilo. Los extremos de 5" de estos ARNm no están tapados, lo cual es inusual en los eucariotas. El empalme no ocurre porque ninguno de los genes mitocondriales de los mamíferos contiene intrones.

Figura 4. Transcripción de ADNmt humano que contiene 37 genes. Todos los transcritos comienzan a sintetizarse en la región ori H. Los ARN ribosómicos se eliminan de los transcritos de cadena H larga y corta. El ARNt y el ARNm se forman como resultado del procesamiento a partir de transcripciones de ambas hebras de ADN. Los genes de ARNt se indican en verde claro.

Sorpresas del genoma mitocondrial

A pesar de que los genomas de las mitocondrias de mamíferos y de levaduras contienen aproximadamente la misma cantidad de genes, el tamaño del genoma de la levadura es de 4 a 5 veces mayor: alrededor de 80 mil pares de bases. Aunque las secuencias codificantes del ADNmt de levadura son altamente homólogas a las secuencias correspondientes en humanos, los ARNm de levadura tienen además un líder de 5" y una región no codificante de 3", como la mayoría de los ARNm nucleares. Varios genes también contienen intrones. Por tanto, el gen de caja que codifica la citocromo oxidasa b tiene dos intrones. Una copia de la mayor parte del primer intrón se extrae del transcrito de ARN primario de forma autocatalítica (sin la participación de ninguna proteína). El ARN restante sirve como plantilla para la formación de la enzima madurasa, que participa en el empalme. Parte de su secuencia de aminoácidos está codificada en las copias restantes de los intrones. Maturase los corta, destruyendo su propio ARNm, se unen copias de exones y se forma el ARNm de la citocromo oxidasa b (Fig. 5). El descubrimiento de este fenómeno nos obligó a reconsiderar la idea de los intrones como “secuencias no codificantes”.

Figura 5. Procesamiento (maduración) del ARNm de la citocromo oxidasa b en mitocondrias de levadura.
En la primera etapa del empalme, se forma ARNm, que se utiliza para sintetizar la madurasa,
necesario para el segundo paso de empalme.

Al estudiar la expresión de genes mitocondriales. Trypanosoma brucei descubrió una desviación sorprendente de uno de los axiomas básicos de la biología molecular, que establece que la secuencia de nucleótidos en el ARNm coincide exactamente con la de las regiones codificantes del ADN. Resultó que el ARNm de una de las subunidades de la citocromo c oxidasa está editado, es decir. después de la transcripción, su estructura primaria cambia: se insertan cuatro uracilos. Como resultado, se forma un nuevo ARNm, que sirve como plantilla para la síntesis de una subunidad adicional de la enzima, cuya secuencia de aminoácidos no tiene nada en común con la secuencia codificada por el ARNm sin editar (ver tabla).

Descubierta por primera vez en las mitocondrias del tripanosoma, la edición de ARN está muy extendida en los cloroplastos y las mitocondrias de las plantas superiores. También se encuentra en células somáticas de mamíferos; por ejemplo, en el epitelio intestinal humano, se edita el ARNm del gen de la apolipoproteína.

La mayor sorpresa para los científicos fue la mitocondria en 1979. Hasta entonces se creía que el código genético era universal y que los mismos tripletes codificaban los mismos aminoácidos en bacterias, virus, hongos, plantas y animales. El investigador inglés Burrell comparó la estructura de uno de los genes mitocondriales de la ternera con la secuencia de aminoácidos de la subunidad de la citocromo oxidasa codificada por este gen. Resultó que el código genético de las mitocondrias en el ganado (así como en los humanos) no sólo difiere del universal, sino que es "ideal", es decir. obedece la siguiente regla: "si dos codones tienen dos nucleótidos idénticos y el tercer nucleótido pertenece a la misma clase (purina - A, G o pirimidina - U, C), entonces codifican el mismo aminoácido". En el código universal hay dos excepciones a esta regla: el triplete AUA codifica isoleucina y el codón AUG codifica metionina, mientras que en el código mitocondrial ideal ambos tripletes codifican metionina; El triplete UGG codifica sólo triptófano y el triplete UGA codifica un codón de terminación. En el código universal, ambas desviaciones se refieren a aspectos fundamentales de la síntesis de proteínas: el codón AUG es el iniciador y el codón de parada UGA detiene la síntesis del polipéptido. El código ideal no es inherente a todas las mitocondrias descritas, pero ninguna de ellas tiene un código universal. Se puede decir que las mitocondrias hablan diferentes idiomas, pero nunca el idioma del núcleo.

Como ya se mencionó, hay 22 genes de ARNt en el genoma mitocondrial de los vertebrados. ¿Cómo sirve un conjunto tan incompleto a los 60 codones de los aminoácidos (el código ideal de 64 tripletes tiene cuatro codones de terminación, el código universal tiene tres)? El hecho es que durante la síntesis de proteínas en las mitocondrias, las interacciones codón-anticodón se simplifican: dos de cada tres nucleótidos anticodón se utilizan para el reconocimiento. Por tanto, un ARNt reconoce los cuatro miembros de una familia de codones, diferenciándose sólo en el tercer nucleótido. Por ejemplo, el ARNt de leucina con el anticodón GAU se encuentra en el ribosoma frente a los codones TsU, TsUC, TsUA y Tsug, lo que garantiza la incorporación sin errores de la leucina a la cadena polipeptídica. Otros dos codones de leucina, UUA y UUG, son reconocidos por el ARNt con el anticodón AAU. En total, ocho moléculas de ARNt diferentes reconocen ocho familias de cuatro codones cada una, y 14 ARNt reconocen diferentes pares de codones, cada uno de los cuales codifica un aminoácido.

Es importante que las enzimas aminoacil-tRNA sintetasa, responsables de la adición de aminoácidos a los correspondientes tRNA mitocondriales, estén codificadas en el núcleo celular y sintetizadas en los ribosomas del retículo endoplásmico. Así, en los vertebrados, todos los componentes proteicos de la síntesis de polipéptidos mitocondriales están cifrados en el núcleo. En este caso, la cicloheximida no suprime la síntesis de proteínas en las mitocondrias, que bloquea el trabajo de los ribosomas eucariotas, pero es sensible a los antibióticos eritromicina y cloranfenicol, que inhiben la síntesis de proteínas en las bacterias. Este hecho es uno de los argumentos a favor del origen de las mitocondrias a partir de bacterias aeróbicas durante la formación simbiótica de células eucariotas.

Teoría simbiótica del origen de las mitocondrias.

La hipótesis sobre el origen de las mitocondrias y los plastidios vegetales a partir de bacterias endosimbiontes intracelulares fue expresada por R. Altman en 1890. A lo largo del siglo de rápido desarrollo de la bioquímica, la citología, la genética y la biología molecular, que apareció hace medio siglo, la hipótesis ha ido creciendo. convertido en una teoría basada en una gran cantidad de material fáctico. Su esencia es la siguiente: con la aparición de las bacterias fotosintéticas, el oxígeno se acumula en la atmósfera terrestre, un subproducto de su metabolismo. A medida que aumentó su concentración, la vida de los heterótrofos anaeróbicos se volvió más complicada y algunos de ellos pasaron de la fermentación sin oxígeno a la fosforilación oxidativa para obtener energía. Estos heterótrofos aeróbicos podrían, con mayor eficacia que las bacterias anaeróbicas, descomponer sustancias orgánicas formadas como resultado de la fotosíntesis. Algunos de los aerobios de vida libre fueron capturados por anaerobios, pero no “digeridos”, sino almacenados como estaciones de energía, las mitocondrias. Las mitocondrias no deben verse como esclavas, cautivas para suministrar moléculas de ATP a células que no son capaces de respirar. Son más bien “criaturas” que, allá por el Proterozoico, encontraron para ellas y sus descendientes el mejor de los refugios, donde podían dedicar el menor esfuerzo sin correr el riesgo de ser devorados.

Numerosos hechos hablan a favor de la teoría simbiótica:

- los tamaños y formas de las mitocondrias y las bacterias aeróbicas de vida libre coinciden; ambos contienen moléculas de ADN circulares no asociadas con histonas (a diferencia del ADN nuclear lineal);
En términos de secuencias de nucleótidos, los ARN ribosómicos y de transferencia de las mitocondrias difieren de los nucleares, al tiempo que demuestran una similitud sorprendente con moléculas similares de algunas eubacterias gramnegativas aeróbicas;
Las ARN polimerasas mitocondriales, aunque codificadas en el núcleo celular, son inhibidas por la rifampicina, al igual que las bacterianas, y las ARN polimerasas eucariotas son insensibles a este antibiótico;
La síntesis de proteínas en mitocondrias y bacterias se suprime con los mismos antibióticos que no afectan los ribosomas de los eucariotas;
La composición lipídica de la membrana interna de las mitocondrias y del plasmalema bacteriano es similar, pero muy diferente a la de la membrana externa de las mitocondrias, que es homóloga a otras membranas de células eucariotas;
Las crestas formadas por la membrana mitocondrial interna son las análogas evolutivas de las membranas mesosomales de muchos procariotas;
Todavía existen organismos que imitan formas intermedias en el camino hacia la formación de mitocondrias a partir de bacterias (ameba primitiva Pelomixa no tiene mitocondrias, pero siempre contiene bacterias endosimbióticas).

Existe la idea de que los diferentes reinos de eucariotas tuvieron diferentes ancestros y la endosimbiosis bacteriana surgió en diferentes etapas de la evolución de los organismos vivos. Esto también se evidencia en las diferencias en la estructura de los genomas mitocondriales de protozoos, hongos, plantas y animales superiores. Pero en todos los casos, la mayor parte de los genes de las promitocondrias entraron en el núcleo, posiblemente con la ayuda de elementos genéticos móviles. Cuando parte del genoma de uno de los simbiontes se incluye en el genoma de otro, la integración de los simbiontes se vuelve irreversible.

El nuevo genoma puede crear vías metabólicas que conducen a la formación de productos útiles que ninguno de los socios puede sintetizar por sí solo. Por tanto, la síntesis de hormonas esteroides por las células de la corteza suprarrenal es una cadena compleja de reacciones, algunas de las cuales ocurren en las mitocondrias y otras en el retículo endoplásmico. Al capturar los genes promitocondriales, el núcleo pudo controlar de forma fiable las funciones del simbionte. En el núcleo se codifican todas las proteínas y la síntesis de lípidos de la membrana externa de las mitocondrias, la mayoría de las proteínas de la matriz y la membrana interna de los orgánulos. Lo más importante es que el núcleo codifica enzimas para la replicación, transcripción y traducción del ADNmt, controlando así el crecimiento y la reproducción de las mitocondrias. La tasa de crecimiento de los socios de simbiosis debería ser aproximadamente la misma. Si el huésped crece más rápido, con cada generación el número de simbiontes por individuo disminuirá y, eventualmente, aparecerán descendientes sin mitocondrias. Sabemos que cada célula de un organismo que se reproduce sexualmente contiene muchas mitocondrias que replican su ADN entre divisiones del huésped. Esto asegura que cada una de las células hijas reciba al menos una copia del genoma mitocondrial.

herencia citoplásmica

Además de codificar los componentes clave de la cadena respiratoria y su propio aparato sintetizador de proteínas, el genoma mitocondrial en algunos casos participa en la formación de algunas características morfológicas y fisiológicas. Estos rasgos incluyen el síndrome NCS (banda no cromosómica, mancha foliar no codificada cromosómicamente) y la esterilidad masculina citoplasmática (CMS), característico de varias especies de plantas superiores, que conduce a una interrupción del desarrollo normal del polen. La manifestación de ambos signos se debe a cambios en la estructura del ADNmt. En CMS, se observan reordenamientos de genomas mitocondriales como resultado de eventos de recombinación que conducen a deleciones, duplicaciones, inversiones o inserciones de ciertas secuencias de nucleótidos o genes completos. Estos cambios pueden causar no sólo daños a los genes existentes, sino también la aparición de nuevos genes funcionales.

La herencia citoplasmática, a diferencia de la herencia nuclear, no obedece las leyes de Mendel. Esto se debe al hecho de que en los animales y plantas superiores los gametos de diferentes sexos contienen cantidades dispares de mitocondrias. Entonces, en un óvulo de ratón hay 90 mil mitocondrias, pero en un espermatozoide solo cuatro. Es obvio que en un óvulo fecundado las mitocondrias proceden predominante o únicamente del individuo femenino, es decir La herencia de todos los genes mitocondriales es materna. El análisis genético de la herencia citoplasmática es difícil debido a las interacciones nuclear-citoplasmáticas. En el caso de la esterilidad masculina citoplasmática, el genoma mitocondrial mutante interactúa con ciertos genes nucleares, cuyos alelos recesivos son necesarios para el desarrollo del rasgo. Los alelos dominantes de estos genes, tanto en estado homocigoto como heterocigoto, restauran la fertilidad de las plantas, independientemente del estado del genoma mitocondrial.

El estudio de los genomas mitocondriales, su evolución, que sigue las leyes específicas de la genética de poblaciones, y las relaciones entre los sistemas genéticos nuclear y mitocondrial, es necesario para comprender la compleja organización jerárquica de la célula eucariota y del organismo en su conjunto.

Ciertas mutaciones en el ADN mitocondrial o en los genes nucleares que controlan las mitocondrias están asociadas con algunas enfermedades hereditarias y el envejecimiento humano. Se están acumulando datos sobre la implicación de los defectos del ADNmt en la carcinogénesis. Por tanto, las mitocondrias pueden ser un objetivo de la quimioterapia contra el cáncer. Hay datos sobre la estrecha interacción de los genomas nuclear y mitocondrial en el desarrollo de diversas patologías humanas. Se encontraron múltiples deleciones de ADNmt en pacientes con debilidad muscular grave, ataxia, sordera y retraso mental, heredados de forma autosómica dominante. Se ha establecido un dimorfismo sexual en las manifestaciones clínicas de la enfermedad coronaria, que probablemente se debe al efecto materno: la herencia citoplasmática. El desarrollo de la terapia génica da esperanzas de corregir defectos en los genomas mitocondriales en un futuro previsible.

Este trabajo fue apoyado por la Fundación Rusa para la Investigación Básica. Proyecto 01-04-48971.
El autor agradece al estudiante de posgrado M.K. Ivanov, quien creó los dibujos para el artículo.

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Herencia mitocondrial. ADN mitocondrial ¿Cuántas proteínas están codificadas por los genomas mitocondriales modernos?

¿Qué es el ADN mitocondrial?

Hipótesis sobre el origen de las mitocondrias.

Examen genético del ADNmt.

herencia materna

Mutaciones del ADN mitocondrial

herencia paterna

Donación mitocondrial

Estructura del ADN mitocondrial

Decodificando el genoma animal

Decodificando el genoma de la planta.

Decodificando el genoma protista

Replicación del ADN mitocondrial

Transcripción del ADN mitocondrial

Enfermedades mitocondriales

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Historia del descubrimiento del ADNmt.

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