Tema 12-ADN mitocondrial PDF

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Apuntes tema ADN mitocondrial...

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Tema 12: Herencia extracelular, el ADN mitocondrial En el genoma humano existen dos tipos de genomas, el nuclear que es el que vimos hasta ahora, y el genoma mitocondrial que está incluido en las organelas citoplasmáticas denominadas mitocondrial. Sabemos que las mitocondrial aportan el 90% de energía que necesita la célula, a través de un proceso denominado fosforilación oxidativa. Este proceso conduce a la síntesis de ATP, el principal donador de energía de las células. En una célula humana existen centenares de mitocondrias y en cada una de ellas hay del orden de 2 a 10 moléculas de ADN mitocondrial. En conjunto las moléculas de ADN mitocondrial por célula son muy variables en cuanto a su número, típicamente oscilan entre 1000 y 10000 moléculas de ADN mitocondrial por célula. Una variación importante sobre estos datos lo encontramos en los gametos. Estas células espermáticas contienen centenares de moléculas de ADN mitocondrial mientras que el óvulo contiene del orden de 10000 moléculas de ADN mitocondrial., es la célula humana con un mayor número de moléculas de ADN mitocondrial.

Características del genoma mitocondrial En el ADN mitocondrial humano, en cuanto a su estructura es un ADN circular de doble cadena. Una de las dos cadenas del ADN mitocondrial es rica en la base guanina, razón por lo cual a esa cadena se le denomina H( de heavy, pesada). La cadena complementaria que es rica en la base citosina, razón por la cual se le denomina cadena ligera o L (light). Son pesadas y ligeras porque tienen diferente comportamiento en un gradiente de densidad de CsCl. En conjunto el ADN mitocondrial contiene un 44% de contenido en guanina más citosina, esto permite diferenciarlo al ADN mitocondrial del ADN nuclear que en su banda principal tiene un contenido de guanina-citosina del 41%. Por lo que se diferencian en un gradiente de CsCl. La cadena pesada (H) del ADN codifica los 2 rARNs, 14 tARNs y 12 polipéptidos, mientras que la cadena ligera (L) contiene solamente información para 8 tARNs y un polipéptido (ND6). La única zona del ADN que no codifica ningún gen es un pequeño fragmento que corresponde al 7% del ADN, localizado alrededor del origen de replicación de una de las cadenas y que incluye el bucle de desplazamiento (bucle D). Todos estos genes carecen de intrones. Los genes, en la cadena pesada, se disponen uno a continuación del otro, sin tramos no codificantes intermedios (16). Además, la mayor parte de genes codificantes de proteínas carecen de un codón de terminación. Estos presentan una T o TA después del último codón con sentido y preceden al extremo 5' del gen adyacente. El codón de terminación UAA del mARN se forma postranscripcionalmente por poliadenilación del extremo 3' como veremos mas adelante. Otra de las peculiaridades de la organización genética del ADN mitocondrial es la distribución de los genes de los tARNs a lo largo de la secuencia del ADN. En la cadena pesada, estos separan casi con absoluta

regularidad los genes de los rARNs y los codificantes de proteínas. Esta disposición tendrá consecuencias muy importantes para el procesamiento del ARN(16). Cuando sometemos nuestro ADN celular a la técnica en la que teníamos una banda principal de ADN y luego bandas satélite, una de estas bandas, que este más hacia abajo, más pesad, es la banda del ADN mitocondrial. La característica más singular de las mitocondrias es la de poseer un sistema genético propio con toda la maquinaria necesaria para su expresión, es decir, para la síntesis de ADN, ARN y de todas las proteínas que codifica. Este segundo sistema genético celular, a pesar de contener un número muy pequeño de genes, es indispensable para la vida celular porque codifica 13 proteínas integrantes de los complejos respiratorios mitocondriales. Sin embargo, las mitocondrias no son autónomas ya que tanto la formación del orgánulo como la expresión de su genoma dependen de un gran número de proteínas codificadas en el núcleo, que son sintetizadas en los ribosomas citoplásmicos e importadas a la mitocondria. La biogénesis de las mitocondrias representa pues un caso único en la célula ya que su formación está bajo el control de los dos sistemas genético celulares: el nuclear y el mitocondrial. Nucleoides La replicación del ADN mitocondrial está producida por varios factores de transcripción y de replicación codificados en el núcleo. Éstos junto con moléculas de ADN se empaquetan en lo que se conoce como nucleoide que tiene unos 70 nm de diámetro. En estos nucleoides hay alrededor de treinta proteínas diferentes muy conservadas entre especies. Existe un modelo estructural propuesto para los nucleoides en el que un núcleo central estaría compuesto por proteínas que participan en la síntesis de ácidos nucléicos mientras que las proteínas de ensamblaje estarían en la periferia. Hay un debate sobre el número de moléculas de ADN que participan en un nucleoide, manejándose cifras que van desde 2 hasta 15 moléculas de ADN por estructura Otro rasgo que vemos en la secuencia del ADN mitocondrial es que en ese círculo hay un fragmento en el que hay tres cadenas, un tríplex. A esa región le llamamos lazo-D o región ADN7S. Esta característica se debe o es un resultado del proceso de replicación del ADN mitocondrial, proceso en el cual la cadena pesada se replica una vez más en un corto fragmento que origina el lazo-D. En el mecanismo de replicación del ADN mitocondrial es un mecanismo conocido como desplazamiento de cadena. El ADN mitocondrial se replica por medio de una enzima ADN- polimerasa, en concreto es la ADN-polimerasa gamma. Esta enzima empieza la replicación del ADN mitocondrial, a partir de dos orígenes de replicación: un origen de replicación para la síntesis de la cadena H, que se denomina OH y que está localizado en la región ADN7S. Modelo de desplazamiento de las cadenas En este modelo, la síntesis del ADN mitocondrial es unidireccional, asimétrica y requiere dos orígenes de replicación diferentes, uno para la cadena pesada (OH), que se localiza en la región del bucle de desplazamiento (bucle-D), y otro para la cadena ligera (OL), situado entre los genes de los tARNCys y tARNAsn a dos

Otro origen de replicación para la síntesis de la cadena ligerea y se le denomina OL, ahí empieza la ADN-polimerasa gamma a replicar. A medida que se va sintetizando la nueva cadena, se va desplazando la cadena parental hasta llegar al origen de replicación para la síntesis de la replicación para la cadena L. En ese momento, se empieza a copiar la cadena pesada para dar una cadena ligera y empieza en dirección opuesta. La síntesis de la cadena pesada sigue de OL y debería acabar en el punto en el que empezó, pero sigue un poco más y forma un fragmento más, que es el tríplex. Entonces el tríplex es un trozo de cadena pesada. El ADN mitocondrial engloba 37 genes, de esos 37 genes, 28 están localizados en la cadena pesada, la cadena H; y 9 en la cadena ligera. Hay 13 genes que codifican polipéptidos que forman parte de la mayor parte de los complejos que intervienen en la transferencia de electrones durante el proceso

ómica ni la transformación de esta obra. Queda permitda la impresión

tercios de la longitud total del genoma respecto a OH. La región del bucle-D carece de secuencias codificantes, se extiende entre los genes de los tARNs prolina y fenilalanina (1122 pb), y contiene, además del origen de replicación, los promotores de la transcripción de las dos cadenas y las secuencias de regulación. La replicación comienza con la síntesis de un pequeño ARN iniciador, formado por procesamiento de un ARN transcrito a partir del promotor de la cadena ligera, que se prolonga por la acción de la ADN polimerasa gamma específica de la mitocondria. La transición de síntesis de ARN a síntesis de ADN se produce previa acción de una endorribonucleasa específica que corta el ARN precursor originando el extremo 3' del ARN iniciador que actúa como sustrato para su extensión por la ADN polimerasa. La replicación comienza con la síntesis de un segmento corto de cadena H (ADN 7S de 680 nt), que permanece unido al ADN molde, desplazando la cadena H y formando una triple hélice (bucle-D). La elongación de la cadena H hija lo hace de forma unidireccional a lo largo de la cadena L, al tiempo que desplaza la cadena H parental. La replicación de la cadena L requiere la acción de una primasa específica y solo comienza cuando el desplazamiento de la cadena H ha dejado la zona del origen de replicación OL como cadena sencilla. La síntesis de la cadena ligera hija termina después que la de la cadena pesada.

de la fosforilación oxidativa. 22 de los genes dan lugar a moléculas de ARNt y 2 genes dan lugar a ARNr. Un aspecto del que tenemos que llamar la atención: los genes que dan lugar a ARNr son para dos tipos: ARNr 16S (forma parte de la subunidad menor del ribosoma) y ARNr 23S (forma parte de la subunidad mayor). Esto es extraño, porque estas subunidades tienen un tamaño más pequeño de lo normal para ser eucariotas, son ARNr de bacteria. Este dato y otros que veremos, apoyan la hipótesis de la endosimbiosis de endosimbiosis ancestrales. Lin Margulis propuso que las mitocondrias proceden de células bacterianas ancestrales, que se fusionaron con la célula eucariota en un proceso de endosimbiosis ocurrido en el pasado evolutivo. Es decir, que las mitocondrias serían bacterias ancestrales que han evolucionado con la célula eucariota. Estos genes se expresan por medio de enzimas ARN polimerasas que reconocen secuencias promotoras. Si examinamos el genoma del ADN mitocondrial humano encontraremos 2 promotores: un promotor para la cadena H, que se denomina PH, y otro promotor par la cadena L, que se denomina PL. En el PH avanza en dirección horaria y el promotor PL avanza en sentido antihorario. Esa transcripción empieza en los promotores y avanza a lo largo de las cadenas formando largos transcritos multigénicos. Estos largos transcritos multigénicos, que llevan información para muchos genes, se procesan finalmente para dar lugar a las moléculas de ARN maduras funcionales, entre las que tendremos ARNm, ARNr (2) y ARNt (22). Otra vez, vemos una característica típica de las bacterias, que sintetizaban a lazo perones que eran genes que intervenían en el mismo proceso. Entonces, nos confirman de nuevo la teoría de Lynn Margulis. Se olvidó de decir que la longitud del ADN mitocondrial es de 16569 pares de bases, que son aproximadamente 17kbases. El ADN mitocondrial humano contiene 13 genes que codifican polipéptidos con un tamaño que varía de 70 a 610 aminoácidos. En las mitocondrias de células HeLa se han aislado e identificado, entre los poli(A)-ARNs, 10 mARNs que corresponden a los 12 polipéptidos codificados en la cadena pesada (dos de ellos contienen 2 marcos de lectura solapados). Estos mARNs contienen exclusivamente la secuencia del patrón de traducción y una cola de unos 55 adenosinas en el extremo 3'. Los mARNs mitocondriales humanos comienzan directamente por el codon de iniciación AUG, AUA o AUU o tienen muy pocos nucleótidos (1 a 3) delante de los mismos. Carecen por tanto de uno de los caracteres típicos de los mARN de otros sistemas, como es la presencia de un tramo no codificante en el extremo 5' (40). Tampoco contienen la estructura "cap" en el extremo 5' (41). Asimismo, el extremo 3' de la mayor parte de los mARNs carecen de una región no codificante y finalizan con un codon de terminación incompleto U o UA (42). La poliadenilación juega un papel muy importante y, en particular, la adición postranscripcional de la cola de poli(A) genera en la mayor parte de los casos el codon de terminación UAA. No existe ninguna secuencia en común cerca del extremo 3' que pueda actuar como señal de la poliadenilación, como sucede en los mARN nucleares. Modelo acoplado y RITOLS. Estos modelos se deben al trabajo del grupo Holt mediante estudios con electroforesis bidireccional en agarosa. En ellos se observaba la presencia de intermediarios de replicación de doble cadena procedente de un único punto de

replicación conocido como OriZ diferente en posición al OH y OL del modelo anterior. La replicación era bidireccional (27-31). Más adelante se comprobó la existencia de ribonucleótidos en los dúplex intermediarios explicándose la existencia de éstos por la existencia de fragmentos de Okazaki en la replicación del ADN mitocondrial dando lugar al modelo RITOLS (incorporación de ribonucleótidos a lo largo de la cadena retrasada). En este modelo a partir del mismo punto de replicación existe una replicación unidireccional con una cadena conductora y otra retrasada. La autonomía limitada del genoma mitocondrial Es un genoma de una muy pequeña longitud, sin embargo, ya veremos que incluso las dos cadenas, a pesar de ser complementarias, llevan información para cosas diferentes. Hemos dicho que 13 genes sintetizan polipéptidos que intervienen en complejos de fosforilación oxidativa, que son 5. Entonces vemos que, de las 13 subunidades, 7 forman el complejo I, 0 al II, 1 al III… Pero para formar estos complejos se necesitan más de 80 proteínas diferentes, entonces se necesita información, proteínas que se crean en el núcleo, que vienen del genoma nuclear. Es decir, en el genoma nuclear existen genes que forman el resto de subunidades polipeptídicas que forman parte de estos complejos de fosforilación oxidativa. Entonces son genomas que están interrelacionados. Entonces para formar estos complejos entramos en esta complejidad que existe en la célula eucariota.

Por último, existen cantidad de moléculas importantes que necesita la mitocondria y que son sintetizadas pro el genoma nuclear, como es el ejemplo de la ADN polimerasa y, las ARN polimersas… todas vienen del núcleo. Otro aspecto que hay que identificar sobre la estructura es que si observamos el ADN mitocondrial es que tiene una autonomía limitada porque necesita mucho del genoma nuclear. Sin embargo, aprovecha mucho el espacio del que dispone, se puede decir que el 93% de ADN mitocondrial está ocupado por los genes, es decir, solo desperdicia un 7% de información. Ese 7% está asociado a la región ADN7S (bucleD), que no sintetiza nada. Tanto aprovecha el espacio, que los genes no contienen intrones, esto no es una generalidad, existe ADN mitocondrial, por ejemplo en hongos, donde tiene intrones (entonces se necesita un splicing). Esto también apoya la teoría endosimbiótica, porque en bacterias el genoma no contiene intrones. También encontramos que aprovechan tanto el espacio que existen genes solapados, hay un ADN que se solapa que se aprovecha para 2 genes diferentes. Traducción del ADN mitocondrial Los mARN mitocondriales traducen su mensaje en un sistema de traducción propio de la mitocondria con ribosomas específicos. Los componentes de los ribosomas mitocondriales están codificados por los dos sistemas genéticos de la célula. Así, mientras que los rARNs están codificados en el ADN mitocondrial, las proteínas ribosómicas están en el genoma nuclear.

la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitda la impresión en su totalidad.

La mitocondria forma los ARNr, pero para formar los ribosomas mitocondriales hace falta ARN que se agregue con proteínas, pero de nuevo no tiene esas proteínas ribosómica, entonces viven de genes nucleares.

El código genético utilizado por la mitocondria para traducir sus genes presenta algunas diferencias muy significativas con respecto al código universal. Así, el codon UGA codifica triptófano en lugar de ser uno de los codones de terminación. Asimismo, la mitocondria humana, además de AUG, utiliza AUA y AUU como codones de iniciación, mientras que AGA y AGG, codones de arginina en el código universal, son señales de terminación. Recientemente se ha propuesto que los codones AGA y AGG no actúan directamente como codones de terminación, sino que producen un movimiento del ribosoma de un nucleótido hacia atrás encontrándose entonces con un codon de terminación característico del código universal. Otra de las características particulares del sistema genético mitocondrial es su inusual reconocimiento de codones, que permite la lectura del código genético con solo los 22 tARNs codificados en el mtADN. Cada una de las 8 familias del código con 4 codones para un aminoácido son leídas por un solo tARN, mientras en las otras 6 familias se siguen utilizando 2 tARNs para leer los codones de cada familia (54,55). De esta forma 24 tARNs son suficientes para traducir el código genético mitocondrial.

Herencia y mutaciones del ADN mitocondrial: Características:  Herencia materna: El genoma mitocondrial humano se hereda por via materna, es decir, hijos e hijas heredan el ADN mitocondrial de sus madres, pero lo hijos no lo pueden transmitir a sus descendientes, es una herencia uniparental, es una regla fija. Un aspecto interesante es que podemos decir que en base a estudios filogenéticos y en base a la utilización de los relojes moleculares que todo el ADN mitocondrial en las poblaciones humanas actuales procede de una mujer que vivió en áfrica hace unos 100.000 años, esto de manera equívoca fue lo que se llamó la Eva africana. Esta conclusión se basa en el fenómeno de coalescencia, es decir que en el caso del ADN mitocondrial, todas las poblaciones humanas se pueden retrotraer a un ancestro común que se transmite por vía materna. También podemos hablar del Adán genético, que sería el cromosoma Y que se transmite por vía exclusivamente paterna, no es un concepto biblioco. Y las estimaciones es que todos los cromosomas proceden de un varón que vivió hace 35.000 y 8.000años. es decir, no procede de la misma época. El ADN mitocondrial se transmite solo por vía materna porque el esperma tiene centenares de moléculas de ADN mitocondrial, pero el óvulo miles y miles. En el momento de la fecundación, esas moléculas de ADN mitocondrial del espermatozoide entran, pero ahora se sabe que el óvulo tiene mecanismos para la exclusión o degradación de estas. Es decir, esas moléculas entran, pero una vez dentro, el óvulo las degrada. Los mecanismos concretos no se conocen del todo hoy en día. Eso no quiere decir que no haya excepciones, de hecho en algunos casos se han encontrado vestigios de ADN mitocondrial paterna, lo cual quiere decir que los mecanismo de los óvulos han fallado. Herencia materna. El ADN mitocondrial se hereda con un patrón vertical, no mendeliano, transmitido exclusivamente por vía materna. La madre

trasmite el genoma mitocondrial a todos sus hijos; por tanto, solamente las hijas lo trasmitirán a todos los miembros de la siguiente generación y así sucesivamente.

Esta alta tasa de mutación se debe a diferentes causas: en primer lugar una de las razones es que el ADN mitocondrial experimenta un mayor número de rondas de replicación que el ADN nuclear. Por otro lado, también porque el ADN no está protegido por histonas, que lo protegen de los agentes químicos y físicos mutagénicos. También contribuye que los sistemas de reparación del ADN son menos eficaces, tienen sistemas de reparación (no como dicen algunos libros) pero son menos eficaces. Por ejemplo, tienen menos gama de mecanismos de reparación. Otro es la acción mutagénica de los radicales libres del oxígeno (en nuestras células en el ADN mitocondrial se liberan radicales libres de oxígeno, que actúan sobre el ADN mitocondrial produciendo mutaciones). La gran variación existente en la secuencia del mtADN de diferentes individuos se está utilizando hoy en día para estudios acerca de la filogenia y estructura de las poblaciones. Los datos disponibles son coherentes con los siguientes puntos (58,59): 1) Las mutaciones se van acumulando de un modo secuencial en la radiación de de las diferentes lineas maternas; 2) La variación del mtADN correlaciona con el origen ético y la distribución geográfica de los individuos; 3) Existe un único árbol mitocondrial humano, cuyas ramas se dividen en los diferentes continentes, indicando que el origen del homo sapiens es único; 4) La variación actual es mayor en África, seguida de Asia, Europa y finalmente América. Ello implica que el homo sapiens se originó en África (hace unos 300.000 años de acuerdo con el ritmo de evolución y asumiendo un "reloj molecular"), luego emigró a Asia y Europa y finalmente llegó (recientem...