EL DNA MITOCONDRIAL HUMANO Y SU EXPRESIÓN
Alfonso Martínez-Conde Ph. D. y Pilar Mayor Ph. D.
La mitocondria tuvo en el pasado un interés restringido a los estudiosos de la citología, la bioquímica metabólica y la bioenergética. Sin embargo, desde hace pocos años la mitocondria humana se encuentra en un primer plano de la actualidad de las ciencias biomédicas. Este cambio radical se fundamenta en varios hechos :
1) El conocimiento de un numeroso grupo de enfermedades genéticas metabólicas, entre las cuales figuran más de medio centenar debidas a mutaciones puntuales consistentes en la sustitución de unas bases por otras, afectando a distintos genes del genoma mitocondrial. A ello hay que añadir los varios cientos de mutaciones no puntuales como son reordenaciones genéticas del tipo de las delecciones o las inserciones de fragmentos de DNA de distinto tamaño. Este aspecto de la mitocondria humana ha llamado la atención de los científicos interesados en la terapia génica.
2) La utilidad del DNA mitocondrial como un marcador de gran fiabilidad en antropología molecular para el estudio de la evolución humana, los flujos migratorios, etc. Utilidad que se extiende a la ciencia forense, por su valor como marcador en la identificación de personas o el esclarecimiento de relaciones de parentesco.
3) La bioquímica metabólica ha acrecentado los conocimientos sobre el papel central de la mitocondria en el metabolismo celular. Al mismo tiempo se han clarificado definitivamente los aspectos bioenergéticos de la mitocondria en relación con el transporte de electrones, la fosforilación oxidativa y el necesario acoplamiento de ambos procesos.
4) Nuevos aspectos que prometen ser decisivos son su participación en el cáncer y las enfermedades neurodegenerativas. Su interés creciente en oncología se debe a su papel central en la apoptosis o suicidio celular, que impide en condiciones normales el desarrollo de tumores.
En este artículo se exponen algunos elementos básicos de la genética de la mitocondria humana.
El genoma humano es el conjunto del DNA humano, conteniendo los genes. Dicho DNA está organizado en forma de cromosomas. Una célula somática típica tiene en su núcleo 46 cromosomas. A este número ( 46 ) se llama número diploide de la especie humana.
Sin embargo, existe un cromosoma 47 en el genoma humano : es el pequeño cromosoma mitocondrial. En el siguiente esquema podemos observar como en una célula somática típica el DNA se encuentra repartido en dos fracciones :
Genoma nuclear o DNA de los 46 cromosomas nucleares. Los cromosomas son moléculas lineales de DNA, y entre todos suman un tamaño total de 6.000 millones de pares de bases ( GC y AT ) constituyendo la fracción del genoma mayoritaria. De tal forma que el tamaño medio de los cromosomas humanos es de unos 130 millones de pares de bases. El genoma humano tiene un número aproximado de 30.000 a 40.000 genes.
Genoma mitocondrial humano. Constituido por un solo cromosoma, que es una molécula circular de DNA de un tamaño de 16569 pares de bases ( 8000 veces menor que el cromosoma medio ). Este tamaño de 16569 bp corresponde al primer DNA que se secuenció y es el DNA "secuencia Cambridge". Otras variantes tienen distinto tamaño ; así el DNA mitocondrial "secuencia africana" tiene 16559, mientras la "secuencia sueca" tiene 16570 bp. En cuanto a su número, hay que precisar que la mayoría de las células tienen varios cientos de mitocondrias. Además cada mitocondria tiene varias moléculas de DNA, con lo que el número de copias del cromosoma circular en cada célula es de varios miles.
En el siguiente dibujo podemos ver el Mitomapa; es decir, el mapa genético del DNA mitocondrial humano. Observamos que tiene 37 genes, que podemos agrupar por sus productos :
- 13 genes que codifican para ( RNAs mensajeros ), y por lo tanto para 13
proteínas.
- 22 genes que codifican para los 22 tRNAs ( RNAs de transferencia, que se representan simbólicamente como hojas de trebol, por denominarse la estructura secundaria de " hoja de trebol " ).
- 2 genes que codifican para los dos rRNAs mitocondriales ( RNAs ribosómicos )
En la molécula de DNA circular de mitocondria las dos cadenas complementarias tienen una proporción de C y G muy dispar, y por ello tienen un peso molecular muy distinto. Para distinguirlas hablamos de cadena H o pesada ( heavy ) y cadena L o ligera ( light ).
Cadena L
Composición en bases (total bases : 16569): 5122 A ; 5180 C ; 2171 G ; 4096 T
Peso molecular : 5.060.609 daltons
Cadena H
Composición en bases (total bases : 16569): 4096 A ; 2171 C ; 5180 G ; 5122 T
Peso molecular : 5.168.726 daltons
La cadena que por convenio se representa y sobre la que se realiza la numeración del genoma mitocondrial es la cadena L. La numeración se realiza de 1 a 16569 no existiendo, al contrario de lo que ocurre en los genes nucleares, valores negativos. Estos genes no se encuentran todos sobre la misma cadena codificadora, sino que existen genes localizados sobre ambas cadenas ( H y L ).
La mayor parte de los genes mitocondriales son transcritos utilizando como molde la cadena H . Por lo tanto el RNA será el transcrito de la cadena H ( cadena molde ), mientras que la cadena codificadora de éstos genes será la cadena L. Esto lo vemos en el esquema superior.
Cada cadena tiene su propio origen de replicación y de transcripción. Cada cadena se transcribe " en una sola pieza " ; es decir, se produce una sola molécula de RNA al que se denomina transcrito primario de esa cadena.
El promotor de la transcripción de la cadena H se encuentra entre las posiciones 531 y 568. Este promotor dirige la formación del complejo de transcripción que formará la burbuja donde se sintetiza el RNA denominado transcrito primario de la cadena H.
El transcrito primario de cada cadena sufre un proceso de corte por acción de nucleasas ( RNAsas ) muy específicas, que producen una colección de RNAs. Estos RNAs reciben el nombre de " precursores ", y no son funcionalmente activos. Para ser funcionales deban sufrir un proceso de maduración.
Estos RNAs " precursores " sufrirán procesos de maduración consistentes en transformaciones catalizadas enzimáticamente, y originarán las formas maduras de los tRNAs, mRNAs, rRNAs y RNA-7s.
Genes transcritos de la cadena H : la cadena H es el molde para la transcripción de los genes :
genes cuya transcripción origina mRNAs ( RNAs mensajeros ), y como consecuencia su producto final es una proteína :
NADH deshidrogenasa: subunidad 1 (MTND1) / subunidad 2 (MTND2) / subunidad 3 (MTND3) / subunidad 4 (MTND4) / subunidad 4L (MTND4L) / subunidad 5 (MTND5)
Citocromo oxidasa: subunidad 1 (COI) / subunidad 2 (COII) / subunidad 3 (COIII)
ATPasa: subunidad 6 (ATPasa 6) / subunidad 8 (ATPasa 8)
Citocromos: citocromo b
genes cuya transcripción origina rRNAs mitocondriales ( RNAs ribosomicos mitocondriales ) :
RNA ribosomal 12S / RNA ribosomal 16S
genes cuya transcripción origina tRNAs mitocondriales ( RNAs de transferencia ) :
tRNA-Phe; tRNA-Val; tRNA-Leu (1 y 2); tRNA-Ile; tRNA-Met; tRNA-Trp; tRNA-Asp; tRNA-Lys; tRNA-Gly; tRNA-Arg; tRNA-His; tRNA-Ser ( 2 ); tRNA-Thr
Genes transcritos de la cadena L : la cadena L es el molde para la transcripción de los genes :
genes cuya transcripción origina mRNAs ( RNAs mensajeros ), y como consecuencia su producto final es una proteína :
NADH deshidrogenasa: subunidad 6 (MTND6)
genes cuya transcripción origina tRNAs mitocondriales ( RNAs de transferencia ) :
tRNA-Ala; tRNA-Asn; tRNA-Gln; tRNA-Cys; tRNA-Tyr; tRNA-Ser ( 1 ); tRNA-Glu; tRNA-Pro
A estos genes habría que añadir un gen que origina un pequeño RNA mitocondrial :